專利名稱：一種光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED (發(fā)光二極管)，具體地是一種利用光子晶體所特有的光子帶隙效應(yīng)來(lái)提高LED光提取效率的結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體照明工程中提高 LED發(fā)光效率的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LED作為固態(tài)半導(dǎo)體光源可應(yīng)用于城市景觀照明、室內(nèi)照明等領(lǐng)域。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵研究的突破和藍(lán)、白光LED的問(wèn)世，半導(dǎo)體照明技術(shù)必將引發(fā)了一場(chǎng)照明領(lǐng)域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)革命。實(shí)際上，目前LED正在逐步替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，成為新一代照明光源。對(duì)于傳統(tǒng)的單面水平結(jié)構(gòu)的氮化鎵基LED，由于半導(dǎo)體材料與空氣界面的全內(nèi)反射，理論上只有20%左右的光子能夠逃逸出去，因而提高LED的光提取效率成為全球LED研究的前沿和熱點(diǎn)。研究者已經(jīng)在理論上和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了在氮化鎵基LED的表面或內(nèi)部引入光子晶體結(jié)構(gòu)能夠有效地提高LED的光提取效率。在利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高氮化鎵基LED 出光效率的研究中，光子晶體主要制備在P型氮化鎵的表層，而在P型氮化鎵層引入光子晶體會(huì)減弱P型氮化鎵層和金屬的歐姆接觸特性，光子晶體的刻蝕工藝也可能導(dǎo)致對(duì)器件有源區(qū)的損傷。目前大部分氮化鎵基LED外延材料主要是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)，但由于藍(lán)寶石的導(dǎo)電性能差，常溫下的電阻率大于10"Ω · cm，普通的氮化鎵基LED器件一般采用單面水平結(jié)構(gòu)，即在不同的外延層表面分別制作η型和P型電極。電流在η型氮化鎵層中橫向流動(dòng)不等的距離，存在電流堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致額外熱量產(chǎn)生，而藍(lán)寶石較差的導(dǎo)熱性能使得大功率LED器件的應(yīng)用受到限制。另外在外延層表面制作兩個(gè)電極，會(huì)導(dǎo)致有效發(fā)光面積減少， 同時(shí)還增加了 LED器件制造中的光刻和刻蝕工藝過(guò)程步驟，使得材料利用率和發(fā)光效率降低、成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有單面水平結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED采用同側(cè)電極所帶來(lái)的電流分布不均、發(fā)熱量高及光提取效率低下等問(wèn)題。本發(fā)明提供一種增加光提取效率的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。該結(jié)構(gòu)中硅作為氮化鎵異質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底，電極采取垂直接觸(Vertical- Contact)方式，即ρ型和η型接觸分別在制備于ρ型氮化鎵與η 型硅襯底背面，實(shí)現(xiàn)電流縱向分布。光子晶體制作在多層緩沖層上，利用光子晶體的光子帶隙效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)具有高光提取效率的功率型氮化鎵基藍(lán)光及白光LED。技術(shù)方案一種光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其包括作為生長(zhǎng)發(fā)光二極管襯底的η 型硅襯底，在η型硅襯底上設(shè)有AlN成核層，在AlN成核層上生長(zhǎng)有AIN/AKiaN多層緩沖層， 在此多層緩沖層表面制備有光子晶體結(jié)構(gòu)，在此光子晶體結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)η型GaN外延層，在η 型GaN外延層上生長(zhǎng)有InGaN多量子阱有源發(fā)光層；
3AlN成核層和AIN/AWaN多層緩沖層來(lái)作為η型硅襯底和η型GaN外延層之間的緩沖介質(zhì)；
