专利名称：具有图案化电流阻挡金属接触的发光二极管及其方法
技术领域：
本发明总体上涉及发光二极管，并且具体地说，涉及具有电流阻挡(currentblock)的发光二极管。
背景技术：
发光二极管(LED)己经发展了许多年，并且广泛应用于多种照明用途。由于LED重量轻，能耗低，并且具有良好的电能到光的转化效率，所以被用来取代传统光源，例如白炽灯和荧光源。但是，LED发光的波段相对较窄，并且因为其构造限制所以在有效地进行发光方面存在困难。但是，为了成功地取代传统光源，LED必须尽可能多的发光。
因此，在本领域中需要改进LED构造，使得LED能够尽可能以最有效的方式发光。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种发光二极管，所述发光二极管包括外延层构造；形成在所述外延层构造上的第一电极，所述第一电极具有图案；以及形成在所述外延层构造上的第二电极，所述第二电极具有与所述第一电极的图案相对准的部分，其中，所述第二电极的所述部分形成与所述外延层构造的非欧姆接触。
本发明的另一目的是提供一种制造发光二极管的方法，所述方法包括以下步骤形成外延层构造；在所述外延层构造上形成第一电极，所述第一电极具有第一图案；以及在所述外延层构造上形成第二电极，其中，所述第二电极具有与所述第一电极的图案相对准的部分，所述第二电极的所述部分形成与所述外延层构造的非欧姆接触。
本发明提供一具有图案化电流阻挡金属接触的发光二极管及其制造方法，所述二极管具有良好的电能到光的转化效率。
结合附图，通过示例说明了本发明的各个方面，但不是对本发明的限定，附图中
图1A是垂直LED构造的剖视图。
图1B是垂直LED构造的俯视图，其中示出了被图案化的n接触。
图2A是横向LED构造的剖视图。
图2B是横向LED构造的俯视图。
图3是不具有电流阻挡的垂直LED的电流密度分布图。
图4A-图4E示出了用于制造具有金属电流阻挡的垂直LED的工艺流程。
图5A-图5F示出了用于制造具有金属电流阻挡的垂直LED的工艺流程。
图6是具有电流阻挡的垂直LED的电流密度分布图。
具体实施例方式
可以理解的是，通过下面的详细描述，本领域技术人员将更清楚本发明的其它方面，其中通过示例仅公开并描述了本发明的示例性方面。可以理解的是，本发明包括其它不同的方面，并且其细节能够按照各个方面进行多种改动，而不脱离本发明思想和范围。因此，附图和详细说明是作为示例的，而不是限制性的。
以下是与附图相结合的详细描述，旨在作为从各个方面对本发明的说明，但是并不代表本发明能被实施的全部方式。详细的描述包括为了全面理解本发明的具体细节。但是，对于本领域技术人员明显的是，不采用这些细节也能实施本发明。在一些示例中，在附图中以简图的形式示出了常见结构及元件，以避免混淆本发明的概念。
通常，基于AlInGaN的发光二极管(LED)包括至少两类LED:垂直LED以及横向LED。如图1A所示，垂直LED装置100具有垂直的电流注入(injection)模式，并包括被图案化的n型接触(或n型电极)101、具有粗糙化表面的n型基于GaN的层102、有源区103、 p型基于GaN的层104、主区域反射性p型接触(或者P型电极或者反射性P型电极)105、以及用于在机械上支持所述装置构造的导热和/或导电的衬底106。 n型基于GaN的层102形成在临时衬底(未示出)上，而有源区103形成在n型基于GaN的层102与p型基于GaN的层104之间。p型电极105直接或者不直接地形成在p型基于GaN的层104上。去除其上形成有n型基于GaN的层102的临时衬底，使得被图案化(patttemed)的n型电极101能形成在附着于被去除的衬底上的n型基于GaN的层102的表面。图IB是垂直LED构造的俯视图，其中示出了具有多个电极的n型接触。本领域技术人员可以认识到，n型接触的图案不限于图IB所示的图案。反射性p型电极105附着在提供机械支撑的导热衬底106上。由于n型基于GaN的层102与p型基于GaN的层104相对设置，所以它们一起形成了与有源区103相对的载流子注入(carrier injector)。因此，当为LED装置100供电时，电子和空穴从p型接触105及n型接触101注入到有源区103，并在有源区103结合，从而以光的形式释放能量。在图1A中，LED装置100中的箭头表明垂直地形成从p型电极105到被图案化的n型电极101的电路。
如图2A和图2B所示，横向LED装置200具有横向电流注入模式，并包括衬底201 (例如蓝宝石(sapphire)衬底)、形成在衬底201上的n型基于GaN的层202、形成在n型基于GaN的层202上的有源区203、 p型基于GaN的层204、 TCL层(透明欧姆接触层)205、被图案化的p型电极206、以及被图案化n型电极207。如图2A所示，去除位于n型基于GaN的层202顶上的有源区203、 p型基于GaN的层204以及TCL层205的一部分，使得n型电极207形成在n型基于GaN的层202的顶上。在图2A中，LED装置200
