专利名称：新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明揭示新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管及其低成本的生长技术和工艺，属于半导体电子技术领域。
背景技术：
大功率半导体发光二极管具有取代白炽灯的巨大前途，但是，首先要解决技术上的问题。半导体发光二极管由于几何结构的不同划分为两类横向结构和垂直结构。以蓝宝石为生长衬底的横向结构的传统的氮化镓基半导体发光二极管的主要问题包括散热效率低，电流拥塞，电流密度低，和生产成本高。为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的散热问题，倒装焊技术被提出。但是，倒装焊技术工艺复杂，生产成本高。以碳化硅晶片为生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管(图1a)的两个电极分别在生长衬底的两侧，具备优良的散热效率，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料等优点。但是，碳化硅晶片成本极高。以蓝宝石为生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管(图1b)的两个电极分别在支持衬底的两侧，该发光二极管具备散热效率高，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料，光取出效率提高等优点。但是，蓝宝石是电绝缘材料，因此需要剥离生长衬底。但是，剥离技术尚不成熟，有待进一步完善。
为降低大功率半导体发光二极管的生产成本，一个成效显著的方法是使用大面积的生长衬底，而生产大面积蓝宝石和碳化硅晶片在技术上有很大困难。
因此，需要高功率高热导的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管及其低成本的批量生产的工艺方法，同时避免上面提到的缺点。
发明内容
本发明的目的和能达到的各项效果如下。
(1)本发明揭示高功率高热导的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，所述的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极分别层叠在氮化镓基外延层的两侧，因此具有传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的优点，包括，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料，光取出效率提高。
(2)本发明揭示的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极层叠在生长衬底的同一侧，因此，不需要键合支持衬底和剥离生长衬底。
(3)本发明揭示新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的低成本的批量生产的工艺方法，主要工艺步骤如下在生长衬底上，层叠中间媒介层(包括一金属层作为表面层)，生长氮化镓基外延层(包括第一类型限制层，发光层，第二类型限制层)，在氮化镓基外延层上层叠具有优化图形的第二电极，在预定区域蚀刻氮化镓基外延层直到中间媒介层中的金属层暴露，在暴露的金属层上层叠第二电极。所述的工艺方法既不需要键合支持衬底到氮化镓基外延层，也不需要剥离生长衬底等工艺过程。
(4)本发明揭示在大面积硅晶片上低成本生长新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的工艺方法。硅晶片具有很多优点，因此，大量的研究工作集中于在硅晶片上生长氮化镓基半导体发光二极管。在硅晶片上生长氮化镓外延层的主要困难来源于氮化镓和硅晶片之间的热涨系数和晶格常数的极大的不同，该不同造成氮化镓外延层内的巨大应力，该应力降低外延层的质量。以硅晶片为生长衬底的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管具有良好的热导率，因此不需要采用倒装焊技术封装大功率新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，生产成本降低。
(5)本发明揭示的生长新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和生产方法可以应用于生长其他半导体发光二极管。
本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
图1a是以导电碳化硅晶片为生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的截面图。
图1b是以蓝宝石为原始生长衬底(已剥离)的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的截面图。
图2是本发明的生产新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的工艺流程的一个具体实施实例。
图3a是本发明的纹理结构的一个具体实施实例的顶视图。
图3b是本发明的纹理结构的一个具体实施实例的截面图。
图4a是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的第一个具体实施实例的截面图。
图4b是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的第二个具体实施实例的截面图。
图4c是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的第三个具体实施实例的截面图。
图4d是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有多量子阱结构的发光区的一个具体实施实例的截面5a是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第一个具体实施实例的顶视图。
