【摘要】
垂直結構氮化鎵基LED具有電流分布均勻，充分利用發光層的材料，電流密度大，電阻降低，工作電壓降低，產生的熱量減少，光取出效率提高，散熱效率高, 等優點。
【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．垂直結構的氮化鎵基LED的最新產品
2006年2月，Cree公司宣布推出業界在350mA電流下的最高光效白光LED，XLamp(R)7090，達到光通量57流明和光效47流明/瓦。Cree公司的氮化鎵基LED芯片是垂直結構。
2005年11月，Semiled的大功率垂直結構的氮化鎵基LED開始投入市場。
2005年11月，OSRAM推出新產品"OSTAR"白光產品, 采用"ThinGaN"芯片，在1W時達到50-60 lm, 光取出效率得以提高。
美國公司eLite（現改名為BridgeLux）在藍寶石上長GaN基LED, 已經剝離藍寶石成功, 作成垂直結構GaN基LED。預定今年下半年，垂直結構LED投入市場。
臺灣其他大公司，例如華上(Arima)，預定今年下半年，垂直結構氮化鎵基LED投入市場。
2.背景
大功率高亮度半導體發光二極管（LED）具有取代白熾燈的巨大前景。工業上，產生白光的途徑之一是利用熒光粉覆蓋藍光氮化鎵基LED。
氮化鎵基LED有兩種基本結構：橫向結構（lateral）和垂直結構（vertical）。橫向結構LED的兩個電極在LED的同一側，電流在n-類型GaN層中橫向流動不等的距離，由于n-類型GaN層具有電阻，產生熱量，如圖1a所示。
另外，藍寶石晶片的導熱性能低。因此，大功率橫向結構氮化鎵基藍光LED需要解決下述問題：（1）散熱效率低；（2）發光效率仍需提高。上述問題在很大程度上取決于LED的結構和生長襯底。
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，不能充分利用發光層的材料。
垂直結構的氮化鎵基LED的兩個電極分別在氮化鎵基LED的兩側（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氮化鎵基外延層，沒有橫向流動的電流。因此，電阻降低，沒有電流擁塞，電流分布均勻，充分利用發光層的材料，電流產生的熱量減小，電壓降低，抗靜電能力提高。
垂直結構的氮化鎵基LED的優點是眾所周知的[1]。使用具有高熱導率的支持襯底的垂直結構的氮化鎵基LED還具有導熱性能高的優點。LED行業的大公司，例如，通用電氣, 日亞[2]，歐司朗，國聯，等，都在研究垂直結構LED的產業化工藝。
3. 以藍寶石為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED
以藍寶石為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED有兩種不同的結構：傳統的和新型的。
（A）以藍寶石為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED：如圖2所示：
生產以藍寶石為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED的方法包括：
（1）激光剝離的方法�；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在藍寶石生長襯底上生長一犧牲層，在犧牲層上生長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電支持襯底，該導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，藍寶石生長襯底和氮化鎵基外延層分離，見圖3。日亞，歐司朗，國聯，加州伯克萊大學，等，均對此工藝進行研究。
（2）豐田的方法[3]。豐田合成公司（TG）報告一種剝離的方法�；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在藍寶石生長襯底上生長一金屬層，例如，銦，金，鈦等，在金屬層上生長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電支持襯底，該導電支持襯底的另一面層疊第二電極。加溫至金屬層熔化，分離藍寶石生長襯底和氮化鎵基LED的結構。如圖4所示。
