标准封装应用中高可靠性的坚固Ⅲ族发光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种物理上坚固的发光二极管，其在标准封装中提供高可靠性，并能够耐受高温和高湿度条件。该二极管包括Ⅲ族氮化物异质结二极管，其具有ｐ型Ⅲ族氮化物接触层、与该ｐ型接触层的欧姆接触和该欧姆接触上的溅射沉积氮化硅成分钝化层。本发明专利技术还公开了一种制造发光二极管和具有该二极管的ＬＥＤ灯的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及发光二极管，特别地涉及用III族氮化物形成的适合于标准封装应用的发光二极管。
技术介绍
发光二极管是p-n结器件，其将电能转换为光辐射。特别地，在适当的正向偏压条件下，LED发出外自发辐射，其位于电磁频谱的紫外、可见和红外区域。熟悉电磁频谱可见、近可见区域及其性质的人可知，光的波长越短(例如蓝光和紫外光)表示频率越高，能量跃迁越高，而波长越长(例如红光和红外光)表示频率越低，能量跃迁越低。因此，对于发光二极管，它们所发射频谱的特殊部分——也就是它们的颜色——取决于产生发射的能量跃迁。反过来，发射的能量在很大程度上由特殊材料的能带隙决定。因此，为了使发光二极管发射频谱的蓝光和紫外光部分，半导体材料的能带隙必须足够地大(足够宽)，以便支持具有足够能量的发射从而产生蓝光或者紫外光。因此，频谱中蓝和紫外区域发光二极管的候选材料被限制在某些宽能带隙材料，例如金刚石、碳化硅(SiC)和III族氮化物；例如由周期表III族元素形成的二元、三元和四元氮化物，如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)。由于它们的宽能带隙和它们作为直接而非间接发射材料的性质，蓝光LED领域的最新进展更紧密地集中于III族氮化物。本领域普通技术人员可以很好地理解，直接能带隙材料趋向于提供更高的效率，因为它们的能量转变主要呈光(光子)的形式，而不是部分作为光、部分作为振动能(声子)。关于LED和其它光学器件的结构、量子机制和工作的更广泛的讨论在如下文献中提及，《Sze，半导体材料物理》第二版(1981，JohnWiley&Sons有限公司)，以及其姊妹篇《Sze，现代半导体器件物理》(1998，John Wiley&Sons有限公司)。这些原理为本领域所熟知，所以除非是解释和支持本专利技术必需的，否则本文不予重复。根据基本常识，发光二极管一般包括两层相反导电类型的材料，它们共同形成p-n结。这些材料典型地为衬底上的外延层形式。最期望的是，与衬底和上外延层形成欧姆接触从而形成“垂直”器件，具有最佳的封装效率。在这一点上，LED通常以LED灯的形式加以封装用于最终的用途。典型的LED灯包括LED芯片(或者“单元片”，术语“芯片”经常用于描述集成电路而非LED)和塑料(或者有时为玻璃)透镜。对于一些LED，透镜具有颜色从而作为光学滤色器和提高衬度，但是对于蓝光LED，透镜优选地为无色，以避免干扰期望的蓝光发射。典型的灯构型对于本领域技术人员而言是熟知的，在如下文献中有所提及，例如《Sze，半导体材料物理》第679-700页。典型地，一旦LED芯片被封装成一个灯，它便能够用于各种用途，例如指示器和字母数字显示器。但是对于应用于某些类型的器件，有一些特殊的考虑。例如，III族氮化物器件典型地在蓝宝石或者碳化硅衬底上形成。碳化硅衬底在许多环境下是优选的，因为SiC能够被导电掺杂。因此，SiC衬底能够为具有“上”和“下”欧姆接触的“垂直”器件形成偏压。对比地，蓝宝石的绝缘特性阻止了它用于垂直器件。反过来，n型SiC衬底在p型衬底上趋向于是优选的，因为n型SiC一般更易导电并发射更多的光。结果，SiC衬底上的III族氮化物器件典型地包括n型衬底、n型缓冲层(或者层的组合)、n型外延层和位于器件“顶部”的p型接触层(例如GaN)。这种III族氮化物LED的发展、商业引入和使用相对较新。因此，人们断定，在商业使用中(术语“商业”一般指，但不仅限于，制造并出售的产品)，它们经历特殊类型的物理和化学损坏，这最终恶化器件的电子性能。更明确地，已经显见，在正常的环境条件下，其中LED灯在室温或者室温以上工作，在正常的湿度条件和其它的环境因素下，外延层、欧姆接触和相关的钝化层趋向于彼此相互作用，导致光学和电性能恶化。在如下器件中，其中以p型GaN作为其顶层，与p型层欧姆接触，性能恶化问题显得特别突出。LED灯中非常不希望的性能恶化的一个特殊形式是，前置电压(forward voltage)随着时间增加(VF恶化)。“前置电压”是指必须被施加跨越LED的各端从而使之发光的电压。VF恶化能够导致工作温度升高，器件整个寿命中的功率消耗增加。因此，在一些用III族氮化物制造的商用类型蓝光LED中，封装自身非常特殊而坚固，因为被封装的LED芯片甚至在正常的环境条件下都相对脆弱。例如，在日本德岛Nichia化学公司生产的NSPG630S器件中，p型层、欧姆接触和钝化层被柔韧的透明聚合物材料涂覆，然后被包封在硬树脂中，例如环氧基聚合物。