在AIN/AWaN多層緩沖層內(nèi)刻蝕形成光子晶體微結(jié)構(gòu)；ρ型電極和η型電極分別制作在ρ型GaN外延層表面和η型硅襯底背面。優(yōu)選的，所述AlN成核層生長(zhǎng)厚度為25-200nm。優(yōu)選的，所述AIN/AWaN多層緩沖層厚度為100-200nm。優(yōu)選的，所述該光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格周期范圍為200-600nm，刻蝕深度為 100nm-200nm。優(yōu)選的，所述光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的η型GaN外延層。 優(yōu)選的，光子晶體結(jié)構(gòu)深入到AlN成核層內(nèi)。有益效果通過(guò)本發(fā)明的在多層緩沖層內(nèi)刻蝕形成的周期性光子晶體微結(jié)構(gòu)，能將沿不同方向傳播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，大幅度地提高LED的光提取效率。


圖1是光子晶體LED層狀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是光子晶體LED立體示意圖。其中，η型硅襯底1，A1N成核層2，AIN/AKiaN多層緩沖層3，光子晶體結(jié)構(gòu)4，η型 GaN外延層5，多重量子阱有源發(fā)光層6。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。參見(jiàn)圖1 一 2，光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其包括作為生長(zhǎng)發(fā)光二極管襯底的η 型硅襯底1，在η型硅襯底1上設(shè)有AlN成核層2，在AlN成核層2上生長(zhǎng)有AIN/AWaN多層緩沖層3，在此多層緩沖層3表面制備有光子晶體結(jié)構(gòu)4，在此光子晶體結(jié)構(gòu)4上生長(zhǎng)η 型GaN外延層5，在η型GaN外延層5上生長(zhǎng)有InGaN多量子阱有源發(fā)光層6 ；
AlN成核層2和AIN/AWaN多層緩沖層3來(lái)作為η型硅襯底1和η型GaN外延層5之間的緩沖介質(zhì)；
在AIN/AWaN多層緩沖層3內(nèi)刻蝕形成光子晶體微結(jié)構(gòu)；ρ型電極和η型電極分別制作在P型GaN外延層表面和η型硅襯底1背面。所述AlN成核層2生長(zhǎng)厚度為25-200nm。所述AIN/AWaN多層緩沖層3厚度為100_200nm。所述該光子晶體結(jié)構(gòu)4的晶格周期范圍為200-600nm，刻蝕深度為100nm-200nm。所述光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的η型GaN外延層5。光子晶體結(jié)構(gòu)4深入到AlN成核層2內(nèi)。具體而言，本發(fā)明提供一種光子晶體結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED，其層結(jié)構(gòu)特征包括 1) η型硅襯底；2)AlN成核層；
3)AlN/AWaN多層緩沖層；
4)光子晶體結(jié)構(gòu)利用激光全息干涉技術(shù)在多層緩沖層表面刻蝕形成具有亞微米周期性微結(jié)構(gòu)的光子晶體；
5)生長(zhǎng)于具有光子晶體結(jié)構(gòu)的多層緩沖層上的η型氮化鎵層；
6)生長(zhǎng)于η型氮化鎵層上的多重量子阱有源發(fā)光層；
7)生長(zhǎng)于有源層上的ρ型氮化鎵層；
8)ρ型電極和η型電極，其中ρ型電極制作在ρ型氮化鎵層上，η型電極制作在η型硅襯底背面。本發(fā)明中的氮化鎵基LED襯底采用η型硅襯底。硅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，可以明顯改善器件的電流分布和散熱性能，從而可延長(zhǎng)器件的使用壽命。本發(fā)明中的氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)，ρ型和η型接觸分別制備在P型氮化鎵層和η型硅襯底背面，電流垂直流過(guò)LED外延層，可一舉解決傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)LED的電流分布不均問(wèn)題，并顯著增加LED的有效發(fā)光面積。本發(fā)明中通過(guò)引入AlN成核層和AIN/AKkiN多層緩沖層，可極大地緩解硅襯底上外延生長(zhǎng)氮化鎵材料時(shí)所伴隨的應(yīng)力，提高外延層晶體質(zhì)量，從而有效提高LED的內(nèi)量子效率。如圖1所示，在η型硅襯底1上先后生長(zhǎng)厚度為25-200nm的AlN成核層2和厚度為100-200nm的AIN/AWaN多層緩沖層3。然后在此多層緩沖層表面以激光全息干涉法和感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)制備光子晶體結(jié)構(gòu)4。該光子晶體的晶格周期范圍為200-600nm，刻蝕深度不超過(guò)AlN成核層和AIN/AKiaN多層緩沖層的總厚度，即一般為 100nm-200nm范圍。在制備完成光子晶體結(jié)構(gòu)并經(jīng)過(guò)徹底清洗之后，再在此光子晶體結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)η型GaN外延層5和InGaN多量子阱有源發(fā)光層6。