專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制法，尤其是一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制備方法。
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是低成本長(zhǎng)壽命的固體光源，特別是可見光波段的半導(dǎo)體發(fā)光二極管在室內(nèi)照明、平板顯示、短程通信到計(jì)算機(jī)內(nèi)光互連等各方面具有廣泛的應(yīng)用。雖然半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)有很高的內(nèi)部發(fā)光效率，可是普通的LED僅有百分之幾的出光效率，如何將由于高折射率半導(dǎo)體內(nèi)全反射而局限在內(nèi)的大部分光取出來，研制和生產(chǎn)出高出光效率的發(fā)光二極管一直是人們亟待解決的難題，引起人們的廣泛關(guān)注和研究。
近十年來，為改善發(fā)光二極管出光效率，取得了一系列成果，如利用表面變毛糙、透明襯底和上覆蓋層、光子再循環(huán)、相干散射以及微腔效應(yīng)等。從而提出了各種辦法，其中有(1)表面納米級(jí)無規(guī)織構(gòu)化和底部加反射鏡相結(jié)合(I.Schnitzer,E.Yablonovitch,etc,Appl.Phys Lett.63(16),2174(1993)；)；(2)微腔LED(F.Schubert,Y.H.Wang,etc,Appl.Phys.Lett.,60,921(1992),J.J.Wierer,D.A.Kellogg,and N.Holonyak,Jr.Appl.Phys.Lett.,74,926(1999))；(3)二維光子晶體結(jié)構(gòu)(例如M.Boroditsky,T.F.Krauss,etc,Appl.Phys.Lett.75,1036,(1999)；和A.A.Erchak,D.J.Ripin,etc,Appl.Phys.Lett.,78,563(2001))等方法。這些方法使LED出光效率都得到了有效的改善和提高。但是方法(1)是在LED表面形成深亞微米尺度的無規(guī)微結(jié)構(gòu)，還須將僅幾個(gè)微米厚的半導(dǎo)體LED異質(zhì)外延多層膜從其襯底基片上“剝離”下來，轉(zhuǎn)移到反射鏡基底上；方法(2)需要通過精確控制的外延技術(shù)生長(zhǎng)多層膜交替的布拉格(Bragg)反射鏡面，生長(zhǎng)技術(shù)的要求也很高；方法(3)是新近在光泵浦下得到的前沿研究成果，同樣要采用“剝離”或者生長(zhǎng)Bragg反射鏡的技術(shù)，而且目前尚未制成電注入的實(shí)用化LED。這些方法的共同特點(diǎn)是工藝技術(shù)復(fù)雜，難度大，另外，目前這些方法主要用于研究和制備GaAs基的LED(近紅外波段和紅光LED)。因此若采用上述方法研制波長(zhǎng)更短的可見光發(fā)光二極管，無論微加工或外延生長(zhǎng)的要求和技術(shù)難度都更高。
另一方面，GaN基短波長(zhǎng)(紫光到藍(lán)綠光)發(fā)光二極管是一類具有廣闊應(yīng)用前景的發(fā)光二極管，因此提高其出光效率同樣是一個(gè)重要課題。最近，H.X.Jiang小組證實(shí)InGaN基微盤型(直徑約10微米)藍(lán)光發(fā)光二極管具有比大面積LED更高的量子效率，而互連的微盤型LED的發(fā)射效率僅比相同面積的普通LED高60％(參見S.X.Jin,J.Li,J.Y.Lin,and H.X.Jiang,Appl.Phys.Lett.,77,3236(2001))。S.Nakamura(J.Cryst.Growth 201/202,290(1999))的GaN基藍(lán)綠光LED的出光面在p-型電極接觸以外采用了透明電極的作法，解決了注入電流的擴(kuò)展問題，其代價(jià)是降低了LED的出光效率。
本發(fā)明的目的是提供一種具有高出光效率同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，以及制備這種半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其頂部表面具有二維周期性微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域，發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)。所述二維周期性微結(jié)構(gòu)為周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)。周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；微結(jié)構(gòu)深度達(dá)到n型區(qū)。
本發(fā)明的制備上述結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法有兩種，第一種為普通光刻和刻蝕微加工結(jié)合的制備方法，其步驟包括1)設(shè)計(jì)頂部表面具有二維周期性微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管光刻單元版圖；2)外延生長(zhǎng)發(fā)光二極管基片；3)在基片上進(jìn)行p歐姆接觸金屬多層膜淀積；4)按照版圖進(jìn)行光刻；5)刻蝕；6)制作n型金屬多層膜歐姆接觸；7)合金化，得到半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯。
所述單元設(shè)計(jì)版圖中二維周期性微結(jié)構(gòu)為周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)；周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)；發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域。