中的箭头表明横向地形成从P型电极206到被图案化的n型电极207的电流路径。
与垂直LED装置不同，横向LED装置的衬底201仍然附着在n型基于GaN的层上，并且反射器208形成在衬底201的底面。由于电流方案的基本变化(如图1A和图2A的箭头所示)，并且由于从垂直LED装置中的LED中去除了衬底，所以与横向LED装置相比，垂直LED装置具有正向电压(Vf)低而光输出(LOP)高的优点。
通常，可以将垂直LED装置的n型接触直接地设置在n型基于GaN的层上，并且，当将偏置电压施加在LED装置上时，由于电流的最小电阻路径正好位于n型接触区域的下方，所以大部分电流注入发生在n型接触区域的下方。
图3示出了采用有限元法(FEM)模型而模拟的垂直LED装置的模拟电流密度分布曲线。如图3所示，n型接触下方的电流密度是所述装置的边缘处电流密度的大约6倍。也就是说，通过n型接触下方的电流注入而产生的光被n型接触阻挡而几乎没有机会从LED装置中发射出去。因此，在n型接触下方的电流注入被浪费，而且，电能到光的转化效率受损害。
为了防止在n型接触下方所注入的电流被浪费，将对应于n型接触的图案并且具有高接触电压的电流阻挡区域(例如肖特基(Sdiottky)接触)，引入到p型电极。
在一实施例中，提供了一种垂直LED的装置，其中，在淀积p型接触层之前改变了 p型基于GaN的层的一些部分的电特性，使得p型电极到在经过改变的区域处的p型接触层的接触电压高于到未改变区域的接触电压，并且以均匀平面形成电流阻挡。形成电流阻挡的步骤并不影响垂直LED装置的其它制造过程。此外，与p型基于GaN的层的未改变区域相比，在p型基于GaN的层经过改变的区域上的P型电极的反射率并没有变化。垂直LED装置的一
个示例是薄膜LED装置。
图4A-图4E示出了垂直LED装置400 (图4E所示)及其制造工艺。在图4A中，与普通的LED —样，在衬底401顶表面上依次淀积n型外延层402、有源区403以及p型外延层404。 n型外延层402和p型外延层404可以是基于GaN的层。此外，衬底401可以是蓝宝石(A1203)或者碳化硅(SiC)。
在一实施例中，在淀积反射性p型电极层408之前(见图4D) ， p型基于GaN的层404在空间上(spatially)被改变。如图4B所示，具有与被图案化的n型电极层409 (被图案化的n型电极层409稍后如图4E所示而形成)相对准的图案的光刻胶层405，用于掩盖p型基于GaN的层404。然后，如图4C所示，对经过掩盖的p型基于GaN的层404进行等离子体处理406，使得对p型基于GaN的层404没有光刻胶层405的区域的p型掺杂水平进行补偿，或者将其转化成n型掺杂407。通过等离子体处理期间的离子轰击(ionbombardment)，得到对p型基于GaN的层404的p型掺杂水平的补偿或者转化。等离子体处理的离子轰击主要影响p型基于GaN的层的表面以及所述表面下方几百埃到1000埃处的材料。其中经过n型掺杂补偿或者转化成n型掺杂的区域并不形成欧姆接触，并且与未经处理的区域相比具有高接触电压，因此，形成嵌入到p型电极层408 (p型电极层408稍后如图4D所示而形成)的电流阻挡411。在一个示例中，等离子体处理所使用的气体包括02、 N2、H2、 Ar、 He、 Ne、 Kr、 Xe等或者它们的组合。以下，由淀积在经过等离子体处理的区域407上的p型电极408而形成的电流阻挡411也称为金属电流阻挡407。
接下来，如图4D所示，去除光刻胶层405，并且，在p型基于GaN的层404上形成p型电极层408。虽然在图4D中直接地在p型基于GaN的层404上形成p型电极层408，但是，通过在这两者之间设置透明欧姆接触层(未示出)，也可以不直接地在p型基于GaN的层404上形成p型电极层408。在任意一种情况下，由于图4C所示的等离子体处理，所以p型电极层408形成与经过等离子体处理的区域407的非欧姆接触。也就是说，在经过等离子体处理的区域407上，p型电极408形成与p型基于GaN的层404的肖特基接触。
在图4E中，去除了衬底401 ，并且，将p型电极层404副加载(sub-mounted)到导热和/或导电衬底410上。衬底410用于为提供LED装置400机械支撑。然后，将被图案化的n型电极409淀积在附着有衬底401的n型基于GaN的层402的表面上。如上所述，金属电流阻挡411具有与被图案化的n型电极409匹配的图案，并且形成与p型基于GaN的层404的非欧姆接触。因此，当对LED装置400施加电压时，由于在n型电极409的下方形成了非欧姆接触411，所以更不可能在n型电极409下方流过电流。换言之，n型电极409的下方区域的电流浪费更低，从而得到了 LED装置400更高的电能到光的转化效率。
