【摘要】
垂直结构氮化镓基LED具有电流分布均匀，充分利用发光层的材料，电流密度大，电阻降低，工作电压降低，产生的热量减少，光取出效率提高，散热效率高, 等优点。
【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．垂直结构的氮化镓基LED的最新产品
2006年2月，Cree公司宣布推出业界在350mA电流下的最高光效白光LED，XLamp(R)7090，达到光通量57流明和光效47流明/瓦。Cree公司的氮化镓基LED芯片是垂直结构。
2005年11月，Semiled的大功率垂直结构的氮化镓基LED开始投入市场。
2005年11月，OSRAM推出新产品"OSTAR"白光产品, 采用"ThinGaN"芯片，在1W时达到50-60 lm, 光取出效率得以提高。
美国公司eLite（现改名为BridgeLux）在蓝宝石上长GaN基LED, 已经剥离蓝宝石成功, 作成垂直结构GaN基LED。预定今年下半年，垂直结构LED投入市场。
台湾其他大公司，例如华上(Arima)，预定今年下半年，垂直结构氮化镓基LED投入市场。
2.背景
大功率高亮度半导体发光二极管（LED）具有取代白炽灯的巨大前景。工业上，产生白光的途径之一是利用荧光粉覆盖蓝光氮化镓基LED。
氮化镓基LED有两种基本结构：横向结构（lateral）和垂直结构（vertical）。横向结构LED的两个电极在LED的同一侧，电流在n-类型GaN层中横向流动不等的距离，由于n-类型GaN层具有电阻，产生热量，如图1a所示。
另外，蓝宝石晶片的导热性能低。因此，大功率横向结构氮化镓基蓝光LED需要解决下述问题：（1）散热效率低；（2）发光效率仍需提高。上述问题在很大程度上取决于LED的结构和生长衬底。
众所周知，电流拥塞可以用电流沿x轴的分布表示，见图1：
J(x) = J(0) exp( - x/L),
其中，L = √[（ρc + tp ρp ）tn /ρn], J(0)是在P电极边缘的电流，ρc是P-类型的接触电阻，ρp是P-类型的电阻，ρn是n-类型的电阻，tp是p-类型GaN层的厚度，tn是n-类型GaN层的厚度。
在靠近N电极的P电极的边缘（x = 0），电流最大，电流拥塞。在x ﹥0的位置，电流随x增大而减小，因此，电流分布不均匀，不能充分利用发光层的材料。
垂直结构的氮化镓基LED的两个电极分别在氮化镓基LED的两侧（图1b），由于图形化电极和全部的p-类型GaN层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过氮化镓基外延层，没有横向流动的电流。因此，电阻降低，没有电流拥塞，电流分布均匀，充分利用发光层的材料，电流产生的热量减小，电压降低，抗静电能力提高。
垂直结构的氮化镓基LED的优点是众所周知的[1]。使用具有高热导率的支持衬底的垂直结构的氮化镓基LED还具有导热性能高的优点。LED行业的大公司，例如，通用电气, 日亚[2]，欧司朗，国联，等，都在研究垂直结构LED的产业化工艺。
3. 以蓝宝石为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED
以蓝宝石为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED有两种不同的结构：传统的和新型的。
（A）以蓝宝石为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED：如图2所示：
生产以蓝宝石为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED的方法包括：
（1）激光剥离的方法。基本工艺包括下述步骤：在蓝宝石生长衬底上生长一牺牲层，在牺牲层上生长中间媒介层和氮化镓基外延层（依次包括氮化镓基第一类型限制层，发光层，氮化镓基第二类型限制层，等），在氮化镓基第二类型限制层上键合一导电支持衬底，该导电支持衬底的另一面层叠第二电极。
利用激光照射在中间媒介层上，氮化镓分解，蓝宝石生长衬底和氮化镓基外延层分离，见图3。日亚，欧司朗，国联，加州伯克莱大学，等，均对此工艺进行研究。
（2）丰田的方法[3]。丰田合成公司（TG）报告一种剥离的方法。基本工艺包括下述步骤：在蓝宝石生长衬底上生长一金属层，例如，铟，金，钛等，在金属层上生长中间媒介层和氮化镓基外延层（包括氮化镓基第一类型限制层，发光层，氮化镓基第二类型限制层，等）。在氮化镓基第二类型限制层上键合一导电支持衬底，该导电支持衬底的另一面层叠第二电极。加温至金属层熔化，分离蓝宝石生长衬底和氮化镓基LED的结构。如图4所示。