刻蝕為干法刻蝕，深度達(dá)到n型區(qū)；根據(jù)需要制作背面或正面n型金屬多層膜歐姆接觸。
本發(fā)明的另一種制備上述結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法為聚焦離子束(FIB)制備方法，其步驟包括1)設(shè)計(jì)具有上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管光刻和FIB單元版圖；2)外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光二極管基片；3)在基片上進(jìn)行p型歐姆接觸金屬多層膜淀積；4)臺(tái)面光刻；5)刻蝕；6)制作n型金屬多層膜歐姆接觸；7)合金化；8)在p型臺(tái)面上進(jìn)行FIB刻蝕，得到半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯。
所述單元設(shè)計(jì)版圖中二維周期性微結(jié)構(gòu)為周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)；周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)；發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域。
刻蝕為干法或濕法刻蝕，深度達(dá)到n型區(qū)；根據(jù)需要制作背面或正面n金屬多層膜歐姆接觸。
本發(fā)明的原理及積極效果分析與S.Nakamura和一般的GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管的方形臺(tái)面基本結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明采用了圓盤式臺(tái)面結(jié)構(gòu)。由于圓盤式臺(tái)面中存在的圓盤形模式更有利于增加輸出光強(qiáng)，本發(fā)明在圓盤式基本發(fā)光腔模式結(jié)構(gòu)和p型金屬電極成熟工藝的基礎(chǔ)上提出一個(gè)設(shè)想，即利用發(fā)光面上某種二維周期性微結(jié)構(gòu)將因全反射禁錮在發(fā)光二極管內(nèi)部的光從發(fā)光二極管頂部耦合出來。為此，本發(fā)明提出了兩種具體方案，一種是在圓盤式臺(tái)面上用微加工技術(shù)制備周期性微米級(jí)空洞點(diǎn)陣而形成蜂窩型發(fā)光二極管；另一種是在圓盤式臺(tái)面上刻蝕出微米級(jí)寬度的同心環(huán)狀溝槽而形成同心環(huán)型發(fā)光二極管。同時(shí)，在發(fā)光二極管圓盤式臺(tái)面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中設(shè)置p型金屬電極接觸的電注入接點(diǎn)，并保證注入電流在發(fā)光二極管p面上的擴(kuò)展。
也就是說，本發(fā)明在現(xiàn)有方形發(fā)光二極管的基本發(fā)光結(jié)構(gòu)的p-型發(fā)光面上采用帶有二維周期性的深孔或同心環(huán)深槽的微結(jié)構(gòu)圖形設(shè)計(jì)方案；通過對(duì)發(fā)光二極管基片用進(jìn)行普通光刻和刻蝕相結(jié)合的微加工技術(shù)，或者聚焦離子束(FIB)加工技術(shù)，制造出包括具有蜂窩型或同心環(huán)型微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管。上述帶有二維周期性微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的構(gòu)思，針對(duì)普通光刻和FIB兩種不同的制備方法，采用兩類設(shè)計(jì)版圖。其版圖設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)是將發(fā)光管的發(fā)光圓臺(tái)、微結(jié)構(gòu)和p區(qū)電注入電極接觸在刻蝕工序中同時(shí)完成。使出光效率大幅度提高，同時(shí)既簡(jiǎn)化了工序步驟，又降低了對(duì)工藝精度的要求。
采用本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)版圖和制備方法制備的帶有微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，無論是蜂窩型發(fā)光二極管還是同心環(huán)型發(fā)光二極管，都得到了優(yōu)良的特性和積極的效果。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這兩種帶有微結(jié)構(gòu)的圓盤式發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度均得到了明顯的改善。(見附圖6-10的發(fā)光比較)本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)包括(1)光強(qiáng)比在相同外延片上制備的相同面積的普通方型無微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管1.6-8倍。因此本發(fā)明的發(fā)光二極管出光效率得到了有效的提高；(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)版圖和擬訂的工藝流程簡(jiǎn)單易行。如采用普通的半導(dǎo)體微加工工藝，只需2-3塊光刻設(shè)計(jì)版圖。在外延基片上只需經(jīng)過p電極蒸鍍、微結(jié)構(gòu)光刻與刻蝕和n電極套刻與蒸鍍少量工序，即可完成發(fā)光二極管芯片。若采用FIB技術(shù)，更可在亞微米尺度上靈活改變微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖樣、尺寸和刻蝕參數(shù)，針對(duì)每個(gè)外延片的具體結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工。
