【摘要】
垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED具有電流分布均勻，充分利用發(fā)光層的材料，電流密度大，電阻降低，工作電壓降低，產(chǎn)生的熱量減少，光取出效率提高，散熱效率高, 等優(yōu)點(diǎn)。
【英文摘要】 Vertical GaN Based LED
Keywords: vertical LED, Si substrate, Quasi GaN based substrate, Sapphire substrate, removing growth substrate
Abstract
Vertical GaN based LED has the following features: uniformly distributed current, fully utilized active layer material, higher current density, lower resistance, lower voltage, generate less heat, higher light extraction, and higher heat dissipation rate, etc.
1．垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED的最新產(chǎn)品
2006年2月，Cree公司宣布推出業(yè)界在350mA電流下的最高光效白光LED，XLamp(R)7090，達(dá)到光通量57流明和光效47流明/瓦。Cree公司的氮化鎵基LED芯片是垂直結(jié)構(gòu)。
2005年11月，Semiled的大功率垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED開始投入市場(chǎng)。
2005年11月，OSRAM推出新產(chǎn)品"OSTAR"白光產(chǎn)品, 采用"ThinGaN"芯片，在1W時(shí)達(dá)到50-60 lm, 光取出效率得以提高。
美國(guó)公司eLite（現(xiàn)改名為BridgeLux）在藍(lán)寶石上長(zhǎng)GaN基LED, 已經(jīng)剝離藍(lán)寶石成功, 作成垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED。預(yù)定今年下半年，垂直結(jié)構(gòu)LED投入市場(chǎng)。
臺(tái)灣其他大公司，例如華上(Arima)，預(yù)定今年下半年，垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED投入市場(chǎng)。
2.背景
大功率高亮度半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）具有取代白熾燈的巨大前景。工業(yè)上，產(chǎn)生白光的途徑之一是利用熒光粉覆蓋藍(lán)光氮化鎵基LED。
氮化鎵基LED有兩種基本結(jié)構(gòu)：橫向結(jié)構(gòu)（lateral）和垂直結(jié)構(gòu)（vertical）。橫向結(jié)構(gòu)LED的兩個(gè)電極在LED的同一側(cè)，電流在n-類型GaN層中橫向流動(dòng)不等的距離，由于n-類型GaN層具有電阻，產(chǎn)生熱量，如圖1a所示。
另外，藍(lán)寶石晶片的導(dǎo)熱性能低。因此，大功率橫向結(jié)構(gòu)氮化鎵基藍(lán)光LED需要解決下述問(wèn)題：（1）散熱效率低；（2）發(fā)光效率仍需提高。上述問(wèn)題在很大程度上取決于LED的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)襯底。
眾所周知，電流擁塞可以用電流沿x軸的分布表示，見圖1：
J(x) = J(0) exp( - x/L),
其中，L = √[（ρc + tp ρp ）tn /ρn], J(0)是在P電極邊緣的電流，ρc是P-類型的接觸電阻，ρp是P-類型的電阻，ρn是n-類型的電阻，tp是p-類型GaN層的厚度，tn是n-類型GaN層的厚度。
在靠近N電極的P電極的邊緣（x = 0），電流最大，電流擁塞。在x ﹥0的位置，電流隨x增大而減小，因此，電流分布不均勻，不能充分利用發(fā)光層的材料。
垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED的兩個(gè)電極分別在氮化鎵基LED的兩側(cè)（圖1b），由于圖形化電極和全部的p-類型GaN層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)氮化鎵基外延層，沒有橫向流動(dòng)的電流。因此，電阻降低，沒有電流擁塞，電流分布均勻，充分利用發(fā)光層的材料，電流產(chǎn)生的熱量減小，電壓降低，抗靜電能力提高。
垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的[1]。使用具有高熱導(dǎo)率的支持襯底的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED還具有導(dǎo)熱性能高的優(yōu)點(diǎn)。LED行業(yè)的大公司，例如，通用電氣, 日亞[2]，歐司朗，國(guó)聯(lián)，等，都在研究垂直結(jié)構(gòu)LED的產(chǎn)業(yè)化工藝。
3. 以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED
以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED有兩種不同的結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的和新型的。