为了获得更好的发光效率，金属阻挡411图案的宽度可以基本上大于或者等于被图案化的n型电极409的宽度。p型电极层408可以通过对Ag、 Pt、Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo和/或它们的合金进行淀积而形成。p型接触层408经过热退火(thermal annealing)工艺，并且，形成与p型基于GaN的层的除经过等离子体处理的区域以外的欧姆接触。此外，在一个示例中，可以使用金属(例如Cu、 Mo、 W和A1或者它们的合金)、半导体材料(例如Si、 GaAs、 GaP、 InP和Ge)、以及陶瓷(包括A1203和A1N)中的一种，来形成副加载的衬底410。
图5A-5F示出了垂直LED装置500 (见图5F)及其制造工艺。与图4A类似，如图5A所示，在形成金属电流阻挡之前，在衬底501上形成p型基于GaN的层504、有源区503、以及n型基于GaN的层502。
如图5B所示，将p型电极层505淀积在p型基于GaN的层504上。如以上结合图4D所述，在淀积p型电极层505之前，也可以在p型基于GaN的层上形成透明欧姆接触层(未示出)。
如图5C所示，将具有与被图案化的n型电极509 (如图5F所示的)相反的极性并且基本上与之相匹配的图案的光刻胶506，覆盖在p型电极层505上。在一个方面，然后，在经过掩盖的p型电极层505上进行蚀刻工艺，以去除没有被光刻胶506遮盖的p型电极层的部分，并且，形成被图案化的p型电极507，如图5D所示。由于光刻胶506的图案与被图案化的n型电极509相匹配，所以被图案化的p型电极507与被图案化的n型电极509互补(compliment) 。 p型电极507经过热退火工艺，并且形成与p型基于GaN的层504的欧姆接触。
在图5E中，将金属电流阻挡层508淀积在被图案化的p型电极507的顶上。在一个示例中，通过对例如Ag、 Pt、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、Rh、 Mo以及它们的合金的金属进行淀积来形成所述金属电流阻挡层。在不经过欧姆接触形成工艺的情况下，金属电流阻挡层508在p型基于GaN的层未被欧姆接触507覆盖的区域形成非欧姆接触，g卩，肖特基接触511。所述这些区域形成金属电流阻挡508'。
接下来，在图5F中，从n型基于GaN的层502上去除衬底501，并且，将金属电流阻挡层508副加载在用于机械支撑的导热和/或导电衬底510上。最后，将被图案化的n型电极层形成在附着于己被去除的衬底501的n型基于GaN的层502的表面上。
与垂直LED装置400类似，由于在被图案化n型电极509的下方形成金属电流阻挡508'，所以当对垂直LED500施加电压时，由于在n型电极509的下方形成了非欧姆接触，所以更不可能在n型电极509的下方流过电流。也就是说，n型电极509的下方区域的电流浪费更低，从而得到了更高的电能到光的转化效率。
图6示出了采用有限元法(FEM)而模拟的具有电流阻挡的垂直LED的电流密度分布曲线。如图所示，p型电极侧的电流阻挡有效地将电流推离n型电极，使得在没有n型电极阻碍的区域产生光。另外，电流密度分布更均匀， 并且电流密度最大值/最小值之间的比率縮减为大约4.5，而在示出了没有电流
阻挡的曲线的图3的情况下所述比率是6。
根据上述优点，说明了根据本发明的各个方面的示例性实施方式。可以 理解的是，这些实施方式仅用来说明本发明的各个方面。对于本领域技术人 员来说，各种变化和修改是明显的。
以上描述使得本领域技术人员能够实现此处描述的不同方面。对于本领 域技术人员来说，当这些方面的各种修改是明显的，并且，此处所定义的一 般原理可以用于其它方面。因此，权利要求不限于制此处所示的这些方面， 而但是认为与全部范围和字面含义的全部范围上的权利要求是一致的，其中， 除非特别说明，以单数形式提到的一元件不意味着"一个并且仅仅是一个" 除非特别说明，而是指"一个或更多个"。除非特别说明，否则，词语"一 些"指一个或者更多个。通过引用，将对于本领域技术人员来说已知的或能 清楚获知的针对所有的构造以及本发明各个方面的公开的元件的所有构造及 功能上的等同效物，对于本领域技术人员来说是己知明确地包含在这里，并 且，旨在包括在权利要求中。并且，无论这里的公开是否在权利要求中明确 被引用，此处没有任何公开是针对公众。除非权利要求的元素明确使用短语 "用于……的装置"，或在方法权利要求的情况下，权利要求的元素使用短 语"用于……步骤"，否则并不根据基于35 U.S.C. 112第6款的规定来对权 利要求的各项进行解释。
权利要求
1.一种具有图案化电流阻挡金属接触的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括外延层构造；设置在所述外延层构造上的第一电极，所述第一电极具有图案；以及设置在所述外延层构造上的第二电极，所述第二电极具有与所述第一电极的图案相对准的部分；其中，所述第二电极的所述部分形成与所述外延层构造的非欧姆接触。
2. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层构造包括 第一外延层和第二外延层，其中所述第一外延层位于所述第一电极与所述第 二外延层之间，而所述第二外延层位于所述第二电极与所述第一外延层之间。
3. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包 括位于所述第一外延层与所述第二外延层之间的有源区。
4. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述非欧姆接触部分 位于所述第二电极与所述第二外延层之间。
5. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述非欧姆接触部分 具有与所述第二外延层的肖特基接触。
6. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，通过对所述第二外延 层进行等离子体处理而形成所述非欧姆接触部分。
7. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，通过对所述第二外延 层进行并且对所述经过光刻的外延层进行等离子体处理而形成所述非欧姆接 触部分，使得所述非欧姆接触部分形成在所述第二电极与所述第二外延层未 被光刻胶覆盖的部分之间。
8. 如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述等离子体处理所 使用的气体包括02、 N2、 H2、 Ar、 He、 Ne、 Kr、 Xe或者它们的任何组合。
9. 如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述非欧姆接触部分包括从Ag、 Pt、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo以及它们的合 金中选出的金属。
10. 如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述等离子体处理对 接近所述第二外延层表面的掺杂浓度进行补偿。
11. 如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述等离子体处理将 在经过所述等离子体处理的区域处所述第二外延层的掺杂转化为相反掺杂。
12. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述非欧姆接触部分 的图案的宽度大于或者等于所述第一电极的图案的宽度。
13. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二电极包括从 Ag、 Pt、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo以及它们的合金中选 出的金属。
14. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极层包括 第一材料和第二材料，其中，所述第二材料形成与所述外延层构造的所述非 欧姆接触部分。
15. 如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，所述第一材料包括 从Ag、 Pt、 Ni、 Cr、 Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo和它们的合金中选 出的金属。
16. 如权利要求14所述的发光二极管，其中，所述第一材料部分地形成 在所述外延层构造上，而所述外延层构造上没有所述第一材料的区域形成与 所述第一电极的图案相对准的图案，所述第二材料形成在所述第一材料上。
17. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二电极附着在 衬底上。
18. 如权利要求17所述的发光二极管，其特征在于，从由金属、半导体 材料和陶瓷组成的组中选出所述衬底。
19. 如权利要求18所述的发光二极管，其特征在于，所述金属包括从Cu、Mo、 W和A1中选出的一种，所述半导体材料包括从Si、 GaAs、 GaP、 InP和 Ge中选出的一种，而所述陶瓷包括从八1203和A1N中选出的一种。