（3）機械研磨/拋光的方法。這是最早采用的方法，但是由于當時研磨/拋光設備不夠精密及工藝方面的原因，沒有產業化。最近，由于研磨/拋光設備的精度有很大的提高，例如，厚度均勻性小于1微米，機械研磨/拋光的方法及改進過的工藝再一次被提出[2，4]�；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在生長氮化鎵基外延層之前，機械研磨/拋光藍寶石生長襯底使其厚度的均勻性（TTV）小于1微米，機械研磨/拋光導電支持襯底，例如，導電硅晶片，使其厚度的均勻性（TTV）小于1微米。然后，在藍寶石生長襯底上生長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，發光層，氮化鎵基第二類型限制層，等），其中，中間媒介層和生長于其上的第一類型限制層的總厚度大于機械研磨/拋光工藝引進的不均勻性的總和（包括，藍寶石生長襯底的厚度的不均勻性，導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，及后續的機械研磨/拋光藍寶石生長襯底時引進的不均勻性），例如，大于3 - 5微米。在氮化鎵基第二類型限制層上鍵合導電支持襯底（例如，硅襯底，銅，合金，等），該導電支持襯底的另一面層疊第二電極，機械研磨/拋光去掉藍寶石生長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）以藍寶石為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED
鑒于剝離生長襯底的方法的復雜性，一種新型的垂直結構氮化鎵基LED被提出[5]。新型的垂直結構氮化鎵基LED的最大優勢是在于不需要剝離藍寶石生長襯底。
以藍寶石為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED的基本結構如圖5所示：
 
新型的垂直結構氮化鎵基LED的特點是在藍寶石生長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寶石生長襯底和導電中間媒介層之間(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)。
新型的垂直結構氮化鎵基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的GaN外延層的另一面，復蓋整個第一類型GaN層，電流幾乎全部垂直流過氮化鎵基外延層，沒有橫向流動的電流。因此，具有上面提到的垂直結構氮化鎵基LED的全部優點。（2）作為光反射層：增加光取出效率。
以藍寶石為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED的不足之處：很難解決散熱問題，因此很難應用于大功率LED。
4.以碳化硅為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED
OSRAM的"ThinGaN"芯片是在SiC上生長GaN基LED, 然后鍵合到支持襯底上（支持襯底包括，GaAs）, 剝離SiC生長襯底，作成垂直結構GaN基LED，見下圖：
 在1W時達到50-60 lm, 光取出效率得以提高，見下圖：
事實上，在SiC生長襯底上生長的GaN基LED（例如上圖中的“Standard”、 “ATON”、 “NOTA”等產品）都是垂直結構GaN基LED，但是，剝離SiC生長襯底，再作成垂直結構GaN基LED“ThinGaN”，仍然提高出光效率15%以上。
5．以硅為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED
藍寶石生長襯底是生長氮化鎵基LED的工業化襯底，但是，（a）其價格較高；(b)直徑小，因而生產成本高。因此，為降低成本，大量研究工作集中在以硅晶片為生長襯底的橫向結構氮化鎵基LED上，中國也進行了大量的研究[6]。
為近一步提高以硅晶片為生長襯底的氮化鎵基LED的性能，以硅晶片為生長襯底的傳統的和新型的垂直結構氮化鎵基LED被提出[7]。
（A）以硅晶片為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED：如圖7a和圖7b所示：
 
下面列出生產圖7a和圖7b所示的以硅晶片為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED的方法：
（1）生產圖7a所示的垂直結構氮化鎵基LED的方法：
基本工藝步驟如下：在硅晶片上依次生長中間媒介層，第一類型限制層，發光層，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散層和第一電極。
剝離硅生長襯底的技術包括：(a)濕法蝕刻，濕法蝕刻剝離硅生長襯底的技術很成熟； (b) 干法蝕刻，一個具體實施實例：等離子體蝕刻；（c）機械研磨/拋光的方法; (d)上述方法的組合，例如，首先機械研磨/拋光硅生長襯底，直到只剩下很薄的硅生長襯底，例如10微米，再用濕法或干法蝕刻剩下的硅生長襯底；（e）當中間媒介層包括金屬層時，可直接加熱，使金屬層熔化，即可分離生長襯底和中間媒介層，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以藍寶石為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED的工藝步驟基本相同，只是剝離生長襯底的工藝有所不同。
