[發明專利]一種具有三維P-N結的半導體發光二極管芯片及其制備方法

在審

• 申請號: 201510978891.2
• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN105428486A
• 公開（公告）日: 2016-03-23
• 發明（設計）人: 張建立;全知覺;劉軍林
• 申請（專利權）人: 南昌大學;南昌黃綠照明有限公司
• 主分類號: H01L33/24
• 分類號: H01L33/24;H01L33/00
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張文

技術領域

本發明涉及半導體材料，尤其是涉及一種具有三維P-N結的半導體發光二極管芯片及其制備方法。

背景技術

半導體發光二極管（LED）具有廣泛的用途，可應用于儀器工作指示、交通信號燈、大屏幕顯示和通用照明等市場。目前，半導體LED的發光效率已經超過了白熾燈和熒光燈，但其在照明市場的滲透率仍然非常低；造成此局面的一個重要原因是其價格還不夠“親民”。因此，在LED性能已達到一定高度的前提下，如何降低其成本已成為當務之急。

降低LED成本最直觀的方法是加大芯片的工作電流，使芯片能發出更大的光功率，但前提是芯片面積大小和發光效率不能改變，即發光效率不變的單位面積芯片輸出光功率最大化。例如：一只2W的LED燈泡，需要用兩個面積為1mm2的LED芯片，在各通350mA的電流下工作；如果僅用其中一顆LED芯片通700mA的電流就實現了之前的發光功率，則可節省1顆芯片的成本；此外，燈具的基板、散熱、電源、光學設計可變得更簡單，LED燈泡的總體生產成本也會大幅降低。然而，隨著工作電流的增大，LED有源層中的載流子濃度急劇升高，這會加劇下列兩種情況的發生：（1）載流子從有源層泄露的比例增大；(2)非輻射的俄歇復合率成指數升高。這兩方面的因素會造成了LED的效率隨著電流密度的加大而急劇降低，這種效應被稱作效率驟降。因此，要實現發光效率不變的單位面積芯片輸出光功率最大化，首先要解決的是LED有源層中載流子濃度隨電流密度增大而急劇升高的問題。通過增大LED有源層體積可有效地解決這個問題；而增大有源層體積的方法可分為增加有源層的面積和厚度。眾所周知，根據所用襯底的電導率以及外延層設計的不同，LED具有同側電極和上下電極兩種結構。目前，無論是同側電極還是上下電極結構的LED，其有源層均夾于N層和P層之間，其P-N結為二維結構。圖1為一種典型的同側電極結構LED的剖面結構示意圖。由圖1可知，這種二維P-N結構限制了有源層的面積不大于芯片的面積；因此，提高LED有源層體積的常用方法是增加有源層厚度。例如：有源層為多量子阱（QW）的氮化鎵LED中，通過增加QW的個數和單個阱厚，增加了有源層體積。這種增加有源層厚度的方法在很大程度上改善了效率驟降效應，提升了LED的發光效率，已經得到普遍應用。但該方法經過十幾年的發展優化，已經達到了其最優水平；因而，需要發展一種新的方法去進一步改善效率驟降效應，實現發光效率不變的單位面積芯片輸出光功率最大化，大幅降低LED的成本，推進半導體照明的普及化。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種抑制俄歇復合、降低載流子泄漏的半導體發光二極管芯片。該半導體發光二極管芯片中的發光有源層及P-N結被制備成非平面的三維結構，故簡稱為3D-LED，其結構如圖2所示。該設計具有以下優點：發光有源層的有效發光總面積可超過芯片面積，可實現發光效率不變的單位面積芯片輸出光功率最大化的目標。

本發明的第二個目的在于提供一種具有三維P-N結的半導體發光二極管芯片的制造方法。

本發明的第一個目的是這樣實現的：

一種具有三維P-N結的半導體發光二極管芯片，包含：一個支撐基板；層疊于所述支撐基板上的半導體疊層，該半導體疊層至少包含一層N型半導體層、一層P型半導體層和一層夾于N、P層之間的發光有源層；兩個歐姆電極，特征是：半導體疊層中的發光有源層及P-N結具有非平面的三維結構。

所述發光有源層及P-N結的非平面三維結構包含若干個分布密度為1e6～1e10cm-2的中空多面體。以圖3為例，每個中空多面體在x-y平面的投影成“V”型，其夾角設為α；在y-z平面的投影為六邊形，六邊形的尺寸大小（對邊距離）設為h，六邊形之間的中心距設為d。對于所有的中空多面體來說，它們的α，h和d值可以不完全一致；因此，中空多面體的側面晶向可以是不完全相同的，在y-z平面的六邊形投影相互間的關系存在兩種形態：（１）相互連接和（2）相互交叉；如圖4所示。以每個“V”型夾角α值相等、每個六邊形為正多邊形，且尺寸大小h一致、位置均勻分布（中心距d相等）為優選。

所述半導體疊層的材料是指用于發光的半導體材料，包括但不限于：氮化鎵、磷化鎵、碳化硅、氧化鋅、硫化鋅、硒化鋅；優選銦鎵鋁氮（InxGayAl1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1）材料和銦鎵鋁磷（InxGayAl1-x-yP，0≤x≤1，0≤y≤1）材料。