20. —种制造发光二极管的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 形成外延层构造；在所述外延层构造上形成第一电极，所述第一电极具有第一图案；以及 在所述外延层构造上形成第二电极，其中，所述第二电极具有与所述第一电极的图案相对准的部分，所述第 二电极的所述部分形成与所述外延层构造的非欧姆接触。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述外延层构造包括第一 外延层和第二外延层，其中，在所述第一电极形成在所述第一外延层上，而 所述第二电极形成在所述第二外延层上。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤:在所述第一外延层与所述第二外延层之间形成有源区。
23. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过对所述第二外延层进 行等离子体处理而形成所述非欧姆接触部分。
24. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过对所述第二外延层进行光刻并且对所述经过光刻的外延层进行等离子体处理而形成所述非欧姆接 触部分，使得非欧姆接触部分形成在所述第二电极与所述第二外延层未被光 刻胶覆盖的部分之间。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述等离子体处理所使用 的气体包括02、 N2、 H2、 Ar、 He、 Ne、 Kr、 Xe或者它们的组合。
26. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述等离子体处理对所述 第二外延层未被光刻胶层覆盖的接近表面的掺杂浓度进行补偿。
27. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述等离子体处理将在经 过所述等离子体处理的区域处所述第二外延层的掺杂转化为相反的掺杂。
28. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述非欧姆接触部分的图案的宽度大于或者等于所述第一电极的图案的宽度。
29. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，通过对从Ag、 Pt、 Ni、 Cr、Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo以及它们的合金中选出的金属进行淀积而形成所述第二电极。
30. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，形成所述外延层构造的步骤包括在衬底上形成所述第一外延层，并且去除所述衬底，并且其中，所述第一电极形成在附着到所述衬底的所述第一外延层的表面上。
31. 如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述衬底是蓝宝石或者碳化硅。
32. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤将所述第二电极附着在衬底上。
33. 如权利要求32所述的方法，其特征在于，从由金属、半导体材料和陶瓷组成的组中选出所述衬底。
34. 如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述金属包括从Cu、 Mo、W和Al中选出的一种，所述半导体材料包括从Si、 GaAs、 GaP、 InP和Ge中选出的一种，而所述陶瓷包括从八1203和AIN中选出的一种。
35. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，形成第二电极的步骤包括使用与所述第一电极的图案极性相反的图案对第一材料进行构图，并且使用所述第一材料来设置第二材料，所述非欧姆接触部分位于所述第二材料与实施所述外延层构造之间。
36. 如权利要求35所述的方法，其特征在于，在所述外延层构造上形成所述第一材料，并且对所述第一材料进行蚀刻以形成与所述第一电极的图案相对准的图案，其中，在蚀刻步骤后将所述第二材料淀积在所述第一材料上并且使其与所述外延层构造相接触。
37. 如权利要求33所述的方法，其特征在于，通过对从Ag、 Pt、 Ni、 Cr、Ti、 Al、 Cu、 Pd、 W、 Ru、 Rh、 Mo以及它们的合金中选出的金属进行淀积而形成所述非欧姆接触部分。
全文摘要
一种具有图案化电流阻挡金属接触的发光二极管，所述发光二极管包括外延层构造；形成在所述外延层构造上的第一电极；以及形成在所述外延层构造上的第二电极。所述第一电极具有图案，而所述第二电极具有与所述第一电极的图案相对准的部分。所述第二电极的所述部分形成与所述外延层的构造的非欧姆接触。所述二极管具有良好的电能到光的转化效率。
文档编号H01L33/00GK101552316SQ20091013874
公开日2009年10月7日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者林朝坤 申请人:普瑞光电股份有限公司