图5b是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第二个具体实施实例的顶视图。
图5c是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第三个具体实施实例的顶视图。
图5d是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第四个具体实施实例的顶视图。
图5e是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第五个具体实施实例的顶视图。
图5f是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第六个具体实施实例的顶视图。
图5g是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第七个具体实施实例的顶视图。
图5h是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第八个具体实施实例的顶视图。
图5i是本发明的新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的具有优化图形的第二电极的第九个具体实施实例的顶视图。
具体实施实例和发明的详细描述虽然本发明的具体化实施实例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项描述。
注意，下列各项应用于本发明的所有具体实施实例(1)图2展示生产新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的技术和工艺。但是相同的技术和工艺可以应用于生产其它垂直结构的半导体发光二极管。
(2)本发明中的氮化镓基外延层的材料系统是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，由元素镓，铝，硼，铟，磷，氮所组成的二元系，三元系，四元系，或五元系，例如，氮化镓，氮化铝，硼铝氮(BAlN)，硼镓氮(BGaN)，铝镓氮(AlGaN)，铟镓氮(InGaN)，铝镓铟氮(AlInGaN)，铝镓氮磷(AlGaNP)，铝镓铟氮磷(AlGaInNP)，等。
(3)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的生长衬底的材料包括，但不限于，硅晶片，蓝宝石，氮化铝陶瓷，氧化镁，氧化锌。硅生长衬底的晶体平面的取向可以是，但不限于，(111)。
(4)本发明的生长衬底的一面可以具有由蚀刻形成的纹理结构。蚀刻方法包括湿法和干法。湿法化学蚀刻的一个具体实施实例使用NHO3和HF的醋酸溶液蚀刻硅晶片。
(5)为了在外延生长时，本发明的生长衬底的边缘不会向上翘起，可以使用，但不限于，下述方法(1)非刚性固定生长衬底于一个导热良好的托盘上。托盘的材料包括，但不限于，钼。非刚性固定的方法包括，但不限于，低熔点金属键合，非刚性机械夹具固定，两者的组合。(2)利用红外热源对生长衬底的上表面加热。(3)对于具有较高的热导率的生长衬底，例如硅晶片，使用较厚的生长衬底。(4)上述方法的组合。
(6)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的中间媒介层的结构包括，但不限于，单层结构和多层结构。
(7)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的中间媒介层的每一层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于(A)外延层外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓的二元系，三元系，和四元系，例如氮化铝，氮化镓，磷化硼，6H-碳化硅，3C-碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，及它们的组合；(B)低熔点金属层，低熔点金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，铟，锡，铊，和镉；(C)高熔点金属层，高熔点金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，钛，铪，钪，鋯，钒，铬，金，钨；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的组合。氮化镓的晶格常数(埃)是3.18。氮化铝的晶格常数(埃)是3.11。蓝宝石的晶格常数(埃)是4.75。硅的晶格常数(埃)是5.4。高熔点金属的晶格常数(埃)分别是，铪3.2；钪3.31；鋯3.23；钒3.02；钛2.95；铬2.88；金4.08。
(8)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的中间媒介层的表面层是高熔点金属层。氮化镓基外延层生长在该金属层上。该金属层具有如下功能。第一，第一电极层叠在该金属层上，因此，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料。第二，该金属层选用高反射率的金属，例如金，因此，光取出效率高。
(9)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的中间媒介层中的外延层具有成份缓变结构(compositionally graded layer)在该层的不同深度，每种成份之间的比例不同。例如，中间媒介层中的外延层与生长衬底接触的表面层的各种成份之间的比例使得中间媒介层与生长衬底之间的由于晶格常数的不同引起的应力最小。
(10)本发明中，氮化镓基外延层和中间媒介层中的外延层的生长方法包括，但不限于，两步生长法。在镓元素按化学计量少于氮元素的条件下，生长氮化镓基外延层和中间媒介层中的外延层；然后，在镓元素按化学计量多于氮元素的条件下，继续生长氮化镓基外延层和中间媒介层中的外延层。