例如，在欧洲公布的专利申请No.0 622 858中，(“基于III-V族化合物的氮化镓半导体器件及其制造方法”)(Gallium nitride basedIII-V group compound semiconductor device and method ofproducing the same)，Nakamura等报道，“p电极(p型氮化镓)可以用任何合适的金属材料形成”(第6页第7行)。Nakamura接着列举了8中候选金属(Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr和Ti)，并称镍和金组合是最佳选择(第6页第10-12和33-35行)。而且，在选择钝化层(“保护膜”)时，Nakamura仅提供了一些一般的标准(“形成保护膜的材料并不受特殊的限制，只要其透明且电绝缘即可。”第9页第31-32行)。Nakamura接着列举了4种候选材料二氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO)、氧化铝(Al2O3)和氮化硅(SiN)。然而，GaN基LED更广泛的引入证实，材料的这种一般选择是不合适的，导致LED的损坏比经过适当选择的商用器件迅速得多。特别地，如下的LED，其(1)包括p型GaN上外延层；(2)使用由某些材料(或者其组合)例如钛和金(“Ti/Au”)形成的欧姆接触；和(3)使用二氧化硅(SiO2)作为钝化层，趋向于显示出比商业上可接受的更快的性能恶化。更明确地，可以显见，SiO2的透水性允许足够的湿气到达p电极从而恶化电极并最终相对快速地恶化整个器件。如上面所指出的，复杂的封装为保护相对脆弱的单元片结果提供了一个选择。然而，为了获得其最完备的商业潜力，由III族氮化物形成的蓝光二极管必须以如下的方式加以制造，即它们能够被引入到更一般的灯封装中，该封装类似于比III族氮化物范围更广的材料的灯封装。尽管409专利申请中说明的器件被证实具有改良的性能，但是仍然存在一些性能恶化问题。因此，仍然需要有坚固的LED芯片，其能够以通常的方式加以封装，但能够在足以使器件用于广泛的商业用途的时间周期内成功地耐受正常的和提高的温度和湿度条件。
技术实现思路
本专利技术的实施例包括一种二极管，其包括具有p型III族氮化物(优选地为氮化镓)接触层的III族异质结二极管、与p型接触层的欧姆接触和欧姆接触上溅射沉积的氮化硅钝化层。在另一个方案中，本专利技术包括由发光二极管和塑料透镜形成的LED灯。在另一个方案中，本专利技术包括一种制造LED的方法，包括如下步骤在衬底上形成缓冲层，在缓冲层上形成有源区域，在有源区域上形成p型接触层，在接触层上形成金属接触，和在金属接触上溅射沉积氮化硅钝化层。本专利技术的这些和其他的目的和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管，其能够以普通的方式加以封装并能够在足以使该器件用于广泛商业应用的时间周期内成功地耐受正常的和提高的温度和湿度条件，所述二极管包括：　　　　Ⅲ族氮化物有源区域；　　　　位于所述有源区域上的ｐ型Ⅲ族氮化物接触层；　　　　位于所述ｐ型接触层上的金属接触；和　　　　位于所述金属接触上的溅射沉积的氮化硅成分钝化层。

【技术特征摘要】
US 2002-5-14 10/145,2221.一种发光二极管，其能够以普通的方式加以封装并能够在足以使该器件用于广泛商业应用的时间周期内成功地耐受正常的和提高的温度和湿度条件，所述二极管包括III族氮化物有源区域；位于所述有源区域上的p型III族氮化物接触层；位于所述p型接触层上的金属接触；和位于所述金属接触上的溅射沉积的氮化硅成分钝化层。2.根据权利要求1的发光二极管，其中所述氮化硅成分是非化学计量学的。3.根据权利要求2的发光二极管，其中所述氮化硅成分中硅较少。4.根据权利要求1的发光二极管，其中所述接触层包括氮化镓，且所述金属接触足够薄以至半透明。5.根据权利要求3的发光二极管，其中所述钝化层的厚度为大约1000。6.根据权利要求1的发光二极管，进一步包括碳化硅衬底；与所述衬底的欧姆接触；和所述衬底上的缓冲结构，用于支持所述有源区域。7.根据权利要求6的发光二极管，其中所述衬底是n型，且与所述衬底的所述欧姆接触是镍。8.根据权利要求1的发光二极管，其中所述金属接触和所述钝化层彼此之间基本上不反应，且彼此结合良好。9.根据权利要求1的发光二极管，其中所述金属接触从如下组中选择铂、钯、金、钛金组合、铂金组合、钛铂金组合和铂与氧化铟锡的组合。10.根据权利要求1的发光二极管，其中所述金属接触包含铂。11.一种显示器，其具有多个根据权利要求1的发光二极管。12.一种像素，包括根据权利要求1的发光二极管，其发射可见光谱的蓝光部分；红色发光二极管；和绿色发光二极管。13.一种LED灯包括塑料透镜；和根据权利要求1的发光二极管，其中所述有源区域由具有p型III族氮化物接触层的III族氮化物异质结二极管构成。14.根据权利要求13的LED灯，其中所述III族氮化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰亚当埃德蒙德，布莱恩西布特，小戴维伯德斯利斯拉特尔，杰拉德H尼格利，范艾伦米耶兹科夫斯基，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]