(3)解決了InGaN基藍(lán)光發(fā)光二極管的制備中透明電極因透過率低下影響出光效率的問題。
(4)本發(fā)明不僅適用于InGaN基藍(lán)綠光和InGaAIP紅光發(fā)光二極管，而且也可用于其它波段和材料系的半導(dǎo)體發(fā)光二極管以及有機(jī)發(fā)光二極管的制作、研究和生產(chǎn)。
因此本發(fā)明為提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管的出光效率開辟了新的思路，提出了一種制備高效率、高亮度LED的新方法，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，可應(yīng)用于各種半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造，促進(jìn)發(fā)光二極管技術(shù)的發(fā)展。


圖1現(xiàn)有氮化化物基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖1---藍(lán)寶石襯底 2---GaN緩沖層 3---n型GaN 4---InGaN/GaN量子阱有源層 5---p型GaN 7---p型歐姆接觸層 11---n型歐姆接觸層 12---p型歐姆接觸透明電極圖2本發(fā)明氮化物基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意2(a)本發(fā)明氮化物基同心圓型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖1---藍(lán)寶石襯底 2---GaN緩沖層 3---n型GaN 4---InGaN/GaN量子阱有源層 5---p型GaN 7---p型歐姆接觸層 10---二維周期性同心環(huán)溝槽 11---n型歐姆接觸層 13---p型電極接觸區(qū)域圖2(b)本發(fā)明氮化物基蜂窩型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖9---二維周期性蜂窩型微孔圖3本發(fā)明砷化鎵(或其它半導(dǎo)體)基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意3(a)本發(fā)明砷化鎵基(或其它半導(dǎo)體)同心環(huán)型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖21---半導(dǎo)體襯底 22---外延緩沖層 23---n型外延層 24---量子阱有源層 25---p型外延層 27---p型歐姆接觸層 30---二維周期性同心環(huán)溝槽 31---n型歐姆接觸層 33---p型電極接觸區(qū)域圖3(b)本發(fā)明砷化鎵基(或其它半導(dǎo)體)蜂窩型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖29---二維周期性蜂窩型微孔圖4單元設(shè)計(jì)版4(a)同心環(huán)微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)版4(b)蜂窩型微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)版4(c)n型歐姆接觸孔單元設(shè)計(jì)版4(d)p型圓臺(tái)面單元設(shè)計(jì)版5方法一(氮化物基發(fā)光管為例)主要工藝流程示意5(a)勻膠8---光刻膠圖5(b)光刻圖5(c)刻蝕圖5(d)制作n型歐姆接觸圖6氮化物基藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)光圖樣比較(注入電流2mA,10倍物鏡)圖6(a)普通方形發(fā)光二極管圖6(b)本發(fā)明同心環(huán)型發(fā)光二極管圖6(c)本發(fā)明蜂窩型發(fā)光二極管圖7氮化物基藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)光性質(zhì)比較圖7(a)光譜圖“—”線型代表普通方形LED,“---”線型代表同心環(huán)型LED,“…”線型代表蜂窩型LED圖7(b)積分光強(qiáng)與注入電流關(guān)系圖“-■-”線型代表普通方形LED,“-●-”線型代表同心環(huán)型LED,“-▲-”線型代表蜂窩型LED圖8砷化鎵基紅光發(fā)光二極管發(fā)光圖樣比較(注入電流2mA)圖6(a)普通方形發(fā)光二極管圖6(b)本發(fā)明同心環(huán)型發(fā)光二極管圖6(c)本發(fā)明蜂窩型發(fā)光二極管圖9砷化鎵基紅光發(fā)光二極管發(fā)光性質(zhì)比較圖9(a)光譜圖“—”線型代表普通方形LED,“---”線型代表同心環(huán)型LED,“…”線型代表蜂窩型LED圖9(b)相對(duì)積分光強(qiáng)與注入電流關(guān)系圖“-■-”線型代表普通方形LED,“-●-”線型代表同心環(huán)型LED,“-▲-”線型代表蜂窩型LED圖10氮化物基藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)光圖樣比較(注入電流80mA)圖10(a)無微結(jié)構(gòu)普通發(fā)光二極管圖10(b)本發(fā)明FIB同心環(huán)型發(fā)光二極管圖11氮化物基藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)光性質(zhì)比較圖11(a)光譜圖“—”線型代表FIB同心環(huán)型LED,“…”線型代表無微結(jié)構(gòu)LED圖11(b)相對(duì)積分光強(qiáng)與注入電流關(guān)系圖“-●-”線型代表FIB同心環(huán)型LED,“-△-”線型代表無微結(jié)構(gòu)LED