(11)中间媒介层中的低熔点金属层的功能当在生长衬底上，外延生长中间媒介层中的外延层和氮化镓基外延层时，低熔点金属层熔化，中间媒介层中的外延层和氮化镓基外延层漂浮在生长衬底上。熔化的中间媒介层有二个作用由于熔化的金属的表面张力，中间媒介层中的外延层被整体地“粘”在生长衬底上，熔化的低熔点金属层将热均匀地传导到中间媒介层中的外延层。另外，当外延生长结束，温度降到约160摄氏度(铟的溶点为157摄氏度)时，低熔点金属层凝固，温度继续降到约20摄氏度室温。在大约140摄氏度的温度差的范围内，中间媒介层中的外延层和氮化镓基外延层与生长衬底之间的热涨系数的不同造成应力，但此应力很小，该应力对氮化镓基外延层的质量的影响很小。
(12)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的氮化镓基外延层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于，量子阱结构和双异质结构；其中，所述的量子阱结构包括单量子阱结构和多量子阱结构；其中，所述的量子阱结构包括发光层和隔离层；其中，所述的双异质结构包括第一类型限制层，发光区，和第二类型限制层；其中，所述的双异质结构的发光区的材料和所述的量子阱结构的发光层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，铝，镓，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铟镓氮磷(InGaNP)，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)；其中铟镓氮，铟镓氮磷，和铝铟镓氮磷已经被应用于白光LED。
(13)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一和第二类型限制层包括n-类型限制层和p-类型限制层。作为新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的生长工艺流程的具体实施实例，第一类型限制层采用n-类型限制层，第二类型限制层采用p-类型限制层，。
(14)本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形和第一电极的组合，使得电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大。
图1a展示以碳化硅晶片为原始生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管。氮化镓基外延层103(包括第一类型限制层103a，发光区103b，第二类型限制层103c)，电流扩散层104，和第二电极105依次层叠在导电碳化硅生长衬底102的一侧。第一电极101层叠在导电碳化硅生长衬底102的另一侧。
图1b展示以蓝宝石晶片为原始生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管。氮化镓基外延层103(包括第一类型限制层103a，发光区103b，第二类型限制层103c)，电流扩散层104，和第一电极108依次层叠在导电支持衬底107的一侧。第二电极106层叠在导电支持衬底107的另一侧。生产工艺流程包括，在蓝宝石生长衬底上层叠氮化镓基外延层103(包括第一类型限制层103a，发光层103b，第二类型限制层103c)，键合导电支持衬底107于第二类型限制层103c，剥离蓝宝石生长衬底，第一类型限制层103a暴露，层叠电流扩散层104于第一类型限制层103a上，层叠具有优化图形的第一电极108于电流扩散层104上，整个导电支持衬底107的另一侧作为第二电极106。
图2展示本发明的低成本的批量生产新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的工艺流程的具体实施实例。
工艺流程201生长衬底是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅晶片，蓝宝石，氮化铝陶瓷，氧化镁，氧化锌等。在下面的具体实施实例，以硅晶片作为生长衬底。在硅晶片上外延生长氮化镓基外延层的最大问题在于晶格常数和热胀系数的不同，引入中间媒介层将晶格常数和热胀系数的不同所造成的效应降低到最小。在硅生长衬底的一面上蚀刻纹理结构，图3展示纹理结构的图形的一个具体实施实例，纹理结构使中间媒介层和硅生长衬底之间的热涨系数的不同所造成的应力局部化并互相抵消一部分，因而，减少位错和畸变密度，提高外延层的质量。
为避免外延生长时，硅生长衬底的边缘向上翘起，因而使得采用大直径硅晶片作为生长衬底成为可行，可以使用下述方法(1)非刚性固定生长衬底于一个导热良好的托盘上。托盘的材料包括，但不限于，钼。非刚性固定的方法包括，但不限于，低熔点金属键合，非刚性机械夹具固定，或两者的组合。(2)利用红外热源对硅生长衬底的上表面加热。(3)使用较厚的硅生长衬底。(4)上述方法的组合。
工艺流程202层叠中间媒介层在硅生长衬底有纹理结构的一面上。
第一个具体实施实例金/硅生长衬底。在硅生长衬底上层叠一层金。层叠方法包括，但不限于，真空沉积。在工艺流程207中，第一电极层叠在该金层上。金的优良的导电性使得电流分布均匀，优良的光反射率提高光取出效率。
第二个具体实施实例金/钨/铟/硅生长衬底。在硅生长衬底上依次层叠铟，钨，和金。层叠方法包括，但不限于，真空沉积。外延生长氮化镓基外延层时，铟层熔化，金/钨层和氮化镓基外延层漂浮在生长衬底上。铟层有二个作用由于熔化的铟的表面张力，氮化镓基外延层被整体地“粘”在生长衬底上，熔化的铟层将热均匀地传导到氮化镓基外延层。另外，当外延生长结束，温度降到约160摄氏度(铟的溶点为157摄氏度)时，铟层固化，温度继续降到约20摄氏度室温。在大约140摄氏度的温度差的范围内，氮化镓基外延层与生长衬底之间的热涨系数的不同造成应力，但此应力很小，对氮化镓基外延层的质量的影响很小。
