[发明专利]一种具有三维P-N结的半导体发光二极管芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种具有三维P-N结的半导体发光二极管芯片及其制备方法。

背景技术

半导体发光二极管（LED）具有广泛的用途，可应用于仪器工作指示、交通信号灯、大屏幕显示和通用照明等市场。目前，半导体LED的发光效率已经超过了白炽灯和荧光灯，但其在照明市场的渗透率仍然非常低；造成此局面的一个重要原因是其价格还不够“亲民”。因此，在LED性能已达到一定高度的前提下，如何降低其成本已成为当务之急。

降低LED成本最直观的方法是加大芯片的工作电流，使芯片能发出更大的光功率，但前提是芯片面积大小和发光效率不能改变，即发光效率不变的单位面积芯片输出光功率最大化。例如：一只2W的LED灯泡，需要用两个面积为1mm2的LED芯片，在各通350mA的电流下工作；如果仅用其中一颗LED芯片通700mA的电流就实现了之前的发光功率，则可节省1颗芯片的成本；此外，灯具的基板、散热、电源、光学设计可变得更简单，LED灯泡的总体生产成本也会大幅降低。然而，随着工作电流的增大，LED有源层中的载流子浓度急剧升高，这会加剧下列两种情况的发生：（1）载流子从有源层泄露的比例增大；(2)非辐射的俄歇复合率成指数升高。这两方面的因素会造成了LED的效率随着电流密度的加大而急剧降低，这种效应被称作效率骤降。因此，要实现发光效率不变的单位面积芯片输出光功率最大化，首先要解决的是LED有源层中载流子浓度随电流密度增大而急剧升高的问题。通过增大LED有源层体积可有效地解决这个问题；而增大有源层体积的方法可分为增加有源层的面积和厚度。众所周知，根据所用衬底的电导率以及外延层设计的不同，LED具有同侧电极和上下电极两种结构。目前，无论是同侧电极还是上下电极结构的LED，其有源层均夹于N层和P层之间，其P-N结为二维结构。图1为一种典型的同侧电极结构LED的剖面结构示意图。由图1可知，这种二维P-N结构限制了有源层的面积不大于芯片的面积；因此，提高LED有源层体积的常用方法是增加有源层厚度。例如：有源层为多量子阱（QW）的氮化镓LED中，通过增加QW的个数和单个阱厚，增加了有源层体积。这种增加有源层厚度的方法在很大程度上改善了效率骤降效应，提升了LED的发光效率，已经得到普遍应用。但该方法经过十几年的发展优化，已经达到了其最优水平；因而，需要发展一种新的方法去进一步改善效率骤降效应，实现发光效率不变的单位面积芯片输出光功率最大化，大幅降低LED的成本，推进半导体照明的普及化。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种抑制俄歇复合、降低载流子泄漏的半导体发光二极管芯片。该半导体发光二极管芯片中的发光有源层及P-N结被制备成非平面的三维结构，故简称为3D-LED，其结构如图2所示。该设计具有以下优点：发光有源层的有效发光总面积可超过芯片面积，可实现发光效率不变的单位面积芯片输出光功率最大化的目标。

本发明的第二个目的在于提供一种具有三维P-N结的半导体发光二极管芯片的制造方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种具有三维P-N结的半导体发光二极管芯片，包含：一个支撑基板；层叠于所述支撑基板上的半导体叠层，该半导体叠层至少包含一层N型半导体层、一层P型半导体层和一层夹于N、P层之间的发光有源层；两个欧姆电极，特征是：半导体叠层中的发光有源层及P-N结具有非平面的三维结构。

所述发光有源层及P-N结的非平面三维结构包含若干个分布密度为1e6～1e10cm-2的中空多面体。以图3为例，每个中空多面体在x-y平面的投影成“V”型，其夹角设为α；在y-z平面的投影为六边形，六边形的尺寸大小（对边距离）设为h，六边形之间的中心距设为d。对于所有的中空多面体来说，它们的α，h和d值可以不完全一致；因此，中空多面体的侧面晶向可以是不完全相同的，在y-z平面的六边形投影相互间的关系存在两种形态：（１）相互连接和（2）相互交叉；如图4所示。以每个“V”型夹角α值相等、每个六边形为正多边形，且尺寸大小h一致、位置均匀分布（中心距d相等）为优选。

所述半导体叠层的材料是指用于发光的半导体材料，包括但不限于：氮化镓、磷化镓、碳化硅、氧化锌、硫化锌、硒化锌；优选铟镓铝氮（InxGayAl1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1）材料和铟镓铝磷（InxGayAl1-x-yP，0≤x≤1，0≤y≤1）材料。