專利名稱：內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管及其制備，尤其是一種內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管及其制備。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率主要由兩方面因素決定一是LED發(fā)光層的電光轉(zhuǎn)換效率，一般由器件的內(nèi)量子效率表征；二是光子從發(fā)光層逸出到空氣中的效率，一般由光的抽取效率表征。目前，典型的GaN藍光LED的內(nèi)量子效率可達70%以上，因此進一步大幅度提高內(nèi)量子效率的空間有限。而相對于內(nèi)量子效率，普通GaN基LED的抽取效率則很低，這是由于GaN與空氣的折射系數(shù)相差很大，GaN與空氣界面的全反射臨界角為23度，在有源區(qū)產(chǎn)生的光僅有很小一部分可以射出到空氣中。為了提高光的抽取效率，目前普遍采用的辦法是制作圖形化的襯底，提高光從外延層進入襯底時的反射率，從而提高芯片正面的出光效率。目前圖形襯底制作方式主要有兩類一種方法是利用藍寶石材料本身制作圖形參考Jae-Hoon Lee等人的文獻Phys. Stat. Sol. (c) 3，No. 6，2169-2173 (2006)和 Τ. V. Cuong 等人的文獻 Appl. Phys. Lett. 90， 131107(2007) ]0這種方法存在明顯的缺陷制作過程需要刻蝕藍寶石，由于藍寶石材料比較堅硬，干法刻蝕需要高密度等離子體和氦氣冷卻系統(tǒng)，使工藝過程復(fù)雜化；濕法腐蝕藍寶石需要在高溫條件下使用強酸，使圖形的均勻性和重復(fù)性更加難以控制。另外一種方法是在藍寶石襯底上用其它材料制作圖形。比如用Si02在藍寶石襯底上制作納米圖形參考C. H. Chiu等人的文獻Appl. Phys. Lett. 93,081108 (2008)，這種制作方法比較簡單，但是由于Si02的折射率(1. 5)僅比藍寶石(1. 8)稍低，對光進入襯底時反射率的提高也很有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種通過利用空腔來提高光抽取效率的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的另一目的是提供內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管的制備方法。發(fā)明的技術(shù)方案為一種內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括襯底， 襯底上形成的相互分開的空腔，空腔上的GaN基發(fā)光二極管。所述的襯底為藍寶石、SiC或 Si的?？涨坏母叨仍?. 2 3. 0微米之間，空腔的間距在0. 2 10. 0微米之間，空腔呈半球形、圓錐形、圓柱形或圓臺形，空腔的下底直徑在0.2 10.0微米之間?？涨簧系腉aN基發(fā)光二極管包括N型GaN，量子阱，P型GaN，透明電極，P壓焊點，N壓焊點?！N內(nèi)置空氣的高效率發(fā)光二極管制備方法，其步驟1)在襯底上用高熔點材料沉積一層薄膜；幻通過光刻，刻蝕在襯底上用高熔點材料制作圖形襯底；幻在圖形襯底上沉積N型GaN ；4)放入腐蝕溶液，去除高熔點材料，形成空腔；5)繼續(xù)生長N型GaN，將空腔上端的缺口封??；6)生長量子阱和P型GaN;7)制作透明電極，P壓焊點，N壓焊點。步驟 1)所述的襯底可以是藍寶石、SiC或Si ;高熔點材料可以為3102、5比、51版、1102，所述的薄膜厚度在0. 2 3. 0微米之間；薄膜制備方法可以為PECVD、電子束蒸發(fā)、濺射或旋涂法。 步驟2、所述的在襯底上制作的圖形，是通過干法刻蝕或濕法腐高熔點材料實現(xiàn)的，襯底上的圖形呈半球形、圓錐形、圓柱形或圓臺形；圖形的下底直徑在0. 2 10. 0微米之間；圖形的高度在0. 2 3. 0微米之間；圖形的間距在0. 2 10. 0微米之間。步驟3)所述的圖形襯底上沉積的N型GaN，在圖形頂端形成凹坑，凹坑直徑0.2 1.2微米。步驟4)所述去除高熔點材料的腐蝕溶液是可以腐蝕高熔點材料、不腐蝕GaN晶體材料。步驟幻所述繼續(xù)生長的N型GaN，是通過橫向生長將空腔上端的缺口封住。所述的透明電極，可以是ITO、SiO 或 NiAu0本發(fā)明的優(yōu)點在于在襯底上形成的空腔，一方面增加了光從外延層進入襯底時的入射角度，另一方面空腔的折射率1. 0，遠小于藍寶石(折射率1. 8)。這樣空腔對光的反射率大大增加，使得更多的光從透明電極出射，增加了光的抽取效率。


圖1為襯底上用高熔點材料制作的圖形襯底的俯視圖；圖2為襯底上用高熔點材料制作的圖形襯底的橫截面示意圖；圖3為第一次沉積N型GaN后的示意圖；圖4為腐蝕去除高熔點材料，形成空腔后的示意圖；圖5為第二次生長N型GaN后的示意圖；圖6為生長量子阱和P型GaN后的示意圖；圖7為最終的高效率發(fā)光二極管示意圖。其中a為襯底，b為N型GaN，c為量子阱，d為P型GaN，e為透明電極，f為P壓焊點，g為N壓焊點。