第三个具体实施实例金/氮化铝/铝/硅生长衬底。为防止氮化硅的形成，硅生长衬底放在金属有机物化学气相淀积炉(MOCVD)中，在大气压下，在硅生长衬底上生长厚度为几个单原子层(monolayer)到几个纳米的铝，再使用氨气和三甲脂铝(trimethylaluminum，TMA)，在1000-1250摄氏度，生长厚度为10-300纳米的有平滑表面的氮化铝。在氮化铝层上层叠金。
第四个具体实施实例成份缓变结构金/硼铝氮(BxAl1-xN)/硅生长衬底。在硅生长衬底上生长硼铝氮硅生长衬底放在金属有机物化学气相淀积炉中，在大气压下，温度为1050-1150摄氏度，使用三甲脂铝，三乙基硼(TEB)，和氨气，在硅生长衬底上生长硼铝氮。硼铝氮具有成份缓变结构在该层的不同深度，硼和铝的成份不同，即不同的“x”的值。在与硅生长衬底接触的硼铝氮层，选择“x”的值，使得硼铝氮层和硅生长衬底之间的晶格常数的不同最小。然后“x”的值逐步减低直到0，即从硼铝氮(BxAl1-xN)过渡成氮化铝。“x”的值可以连续变化，也可以不连续变化。在氮化铝层上层叠金。
第五个具体实施实例金/氮化铝/钛/铟/硅生长衬底。在硅生长衬底上层叠一层铟，层叠一层钛在铟上，氮化铝生长在钛层上。层叠一层金在氮化铝层上。
在上述的具体实施实例中，金可以由下述材料替换，这类材料包括，但不限于，钛，铪，钪，鋯，钒，铬。
工艺流程203层叠氮化镓基外延层。一个具体实施实例氮化镓基外延层包括，但不限于，第一类型限制层，发光区，和第二类型限制层。利用MOCVD方法，在高熔点金属层上外延生长第一类型限制层，在第一类型限制层上依次外延生长发光区和第二类型限制层。其中，第一类型限制层可以是n-类型限制层，也可以是p-类型限制层。发光区的结构包括，但不限于，量子阱结构和单层发光层(bulk active layer)结构。其中，量子阱结构包括发光层和隔离层。发光层的材料包括，但不限于，元素氮，硼，铝，镓，砷，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铝镓氮磷，铟镓氮磷(InGaNP)，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)；其中铟镓氮，铟镓氮磷，和铝铟镓氮磷已经被应用于白光LED。
工艺流程204在氮化镓基外延层上层叠电流扩散层。层叠的方法可以采用标准的层叠电流扩散层的方法。电流扩散层的材料包括，但不限于，ITO。
工艺流程205在电流扩散层上层叠具有优化图形的第二电极。图5展示第二电极的优化图形的一些具体实施实例。
工艺流程206在预定区域，蚀刻氮化镓基外延层，直到中间媒介层中的高熔点金属层暴露。蚀刻的方法可以采用标准的蚀刻氮化镓基外延层的方法。
工艺流程207层叠第一电极在暴露的中间媒介层中的高熔点金属层上。层叠的方法可以采用标准的层叠电极的方法。整个高熔点金属层作为第一电极，电流均匀的分布在高熔点金属层上。
工艺流程204到工艺流程207的操作可以按照不同的顺序进行。
图3a和图3b分别展示具有表面纹理结构的生长衬底300的一个具体实施实例的顶视图和截面图。表面纹理结构具有不同的类型。表面纹理结构的一个具体实施实例包括井302和凸分隔301。凸分隔301的高度为纳米到微米。表面纹理结构局部化和最小化由于两个接触面之间的由于热胀率的不同产生的应力。
图4a展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一个具体实施实例。中间媒介层402是金属层(包括单层金属或多层金属)，层叠在生长衬底401上，由工艺流程201和202制造。氮化镓基外延层403层叠在中间媒介层402上。氮化镓基外延层403包括，但不限于，第一类型限制层403a，发光区403b，第二类型限制层403c。发光区403b的第一个具体实施实例发光区403b是单层发光层，发光层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，硼，铝，镓，砷，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铟镓氮磷(InGaNP)，铝镓氮磷，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)。电流扩散层404层叠在氮化镓基外延层403上。氮化镓基外延层的厚度为纳米到微米量级。具有优化图形的第二电极405层叠在电流扩散层404上。第一电极406层叠在中间媒介层402的暴露部分上。第一电极406的位置也可以在半导体发光二极管芯片的中心，如图5b，5c，5d，5f，5g，5h，5i所示。
图4b展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二个具体实施实例。第二个具体实施实例与第一个具体实施实例的不同之处是在于中间媒介层的结构。第一个具体实施实例中的中间媒介层402只包括金属层，而第二个具体实施实例中的中间媒介层407不只包括金属层407a，还包括外延层407b.外延层407b的材料系统包括元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓的二元系，三元系，和四元系，例如氮化铝，氮化镓，磷化硼，6H-碳化硅，3C-碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，及它们的组合。外延层407b由工艺流程202制造。
图4c展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第三个具体实施实例。第三个具体实施实例与第二个具体实施实例的不同之处是在于中间媒介层的结构。第二个具体实施实例中的中间媒介层402只包括金属层407a和外延层407b，而第三个具体实施实例中的中间媒介层408不只包括金属层408a，外延层408b，还包括金属层408c。