6．用直流濺射和剝離技術(shù)沉積n型歐姆接觸雙層金屬膜金(5-500納米)/鈦(5-40納米)7．氮?dú)夥湛焖偻嘶鹦纬蓺W姆接觸(450-500℃,2-5分鐘)；8．p-區(qū)圓臺(tái)面上按版圖4(a)或4(b)進(jìn)行FIB刻蝕，刻蝕深度達(dá)到n型區(qū)。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于半導(dǎo)體發(fā)光二極管頂部表面具有二維周期性微結(jié)構(gòu)。
2．如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于該半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域，發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)。
3．如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述二維周期性微結(jié)構(gòu)為周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)。
4．如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其特征在于所述周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；微結(jié)構(gòu)深度達(dá)到n型區(qū)。
5．一種制備權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法，其步驟包括1)設(shè)計(jì)頂部表面具有二維周期性微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管光刻單元版圖；2)外延生長(zhǎng)發(fā)光二極管基片；3)在基片上進(jìn)行p型歐姆接觸金屬多層膜淀積；4)按照版圖進(jìn)行光刻；5)刻蝕；6)制作n型金屬多層膜歐姆接觸；7)合金化，得到半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
6．如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于單元版圖中二維周期性微結(jié)構(gòu)為六角對(duì)稱的周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)；周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)；發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域。
7．如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于刻蝕為干法刻蝕，深度達(dá)到n型區(qū)；根據(jù)需要制作背面或正面n型金屬多層膜歐姆接觸。
8．一種制備權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法，其步驟包括1)設(shè)計(jì)具有上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管光刻和FIB單元版圖；2)外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光二極管基片；3)在基片上進(jìn)行p型歐姆接觸金屬多層膜淀積；4)臺(tái)面光刻；5)刻蝕；6)制作n型金屬多層膜歐姆接觸；7)合金化；8)在p型臺(tái)面上進(jìn)行FIB刻蝕，得到半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯。
9．如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于單元版圖中二維周期性微結(jié)構(gòu)為周期性蜂窩結(jié)構(gòu)或周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)；周期為亞微米級(jí)或微米級(jí)；發(fā)光臺(tái)面為圓盤式結(jié)構(gòu)；發(fā)光面具有電極接觸區(qū)域。
10．如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于刻蝕為干法或濕法刻蝕，深度達(dá)到n型區(qū)；根據(jù)需要制作背面或正面n型金屬多層膜歐姆接觸。
全文摘要
半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制備方法,在普通半導(dǎo)體發(fā)光二極管基片上用圓盤式臺(tái)面基本發(fā)光腔、微結(jié)構(gòu)和電極接觸相結(jié)合的設(shè)計(jì),在圓臺(tái)面p型金屬電極頂部蝕刻二維周期性微結(jié)構(gòu),周期為亞微米或微米級(jí),深度達(dá)到n型區(qū)。可用半導(dǎo)體光刻和干法刻蝕微加工技術(shù)或FIB兩種方法制成。與在同一基片上所制同面積發(fā)光二極管比,在同樣電流下發(fā)光強(qiáng)度增至1.6－8倍?？捎糜贗nGaN基量子阱藍(lán)綠光發(fā)光二極管制備及各種材料系半導(dǎo)體和有機(jī)發(fā)光二極管的研制。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1320972SQ0111832
公開日2001年11月7日 申請(qǐng)日期2001年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月24日
發(fā)明者章蓓, 張國(guó)義, 俞大鵬, 欒峰, 王大軍 申請(qǐng)人:北京大學(xué)