（A）以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：如圖2所示：
生產(chǎn)以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的方法包括：
（1）激光剝離的方法。基本工藝包括下述步驟：在藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)一犧牲層，在犧牲層上生長(zhǎng)中間媒介層和氮化鎵基外延層（依次包括氮化鎵基第一類型限制層，發(fā)光層，氮化鎵基第二類型限制層，等），在氮化鎵基第二類型限制層上鍵合一導(dǎo)電支持襯底，該導(dǎo)電支持襯底的另一面層疊第二電極。
利用激光照射在中間媒介層上，氮化鎵分解，藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底和氮化鎵基外延層分離，見圖3。日亞，歐司朗，國(guó)聯(lián)，加州伯克萊大學(xué)，等，均對(duì)此工藝進(jìn)行研究。
（2）豐田的方法[3]。豐田合成公司（TG）報(bào)告一種剝離的方法�；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)一金屬層，例如，銦，金，鈦等，在金屬層上生長(zhǎng)中間媒介層和氮化鎵基外延層（包括氮化鎵基第一類型限制層，發(fā)光層，氮化鎵基第二類型限制層，等）。在氮化鎵基第二類型限制層上鍵合一導(dǎo)電支持襯底，該導(dǎo)電支持襯底的另一面層疊第二電極。加溫至金屬層熔化，分離藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底和氮化鎵基LED的結(jié)構(gòu)。如圖4所示。
（3）機(jī)械研磨/拋光的方法。這是最早采用的方法，但是由于當(dāng)時(shí)研磨/拋光設(shè)備不夠精密及工藝方面的原因，沒有產(chǎn)業(yè)化。最近，由于研磨/拋光設(shè)備的精度有很大的提高，例如，厚度均勻性小于1微米，機(jī)械研磨/拋光的方法及改進(jìn)過(guò)的工藝再一次被提出[2，4]�；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在生長(zhǎng)氮化鎵基外延層之前，機(jī)械研磨/拋光藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底使其厚度的均勻性（TTV）小于1微米，機(jī)械研磨/拋光導(dǎo)電支持襯底，例如，導(dǎo)電硅晶片，使其厚度的均勻性（TTV）小于1微米。然后，在藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)中間媒介層和氮化鎵基外延層（包括氮化鎵基第一類型限制層，發(fā)光層，氮化鎵基第二類型限制層，等），其中，中間媒介層和生長(zhǎng)于其上的第一類型限制層的總厚度大于機(jī)械研磨/拋光工藝引進(jìn)的不均勻性的總和（包括，藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底的厚度的不均勻性，導(dǎo)電支持襯底的厚度的不均勻性，氮化鎵基外延層的厚度的不均勻性，鍵合層的厚度的不均勻性，及后續(xù)的機(jī)械研磨/拋光藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底時(shí)引進(jìn)的不均勻性），例如，大于3 - 5微米。在氮化鎵基第二類型限制層上鍵合導(dǎo)電支持襯底（例如，硅襯底，銅，合金，等），該導(dǎo)電支持襯底的另一面層疊第二電極，機(jī)械研磨/拋光去掉藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底直到第一類型限制層暴露。在暴露的第一類型限制層上層疊第一電極。（B）以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED
鑒于剝離生長(zhǎng)襯底的方法的復(fù)雜性，一種新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED被提出[5]。新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的最大優(yōu)勢(shì)是在于不需要?jiǎng)冸x藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底。
以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示：
 
新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的特點(diǎn)是在藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底和氮化鎵基外延層之間層疊一層金屬層。該金屬層可以層疊在藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底和導(dǎo)電中間媒介層之間(如圖5a所示)，可以層疊在中間媒介層和氮化鎵基外延層之間(如圖5b所示), 也可以層疊在第一中間媒介層和第二中間媒介層之間(如圖5c所示)。
新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的電流如下圖所示：
其中，“空心粗箭頭”指示電流的方向。
第一電極層疊在金屬層上。該金屬層的作用如下：（1）作為第一電極：位于與第二電極相對(duì)的GaN外延層的另一面，復(fù)蓋整個(gè)第一類型GaN層，電流幾乎全部垂直流過(guò)氮化鎵基外延層，沒有橫向流動(dòng)的電流。因此，具有上面提到的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。（2）作為光反射層：增加光取出效率。