图4d展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的发光区403b的第二个具体实施实例发光区403b具有量子阱结构。其中，量子阱结构包括单量子阱结构和多量子阱结构，量子阱结构包括发光层403b2和隔离层403b1。本具体实施实例具有两个发光层403b2和三个隔离层403b，但是发光层和隔离层的数目可以不同于两和三。发光层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，硼，铝，镓，砷，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铟镓氮磷(InGaNP)，铝镓氮磷，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)。
采用以上方法制造的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管具有如下优点(1)中间媒介层中的金属层402，407a，和408a整个作为第二电极，第一电极和第二电极分别层叠在氮化镓基外延层403的两侧，第二电极具有优化的图形，因此具有与传统的垂直结构的半导体发光二极管相同的优点，即，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料。(2)选用高反射率的金属，整个中间媒介层中的金属层作为反射层，因此，光取出效率提高。(3)在生长新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管外延层的工艺过程中，生长衬底与MOCVD的加热底盘有良好的接触，温度分布均匀，生长的氮化镓基半导体发光二极管的外延层的质量均匀。(4)当中间媒介层包括一层低溶点金属薄膜，例如铟薄膜，外延生长时，熔化的金属薄膜在外延生长结束后冷却到约160摄氏度时固化，因此使得氮化镓基外延层与生长衬底之间的由于热涨系数的不同造成的应力为最小。(5)没有剥离生长衬底的工艺过程，因此剥离工艺不影响发光层质量。(6)选用高导热率的生长衬底，新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管具有高导热率。(7)选用大面积的生长衬底，生产成本降低。
图5a展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第一个具体实施实例环-叉图形。第二电极的优化图形包括环502，叉503，和位于中心的打线焊点501，其中环502，叉503，和打线焊点501是电联接的。第一电极504与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有两个环，但是，环502可以具有其他数目的环。环502的形状不限于矩形，也可以是圆形或其它任何封闭的图形。图中叉503具有一个叉，但是，叉503可以具有多于一个的叉。
图5b展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第二个具体实施实例环图形。第二电极的优化图形包括环502和打线焊点501，其中环502和打线焊点501是电联接的。第一电极504位于中心并与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有两个环，但是，环502可以具有一个或多于两个的环。环502的形状不限于矩形，也可以是圆形或其它任何封闭的图形。
图5c和图5d展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第三个和第四个具体实施实例环-联接图形。第二电极的优化图形包括环502，联接线505，和打线焊点501。其中环502，联接线505，和打线焊点501是电联接的。第一电极504位于中心并与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有两个环，但是，环502可以具有一个或多于两个的环。环502的形状不限于矩形，也可以是圆形或其它任何封闭的图形。联接线505联接不同的环，包括一条或多条联接线。
图5e展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第五个具体实施实例环-格图形。第二电极的优化图形包括环502，格506，和打线焊点501。其中环502，格506，和打线焊点501是电联接的。第一电极504与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有一个环，该环包围格506。环502的形状不限于矩形，也可以是圆形或其它任何封闭的图形。
图5f展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第六个具体实施实例环-联接图形。第二电极的优化图形包括环502，联接线505，和打线焊点501。其中环502，联接线505，和打线焊点501是电联接的。第一电极504位于中心并与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有两个环，但是，环502可以具有一个或多于两个的环。环502的形状不限于矩形，也可以是圆形或其它任何封闭的图形。联接线505联接不同的环，包括一条或多条联接线。
图5g和图5h展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第七个和第八个具体实施实例条-联接图形。第二电极的优化图形包括条507，联接线508，和打线焊点501。其中条507，联接线508，和打线焊点501是电联接的。第一电极504位于中心并与第二电极的优化图形是分开的。图中条507分别具有六个和七个条，但是，条507可以具有其他数目的条。联接线508联接不同的条，联接线508包括一条或多条联接线。
图5i展示本发明的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第二电极的优化图形的第九个具体实施实例环-联接图形。第二电极的优化图形包括环502，联接线505，和打线焊点501。其中环502，联接线505，和打线焊点501是电联接的。第一电极504位于中心并与第二电极的优化图形是分开的。图中环502具有三个环，但是，环502可以具有其他数目的环。环502的形状不限于圆形，也可以是矩形或其它任何封闭的图形。联接线505联接不同的环，包括一条或多条联接线。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权力要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和具体实施实例决定。