（3）机械研磨/抛光的方法。这是最早采用的方法，但是由于当时研磨/抛光设备不够精密及工艺方面的原因，没有产业化。最近，由于研磨/抛光设备的精度有很大的提高，例如，厚度均匀性小于1微米，机械研磨/抛光的方法及改进过的工艺再一次被提出[2，4]。基本工艺包括下述步骤：在生长氮化镓基外延层之前，机械研磨/抛光蓝宝石生长衬底使其厚度的均匀性（TTV）小于1微米，机械研磨/抛光导电支持衬底，例如，导电硅晶片，使其厚度的均匀性（TTV）小于1微米。然后，在蓝宝石生长衬底上生长中间媒介层和氮化镓基外延层（包括氮化镓基第一类型限制层，发光层，氮化镓基第二类型限制层，等），其中，中间媒介层和生长于其上的第一类型限制层的总厚度大于机械研磨/抛光工艺引进的不均匀性的总和（包括，蓝宝石生长衬底的厚度的不均匀性，导电支持衬底的厚度的不均匀性，氮化镓基外延层的厚度的不均匀性，键合层的厚度的不均匀性，及后续的机械研磨/抛光蓝宝石生长衬底时引进的不均匀性），例如，大于3 - 5微米。在氮化镓基第二类型限制层上键合导电支持衬底（例如，硅衬底，铜，合金，等），该导电支持衬底的另一面层叠第二电极，机械研磨/抛光去掉蓝宝石生长衬底直到第一类型限制层暴露。在暴露的第一类型限制层上层叠第一电极。（B）以蓝宝石为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED
鉴于剥离生长衬底的方法的复杂性，一种新型的垂直结构氮化镓基LED被提出[5]。新型的垂直结构氮化镓基LED的最大优势是在于不需要剥离蓝宝石生长衬底。
以蓝宝石为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED的基本结构如图5所示：
 
新型的垂直结构氮化镓基LED的特点是在蓝宝石生长衬底和氮化镓基外延层之间层叠一层金属层。该金属层可以层叠在蓝宝石生长衬底和导电中间媒介层之间(如图5a所示)，可以层叠在中间媒介层和氮化镓基外延层之间(如图5b所示), 也可以层叠在第一中间媒介层和第二中间媒介层之间(如图5c所示)。
新型的垂直结构氮化镓基LED的电流如下图所示：
其中，“空心粗箭头”指示电流的方向。
第一电极层叠在金属层上。该金属层的作用如下：（1）作为第一电极：位于与第二电极相对的GaN外延层的另一面，复盖整个第一类型GaN层，电流几乎全部垂直流过氮化镓基外延层，没有横向流动的电流。因此，具有上面提到的垂直结构氮化镓基LED的全部优点。（2）作为光反射层：增加光取出效率。
以蓝宝石为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED的不足之处：很难解决散热问题，因此很难应用于大功率LED。
4.以碳化硅为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED
OSRAM的"ThinGaN"芯片是在SiC上生长GaN基LED, 然后键合到支持衬底上（支持衬底包括，GaAs）, 剥离SiC生长衬底，作成垂直结构GaN基LED，见下图：
 在1W时达到50-60 lm, 光取出效率得以提高，见下图：
事实上，在SiC生长衬底上生长的GaN基LED（例如上图中的“Standard”、 “ATON”、 “NOTA”等产品）都是垂直结构GaN基LED，但是，剥离SiC生长衬底，再作成垂直结构GaN基LED“ThinGaN”，仍然提高出光效率15%以上。
5．以硅为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED
蓝宝石生长衬底是生长氮化镓基LED的工业化衬底，但是，（a）其价格较高；(b)直径小，因而生产成本高。因此，为降低成本，大量研究工作集中在以硅晶片为生长衬底的横向结构氮化镓基LED上，中国也进行了大量的研究[6]。
为近一步提高以硅晶片为生长衬底的氮化镓基LED的性能，以硅晶片为生长衬底的传统的和新型的垂直结构氮化镓基LED被提出[7]。
（A）以硅晶片为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED：如图7a和图7b所示：
 
下面列出生产图7a和图7b所示的以硅晶片为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED的方法：
（1）生产图7a所示的垂直结构氮化镓基LED的方法：
基本工艺步骤如下：在硅晶片上依次生长中间媒介层，第一类型限制层，发光层，第二类型限制层，层叠反射/欧姆层于第二类型限制层上，键合导电支持衬底（其另一面上层叠有第二电极）于反射/欧姆层上。剥离硅生长衬底和中间媒介层，直至第一类型限制层暴露，在第一类型限制层上层叠电流扩散层和第一电极。
剥离硅生长衬底的技术包括：(a)湿法蚀刻，湿法蚀刻剥离硅生长衬底的技术很成熟； (b) 干法蚀刻，一个具体实施实例：等离子体蚀刻；（c）机械研磨/抛光的方法; (d)上述方法的组合，例如，首先机械研磨/抛光硅生长衬底，直到只剩下很薄的硅生长衬底，例如10微米，再用湿法或干法蚀刻剩下的硅生长衬底；（e）当中间媒介层包括金属层时，可直接加热，使金属层熔化，即可分离生长衬底和中间媒介层，然后利用选择性蚀刻腐蚀中间媒介层中的其它媒介层。