以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的不足之處：很難解決散熱問(wèn)題，因此很難應(yīng)用于大功率LED。
4.以碳化硅為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED
OSRAM的"ThinGaN"芯片是在SiC上生長(zhǎng)GaN基LED, 然后鍵合到支持襯底上（支持襯底包括，GaAs）, 剝離SiC生長(zhǎng)襯底，作成垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED，見下圖：
 在1W時(shí)達(dá)到50-60 lm, 光取出效率得以提高，見下圖：
事實(shí)上，在SiC生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)的GaN基LED（例如上圖中的“Standard”、 “ATON”、 “NOTA”等產(chǎn)品）都是垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED，但是，剝離SiC生長(zhǎng)襯底，再作成垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED“ThinGaN”，仍然提高出光效率15%以上。
5．以硅為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED
藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底是生長(zhǎng)氮化鎵基LED的工業(yè)化襯底，但是，（a）其價(jià)格較高；(b)直徑小，因而生產(chǎn)成本高。因此，為降低成本，大量研究工作集中在以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的橫向結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED上，中國(guó)也進(jìn)行了大量的研究[6]。
為近一步提高以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的氮化鎵基LED的性能，以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的和新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED被提出[7]。
（A）以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：如圖7a和圖7b所示：
 
下面列出生產(chǎn)圖7a和圖7b所示的以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的方法：
（1）生產(chǎn)圖7a所示的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的方法：
基本工藝步驟如下：在硅晶片上依次生長(zhǎng)中間媒介層，第一類型限制層，發(fā)光層，第二類型限制層，層疊反射/歐姆層于第二類型限制層上，鍵合導(dǎo)電支持襯底（其另一面上層疊有第二電極）于反射/歐姆層上。剝離硅生長(zhǎng)襯底和中間媒介層，直至第一類型限制層暴露，在第一類型限制層上層疊電流擴(kuò)散層和第一電極。
剝離硅生長(zhǎng)襯底的技術(shù)包括：(a)濕法蝕刻，濕法蝕刻剝離硅生長(zhǎng)襯底的技術(shù)很成熟； (b) 干法蝕刻，一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例：等離子體蝕刻；（c）機(jī)械研磨/拋光的方法; (d)上述方法的組合，例如，首先機(jī)械研磨/拋光硅生長(zhǎng)襯底，直到只剩下很薄的硅生長(zhǎng)襯底，例如10微米，再用濕法或干法蝕刻剩下的硅生長(zhǎng)襯底；（e）當(dāng)中間媒介層包括金屬層時(shí)，可直接加熱，使金屬層熔化，即可分離生長(zhǎng)襯底和中間媒介層，然后利用選擇性蝕刻腐蝕中間媒介層中的其它媒介層。
這種工藝步驟與生產(chǎn)以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的工藝步驟基本相同，只是剝離生長(zhǎng)襯底的工藝有所不同。
（2）生產(chǎn)圖7b所示的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的方法：
基本工藝步驟如下：在硅晶片上依次生長(zhǎng)中間媒介層和第一類型限制層，層疊反射/歐姆層于第一類型限制層上，鍵合導(dǎo)電支持襯底（包括第一電極）于反射/歐姆層上。剝離硅生長(zhǎng)襯底和中間媒介層，直至第一類型限制層暴露，熱處理，在第一類型限制層上生長(zhǎng)發(fā)光層和第二類型限制層，依次層疊電流擴(kuò)散層和第二電極于第二類型限制層上。
圖7b所示的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的優(yōu)點(diǎn)：(a)剝離硅生長(zhǎng)襯底是在生長(zhǎng)發(fā)光層之前，因此剝離工藝不會(huì)影響發(fā)光層的特性和質(zhì)量；(b)熱處理工藝會(huì)降低第一類型限制層的晶體缺陷密度，因此，后續(xù)生長(zhǎng)的發(fā)光層的缺陷密度也會(huì)降低。