（2）生產圖7b所示的垂直結構氮化鎵基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，鍵合導電支持襯底（包括第一電極）于反射/歐姆層上。剝離硅生長襯底和中間媒介層，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發光層和第二類型限制層，依次層疊電流擴散層和第二電極于第二類型限制層上。
圖7b所示的垂直結構氮化鎵基LED的優點：(a)剝離硅生長襯底是在生長發光層之前，因此剝離工藝不會影響發光層的特性和質量；(b)熱處理工藝會降低第一類型限制層的晶體缺陷密度，因此，后續生長的發光層的缺陷密度也會降低。
（B）以導電硅晶片為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED：如圖7c和圖7d所示
 
圖7c和圖7d所示的垂直結構氮化鎵基LED的優點：無需剝離導電硅生長襯底，導熱率高，可應用于大功率LED。
（C）以硅晶片為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED：如圖7e和圖7f所示：
 
生產圖7e所示的新型的垂直結構氮化鎵基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中間媒介層，第一類型限制層，發光層和第二類型限制層，依次層疊電流擴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以藍寶石為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED的工藝步驟基本相同，只是生長襯底有所不同。
生產圖7f所示的新型的垂直結構氮化鎵基LED的工藝步驟與生產圖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構氮化鎵基LED的優點：無需剝離硅生長襯底，導熱率高，可應用于大功率LED。
6. 以復合氮化鎵襯底為生長襯底的垂直結構氮化鎵基LED
氮化鎵生長襯底是生長氮化鎵基LED的理想襯底，但是其價格昂貴，且直徑小。因此，為降低成本，美國Nitronex公司提出以絕緣復合氮化鎵襯底作為氮化鎵生長襯底的替代物[8]。但是，絕緣復合氮化鎵襯底不能用于生長垂直結構氮化鎵基LED，因此，導電復合氮化鎵襯底被提出（詳見彭暉：“導電和絕緣準氮化鎵生長襯底”，“第二屆超高亮度發光二極管(LED)和半導體照明產業發展與應用論壇”論文集）。
據此，傳統的和新型的垂直結構氮化鎵基LED可以生長在不同的復合氮化鎵襯底上。
（A）生長在導電的復合氮化鎵襯底上的傳統的垂直結構氮化鎵基LED：
以導電的復合氮化鎵襯底為生長襯底的傳統的垂直結構氮化鎵基LED的結構如圖8所示：
基本工藝步驟：在導電復合氮化鎵基生長襯底上生長GaN外延層（包括第一類型限制層，發光層，第二類型限制層），層疊電流擴散層，層疊第二電極于電流擴散層上。無需剝離生長襯底。
（B）生長在絕緣的復合氮化鎵襯底上的新型的垂直結構氮化鎵基LED：
絕緣復合氮化鎵襯底有幾種不同的類型，其中之一是在絕緣復合氮化鎵襯底中包含有一層金屬層。以絕緣復合氮化鎵襯底為生長襯底的新型的垂直結構氮化鎵基LED的結構如圖9所示：
基本工藝步驟：在絕緣復合氮化鎵基生長襯底上生長GaN外延層（包括第一類型限制層，發光層，第二類型限制層），層疊電流擴散層，層疊第二電極于電流擴散層上，層疊第一電極于絕緣復合氮化鎵襯底中的金屬層上。這一生長在絕緣復合氮化鎵襯底上的新型的垂直結構氮化鎵基LED具備傳統的垂直結構氮化鎵基LED的全部優點，包括散熱效率高，因此可以制成大功率垂直結構LED。7．結論
垂直結構的氮化鎵基LED同時解決了散熱和提高光性能/效率。生長于硅晶片和/或復合氮化鎵基生長襯底上的垂直結構的氮化鎵基LED同時解決了散熱和成本問題，并提高了光性能/效率：
生長于大面積的硅晶片/復合氮化鎵基生長襯底上的低位錯/畸變密度的高熱導的垂直結構（vertical）的藍光和紫外光大功率LED具有巨大前途。
參考文獻
[1] X. A. Cao, 等，Applied Physical Letter, Vol. 85, No. 18, 3971, (2004)
[2] 佐野雅彥，等，中國專利申請，專利申請號：03801898.5，（2003）
[3] Koike，等，美國專利，專利號：6，679，947，（2004）
[4] 彭暉，中國專利申請，專利申請號：200410046041.0，（2004）
[5] 彭暉，中國專昵耄ɡ昵牒牛?00510000296.8，（2005）
[6] 江風益，“2005廈門LED產業研討與學術會議論文集”，（2005）
[7] 彭暉，中國專利申請，專利申請號：200510059312.0，（2005）
江風益，中國專利申請，專利申請號：200510026306.5，（2005）
[8] Weeks, 等，美國專利，專利號：6，649，287，（2004） |