具體實施例方式以下以采用Si02材料為例，說明內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管及其制備方法，步驟為(1)在藍寶石襯底上沉積一層Si02薄膜，厚度為1. 8微米；(2)通過光刻，刻蝕在藍寶石上制作出彼此分開的半球狀Si02圖形，如圖1和圖2 所示，半球下底半徑為4微米，球體間距1微米，球體高度1. 8微米；(3)如圖3所示，在圖形襯底上沉積1. 6微米的N型GaN，在半球頂端形成0. 5微米的凹坑；(4)用HF腐蝕去除Si02材料，形成空腔，如圖4所示；(5)繼續(xù)生長N型GaN，將空腔上端的缺口封住，如圖5所示。(6)沉積量子阱，和P型GaN，如6所示；(7)制作ITO透明電極，P壓焊點，N壓焊點，形成最終的高效率發(fā)光二極管，如圖 7所示。應(yīng)當(dāng)理解是，上述實施例只是對本發(fā)明的說明，而不是對本發(fā)明的限制，任何不超出本發(fā)明實質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實質(zhì)性的替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管包括襯底，襯底上形成的相互分開的空腔，空腔上的GaN基發(fā)光二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管，其特征在于所述的襯底為藍寶石、SiC或Si的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管，其特征在于空腔的高度在 0. 2 3. 0微米之間，空腔的間距在0. 2 10. 0微米之間，空腔呈半球形、圓錐形、圓柱形或圓臺形，空腔的下底直徑在0. 2 10. 0微米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)置空氣的高效率發(fā)光二極管，其特征在于所述的空腔上的 GaN基發(fā)光二極管包括N型GaN，量子阱，P型GaN，透明電極，P壓焊點，N壓焊點。
5.一種內(nèi)置空氣的高效率發(fā)光二極管制備方法，其步驟1)在襯底上用高熔點材料沉積一層薄膜；2)通過光刻，刻蝕在襯底上用高熔點材料制作圖形襯底；3)在圖形襯底上沉積N型GaN；4)放入腐蝕溶液，去除高熔點材料，形成空腔；5)繼續(xù)生長N型GaN，將空腔上端的缺口封??；6)生長量子阱和P型GaN；7)制作透明電極，P壓焊點，N壓焊點。
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟1)所述的襯底可以是藍寶石、SiC或Si。
7.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟1)所述的高熔點材料可以為Si02、SiC、SiNx, Ti02，所述的薄膜厚度在0. 2 3. 0微米之間。
8.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟1)所述的薄膜制備方法可以為PECVD、電子束蒸發(fā)、濺射或旋涂法。
9.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟2)所述的在襯底上制作的圖形，是通過干法刻蝕或濕法腐高熔點材料實現(xiàn)的，襯底上的圖形呈半球形、圓錐形、圓柱形或圓臺形；圖形的下底直徑在0.2 10.0微米之間；圖形的高度在 0. 2 3. 0微米之間；圖形的間距在0. 2 10. 0微米之間。
10.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟3) 所述的圖形襯底上沉積的N型GaN，在圖形頂端形成凹坑，凹坑直徑0. 2 1. 2微米。
11.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟4) 所述去除高熔點材料的腐蝕溶液是可以腐蝕高熔點材料、不腐蝕GaN晶體材料。
12.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟5) 所述繼續(xù)生長的N型GaN，是通過橫向生長將空腔上端的缺口封住。
13.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管制備方法，其特征在于步驟7) 所述的透明電極，可以是ITO、ZnO或NiAu。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管及其制備方法，包括在襯底上用高熔點材料制作圖形襯底；在圖形襯底上沉積N型GaN，在圖形頂端形成凹坑，凹坑直徑0.2～1.2微米；通過腐蝕去除高熔點材料，形成空腔；繼續(xù)生長N型GaN，將空腔上端的缺口封??；生長量子阱和P型GaN；制作透明電極，P壓焊點，N壓焊點。采用本發(fā)明提供的內(nèi)置空腔的高效率發(fā)光二極管，可以顯著提高光的抽取效率。
文檔編號H01L33/00GK102194941SQ20101054910
公開日2011年9月21日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者劉榕, 張建寶, 徐瑾, 王江波, 魏世楨 申請人:華燦光電股份有限公司