（B）以導(dǎo)電硅晶片為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：如圖7c和圖7d所示
 
圖7c和圖7d所示的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需剝離導(dǎo)電硅生長(zhǎng)襯底，導(dǎo)熱率高，可應(yīng)用于大功率LED。
（C）以硅晶片為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：如圖7e和圖7f所示：
 
生產(chǎn)圖7e所示的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的方法：
基本工藝步驟如下：在硅晶片上層疊金屬層，在金屬層上依次生長(zhǎng)中間媒介層，第一類型限制層，發(fā)光層和第二類型限制層，依次層疊電流擴(kuò)散層和第二電極于第二類型限制層上，層疊第一電極于金屬層上。這種工藝步驟與生產(chǎn)以藍(lán)寶石為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的工藝步驟基本相同，只是生長(zhǎng)襯底有所不同。
生產(chǎn)圖7f所示的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的工藝步驟與生產(chǎn)圖7e的基本相同，只是在金屬層和硅晶片之間層疊一中間媒介層。
圖7e和圖7f所示的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需剝離硅生長(zhǎng)襯底，導(dǎo)熱率高，可應(yīng)用于大功率LED。
6. 以復(fù)合氮化鎵襯底為生長(zhǎng)襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED
氮化鎵生長(zhǎng)襯底是生長(zhǎng)氮化鎵基LED的理想襯底，但是其價(jià)格昂貴，且直徑小。因此，為降低成本，美國(guó)Nitronex公司提出以絕緣復(fù)合氮化鎵襯底作為氮化鎵生長(zhǎng)襯底的替代物[8]。但是，絕緣復(fù)合氮化鎵襯底不能用于生長(zhǎng)垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED，因此，導(dǎo)電復(fù)合氮化鎵襯底被提出（詳見彭暉：“導(dǎo)電和絕緣準(zhǔn)氮化鎵生長(zhǎng)襯底”，“第二屆超高亮度發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展與應(yīng)用論壇”論文集）。
據(jù)此，傳統(tǒng)的和新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED可以生長(zhǎng)在不同的復(fù)合氮化鎵襯底上。
（A）生長(zhǎng)在導(dǎo)電的復(fù)合氮化鎵襯底上的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：
以導(dǎo)電的復(fù)合氮化鎵襯底為生長(zhǎng)襯底的傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的結(jié)構(gòu)如圖8所示：
基本工藝步驟：在導(dǎo)電復(fù)合氮化鎵基生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)GaN外延層（包括第一類型限制層，發(fā)光層，第二類型限制層），層疊電流擴(kuò)散層，層疊第二電極于電流擴(kuò)散層上。無(wú)需剝離生長(zhǎng)襯底。
（B）生長(zhǎng)在絕緣的復(fù)合氮化鎵襯底上的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED：
絕緣復(fù)合氮化鎵襯底有幾種不同的類型，其中之一是在絕緣復(fù)合氮化鎵襯底中包含有一層金屬層。以絕緣復(fù)合氮化鎵襯底為生長(zhǎng)襯底的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的結(jié)構(gòu)如圖9所示：
基本工藝步驟：在絕緣復(fù)合氮化鎵基生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)GaN外延層（包括第一類型限制層，發(fā)光層，第二類型限制層），層疊電流擴(kuò)散層，層疊第二電極于電流擴(kuò)散層上，層疊第一電極于絕緣復(fù)合氮化鎵襯底中的金屬層上。這一生長(zhǎng)在絕緣復(fù)合氮化鎵襯底上的新型的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED具備傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，包括散熱效率高，因此可以制成大功率垂直結(jié)構(gòu)LED。7．結(jié)論
垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED同時(shí)解決了散熱和提高光性能/效率。生長(zhǎng)于硅晶片和/或復(fù)合氮化鎵基生長(zhǎng)襯底上的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED同時(shí)解決了散熱和成本問(wèn)題，并提高了光性能/效率：
生長(zhǎng)于大面積的硅晶片/復(fù)合氮化鎵基生長(zhǎng)襯底上的低位錯(cuò)/畸變密度的高熱導(dǎo)的垂直結(jié)構(gòu)（vertical）的藍(lán)光和紫外光大功率LED具有巨大前途。
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