本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)也可起到一般圖形化襯底的作用，即一方面有助于減少GaN基LED外延層中的位錯(cuò)密度，獲得高質(zhì)量的外延薄膜，從而能夠顯著提高LED的內(nèi)量子效率；另一方面可以改變LED內(nèi)部光線的行進(jìn)方向，使更多的光線能夠滿足LED出射條件，減少LED芯片和空氣界面處的全反射現(xiàn)象，從而有效提高LED的光提取效率。更重要的是，本發(fā)明所提供的光子晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變光子晶體的晶格周期，能夠使LED有源區(qū)發(fā)出的可見(jiàn)光或紫外光的中心波長(zhǎng)恰好落在光子晶體的光子帶隙中，從而由于光子晶體所特有的光子帶隙效應(yīng)，導(dǎo)致LED有源區(qū)所發(fā)出的光線被完全反射回LED的出光表面；并且光子晶體結(jié)構(gòu)能將沿著不同方向傳播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，因此可以極大地提高LED的光提取效率和LED有效發(fā)光功率。同時(shí)，刻蝕出的光子晶體所形成的額外導(dǎo)電通路可實(shí)現(xiàn)比普通硅襯底垂直結(jié)構(gòu)的GaN基LED更好的電流擴(kuò)散效果， 從而顯著提高LED的電致發(fā)光效率。本發(fā)明中通過(guò)在多層緩沖層內(nèi)制備周期性光子晶體微結(jié)構(gòu)，利用光子晶體帶隙效應(yīng)，可有效抑制內(nèi)全反射現(xiàn)象，大幅度地提高LED的光提取效率。以上所述僅為本發(fā)明中的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明中的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于其包括作為生長(zhǎng)發(fā)光二極管襯底的 η型硅襯底(1 )，在η型硅襯底(1)上設(shè)有AlN成核層(2)，在AlN成核層(2)上生長(zhǎng)有AlN/ AlGaN多層緩沖層(3)，在此多層緩沖層(3)表面制備有光子晶體結(jié)構(gòu)(4)，在此光子晶體結(jié)構(gòu)(4)上生長(zhǎng)η型GaN外延層(5)，在η型GaN外延層(5)上生長(zhǎng)有InGaN多量子阱有源發(fā)光層(6);AlN成核層(2)和AIN/AWaN多層緩沖層(3)來(lái)作為η型硅襯底(1)和η型GaN外延層(5)之間的緩沖介質(zhì)；在AIN/AWaN多層緩沖層(3)內(nèi)刻蝕形成光子晶體微結(jié)構(gòu)；ρ型電極和η型電極分別制作在P型GaN外延層表面和η型硅襯底(1)背面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于所述AlN成核層 (2)生長(zhǎng)厚度為25-200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于所述AIN/AKiaN多層緩沖層(3)厚度為100-200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于所述該光子晶體結(jié)構(gòu)(4)的晶格周期范圍為200-600nm，刻蝕深度為100nm_200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于所述光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的η型GaN外延層(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于光子晶體結(jié)構(gòu)(4)深入到AlN成核層(2)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管包括作為生長(zhǎng)發(fā)光二極管襯底的n型硅襯底(1)，在n型硅襯底(1)上設(shè)有AlN成核層(2)，在AlN成核層(2)上生長(zhǎng)有AlN/AlGaN多層緩沖層(3)，在此多層緩沖層(3)表面制備有光子晶體結(jié)構(gòu)(4)，在此光子晶體結(jié)構(gòu)(4)上生長(zhǎng)n型GaN外延層(5)，在n型GaN外延層(5)上生長(zhǎng)有InGaN多量子阱有源發(fā)光層(6)。通過(guò)本發(fā)明的在多層緩沖層內(nèi)刻蝕形成的周期性光子晶體微結(jié)構(gòu)，能將沿不同方向傳播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，大幅度地提高LED的光提取效率。
文檔編號(hào)H01L33/06GK102361053SQ20111033857
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者崔一平, 張沛元, 張 雄, 王璨璨, 陳洪鈞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)