这种工艺步骤与生产以蓝宝石为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED的工艺步骤基本相同，只是剥离生长衬底的工艺有所不同。
（2）生产图7b所示的垂直结构氮化镓基LED的方法：
基本工艺步骤如下：在硅晶片上依次生长中间媒介层和第一类型限制层，层叠反射/欧姆层于第一类型限制层上，键合导电支持衬底（包括第一电极）于反射/欧姆层上。剥离硅生长衬底和中间媒介层，直至第一类型限制层暴露，热处理，在第一类型限制层上生长发光层和第二类型限制层，依次层叠电流扩散层和第二电极于第二类型限制层上。
图7b所示的垂直结构氮化镓基LED的优点：(a)剥离硅生长衬底是在生长发光层之前，因此剥离工艺不会影响发光层的特性和质量；(b)热处理工艺会降低第一类型限制层的晶体缺陷密度，因此，后续生长的发光层的缺陷密度也会降低。
（B）以导电硅晶片为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED：如图7c和图7d所示
 
图7c和图7d所示的垂直结构氮化镓基LED的优点：无需剥离导电硅生长衬底，导热率高，可应用于大功率LED。
（C）以硅晶片为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED：如图7e和图7f所示：
 
生产图7e所示的新型的垂直结构氮化镓基LED的方法：
基本工艺步骤如下：在硅晶片上层叠金属层，在金属层上依次生长中间媒介层，第一类型限制层，发光层和第二类型限制层，依次层叠电流扩散层和第二电极于第二类型限制层上，层叠第一电极于金属层上。这种工艺步骤与生产以蓝宝石为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED的工艺步骤基本相同，只是生长衬底有所不同。
生产图7f所示的新型的垂直结构氮化镓基LED的工艺步骤与生产图7e的基本相同，只是在金属层和硅晶片之间层叠一中间媒介层。
图7e和图7f所示的新型的垂直结构氮化镓基LED的优点：无需剥离硅生长衬底，导热率高，可应用于大功率LED。
6. 以复合氮化镓衬底为生长衬底的垂直结构氮化镓基LED
氮化镓生长衬底是生长氮化镓基LED的理想衬底，但是其价格昂贵，且直径小。因此，为降低成本，美国Nitronex公司提出以绝缘复合氮化镓衬底作为氮化镓生长衬底的替代物[8]。但是，绝缘复合氮化镓衬底不能用于生长垂直结构氮化镓基LED，因此，导电复合氮化镓衬底被提出（详见彭晖：“导电和绝缘准氮化镓生长衬底”，“第二届超高亮度发光二极管(LED)和半导体照明产业发展与应用论坛”论文集）。
据此，传统的和新型的垂直结构氮化镓基LED可以生长在不同的复合氮化镓衬底上。
（A）生长在导电的复合氮化镓衬底上的传统的垂直结构氮化镓基LED：
以导电的复合氮化镓衬底为生长衬底的传统的垂直结构氮化镓基LED的结构如图8所示：
基本工艺步骤：在导电复合氮化镓基生长衬底上生长GaN外延层（包括第一类型限制层，发光层，第二类型限制层），层叠电流扩散层，层叠第二电极于电流扩散层上。无需剥离生长衬底。
（B）生长在绝缘的复合氮化镓衬底上的新型的垂直结构氮化镓基LED：
绝缘复合氮化镓衬底有几种不同的类型，其中之一是在绝缘复合氮化镓衬底中包含有一层金属层。以绝缘复合氮化镓衬底为生长衬底的新型的垂直结构氮化镓基LED的结构如图9所示：
基本工艺步骤：在绝缘复合氮化镓基生长衬底上生长GaN外延层（包括第一类型限制层，发光层，第二类型限制层），层叠电流扩散层，层叠第二电极于电流扩散层上，层叠第一电极于绝缘复合氮化镓衬底中的金属层上。这一生长在绝缘复合氮化镓衬底上的新型的垂直结构氮化镓基LED具备传统的垂直结构氮化镓基LED的全部优点，包括散热效率高，因此可以制成大功率垂直结构LED。7．结论
垂直结构的氮化镓基LED同时解决了散热和提高光性能/效率。生长于硅晶片和/或复合氮化镓基生长衬底上的垂直结构的氮化镓基LED同时解决了散热和成本问题，并提高了光性能/效率：
生长于大面积的硅晶片/复合氮化镓基生长衬底上的低位错/畸变密度的高热导的垂直结构（vertical）的蓝光和紫外光大功率LED具有巨大前途。
参考文献
[1] X. A. Cao, 等，Applied Physical Letter, Vol. 85, No. 18, 3971, (2004)
[2] 佐野雅彦，等，中国专利申请，专利申请号：03801898.5，（2003）
[3] Koike，等，美国专利，专利号：6，679，947，（2004）
[4] 彭晖，中国专利申请，专利申请号：200410046041.0，（2004）
[5] 彭晖，中国专昵耄ɡ昵牒牛?00510000296.8，（2005）
[6] 江风益，“2005厦门LED产业研讨与学术会议论文集”，（2005）
[7] 彭晖，中国专利申请，专利申请号：200510059312.0，（2005）
江风益，中国专利申请，专利申请号：200510026306.5，（2005）
[8] Weeks, 等，美国专利，专利号：6，649，287，（2004） |