权利要求
1.一种新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其组成部分包括，但不限于-生长衬底；-中间媒介层；其中，所述的中间媒介层层叠在生长衬底上；其中，所述的中间媒介层的表面层是金属层；-氮化镓基外延层；其中，所述的氮化镓基外延层层叠在所述的金属层上；其中，所述的氮化镓基外延层的一部分被蚀刻，所述的金属层的相应部分暴露；-第二电极；其中，所述的第二电极层叠在所述的氮化镓基外延层上；-第一电极；其中，所述的第一电极层叠在所述的金属层的暴露的部分上。
2.权利要求1的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的生长衬底是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于硅晶片，蓝宝石，氮化铝陶瓷，氧化镁，氧化锌。
3.权利要求1的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的生长衬底的表面具有纹理结构。
4.权利要求1的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的中间媒介层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于，单层结构和多层结构。
5.权利要求4的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的中间媒介层的每一层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于(A)外延层，所述的外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，磷，硼，硅，碳，铝，镓的二元系，三元系，和四元系，例如氮化铝，氮化镓，磷化硼，6H-碳化硅，3C-碳化硅，硼铝氮，硼镓氮，铝镓氮，及它们的组合；(B)低熔点金属层，所述的低熔点金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，铟，锡，铊，和镉；(C)高熔点金属层，所述的高熔点金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，钛，铪，钪，鋯，钒，铬，金，钨；(D)上述材料(A)，(B)和(C)的组合。
6.权利要求1的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的氮化镓基外延层的结构是从一组结构中选出，该组结构包括，但不限于，量子阱结构和双异质结构；其中，所述的量子阱结构包括单量子阱结构和多量子阱结构；其中，所述的量子阱结构包括发光层和隔离层；其中，所述的双异质结构包括第一类型限制层，发光层，和第二类型限制层。
7.权利要求6的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的双异质结构的发光层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，铝，镓，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铝镓氮磷，铟镓氮磷(InGaNP)，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)；其中，所述的量子阱结构的发光层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，元素氮，铝，镓，磷，铟的二元系，三元系，四元系，和五元系，例如氮化镓，铟镓氮，铝镓氮，铝铟镓氮，铝镓氮磷，铟镓氮磷(InGaNP)，和铝铟镓氮磷(AlInGaNP)。
8.权利要求1的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的第二电极具有优化图形。
9.权利要求8的新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管，其中，所述的优化图形是从一组图形中选出，该组图形包括，但不限于，环-联接图形，条-联接图形，环-格图形，环图形，环-叉图形。
10.一种生产新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的方法包括，但不限于，下述工艺步骤-提供一个生长衬底；-层叠中间媒介层于所述的生长衬底上；其中，所述的中间媒介层的表面层是金属层；-层叠氮化镓基外延层于所述的金属层上；-层叠第二电极于所述的氮化镓基外延层上；-蚀刻所述的氮化镓基外延层的一部分，直到所述的金属层暴露；-层叠第一电极于所述的金属层的暴露部分上。
全文摘要
新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的结构如下，中间媒介层层叠在生长衬底上，该中间媒介层的表面层是金属层，氮化镓基外延层层叠在该金属层上，氮化镓基外延层包括发光层，具有优化图形的第二电极层叠在氮化镓基外延层上，在预定区域蚀刻氮化镓基外延层直到该金属层暴露，第一电极层叠在该金属层的暴露区域上，因此，不但具有垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的优点，例如，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料，光取出效率提高，而且不需要目前尚不成熟的剥离生长衬底等制造传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的工艺步骤。
文档编号H01L33/00GK1632958SQ20051000029
公开日2005年6月29日 申请日期2005年1月10日 优先权日2005年1月10日
发明者彭晖 申请人:金芃