專利名稱：一種有效提高led側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化合物半導體器件領域，尤其是涉及ー種可以有效提高側(cè)面出光的LED芯片結(jié)構(gòu)。
背景技術：
發(fā)光二極管(LED)的固態(tài)照明光源因其功耗低、壽命長、體積小及可靠性高而受到人們的追捧。而然，GaN基LED有非常大的ー個缺陷就是其發(fā)光效率較低。GaN基LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)達到90%,而普通LED的外量子效率由于受到全反射的影響僅為5%。外量子效率為內(nèi)量子效率與提取效率的乘積，發(fā)光效率主要受外量子效率限制。從LED有源層發(fā)出的光子，需要透過器件內(nèi)部才能到達空氣中。GaN材料的折射為2. 4，空氣的折射率為I. 0,全反射角24. 5,大于全反射角的光子將被反射回去(Hao M, EgawaT, Ishikawa
H.Higmy efficient GaNbased light emitting diodes with micro pits [ J] . AppI.Phys. Lett. , 2006, 89: 241907)。對于傳統(tǒng)矩形腔結(jié)構(gòu)LED，其結(jié)構(gòu)如附圖I所示，大于全反射角的光子會在器件內(nèi)部來回多次反射，在多次反射過程中，有一部分光子會到達器件的側(cè)面，通過側(cè)面出射，一部分光子則在多次反射過程始終無法出射而最終被吸收，理論上大約只有20%的光子能從器件出射(Windisch R, Dutta B， Kuijk M, et al. 40% efficient thin film surfacetextured light emitting diodes by optimization of natural lithography [ J ].Electron Devices, 2000, 47: 1492-1498)。為了能使更多的光子逃逸出去，可以對器件表面進行粗化(Fujii T, Gao Y，Nakamur a S，et al. Increase in the extractionefficiency of GaN based light emitting diodes via surface roughening [ J].AppI. Phy s. Lett.，2004, 84( 6) : 855-857)。針對傳統(tǒng)的 GaA s 基等 LED 器件，通過自然光刻和ICP刻蝕方法(鄧彪，劉寶林.側(cè)面粗化提高GaN基LED出光效率研究[J].半導體光電，2011，32 (3) :352-354)，可以有效地對表面進行粗化。然而對于GaN基LED來說，由于P型層很薄，且刻蝕深度不易控制，刻蝕后對器件造成很大的損傷，實現(xiàn)商業(yè)化應用很困難(李芬.GaN基LED表面粗化結(jié)構(gòu)制備技術研究[D];西安電子科技大學；2011年)。因此，對器件的側(cè)面進行粗化來達到提高出光效率不惜是ー個較好的方法。在不考慮光被吸收的情況下，有源區(qū)產(chǎn)生的光子向器件表面出光時，當入射角大于全反射角(約24. 5° )時，光子由于全反射將會在器件內(nèi)部來回反射，并被GaN材料的多次吸光，最終衰減到零，一部分光子始終無法透過器件表面。其中一部分光子會由芯片表面及內(nèi)部經(jīng)多次反射最終將會從芯片的側(cè)面出。對于這些到達器件側(cè)面的光子來說，此時的側(cè)面等效于器件的表面，同樣存在全反射問題，所以，對側(cè)面進行粗化可以達到與表面粗化相同的效果，從而提高LED的出光效率(魏偉.側(cè)面傾斜于粗糙化提高GaN基LED出光效率的研究[D];長春理工大學；2007年)。在傳統(tǒng)GaN基LED制備エ藝過程中，在進行臺面刻蝕的時候，利用ICP刻蝕對GaN與AlGaN刻蝕速度不同的原理，實現(xiàn)刻蝕后LED芯片側(cè)面鋸齒狀的側(cè)面，這種方法在エ藝實現(xiàn)上非常簡便，不用増加任何芯片エ藝流程，實用價值非常聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中的LED芯片側(cè)出光率低的問題，提供ー種增加側(cè)面出光率的LED芯片結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于生長襯底上，包括N型層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層，以及p型層，其中，所述的GaN/AlGaN超晶格層橫截面的側(cè)面邊緣具有鋸齒形或波浪形的輪廓，通過側(cè)壁微結(jié)構(gòu)エ藝技術，能提高芯片的出光效率10%以上。作為進ー步優(yōu)化方案，所述生長襯底包括Si襯底、SiC襯底、平面或圖形化藍寶石襯底。作為進一步優(yōu)化方案，所述GaN/AlGaN超晶格層的總厚度小于等于30 nm。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，在磊晶過程中，依次在生長襯底上生成N型層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層、p型層，所述的GaN/AlGaN超晶格層在相同氣壓、溫度、氣體氛圍下生長生成；在ICP刻蝕過程中，調(diào)整ICP刻蝕功率和刻蝕速度以區(qū)分AlGaN和GaN層的速度達到側(cè)面粗化的目的，通過調(diào)節(jié)激光源的脈沖頻率將所述的GaN/AlGaN超晶格層的側(cè)面邊緣劃成鋸齒形或波浪形的輪廓，通過側(cè)壁微結(jié)構(gòu)エ藝技術，能提高芯片的出光效率10%以上。作為進ー步優(yōu)化方案，所述生長襯底包括Si襯底、SiC襯底、平面或圖形化藍寶石襯底。 作為進一步優(yōu)化方案，所述GaN/AlGaN超晶格層的總厚度小于等于30 nm。作為進ー步優(yōu)化方案，所述的GaN/AlGaN超晶格層中的GaN層為不摻雜層，AlGaN層Al組分為15%，以達到ICP刻蝕過程中對兩層刻蝕速度不一致的要求。作為進ー步優(yōu)化方案，所述AlGaN層摻有In材料以調(diào)整晶格應力。作為進ー步優(yōu)化方案，所述AlGaN層中In組分為5%_8%。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過超晶格結(jié)構(gòu)的加入，利用ICP刻蝕對兩種材料的刻蝕速度不一致，實現(xiàn)芯片側(cè)面粗化的目的，從而提高LED芯片的側(cè)面出光效率，可有效提升芯片的外量子效率；由于僅引入了超晶格層，從而無需另外増加任何芯片エ藝，與現(xiàn)有的芯片エ藝完全兼容。


附圖I是傳統(tǒng)LED外延片的剖面結(jié)構(gòu)示意 附圖2是本發(fā)明實施例的具有GaN/AlGaN超晶格的LED外延片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖3是本發(fā)明實施例的具有GaN/AlGaN超晶格的LED正裝芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。參見附圖2和附圖3所不，ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)位于生長襯底上，包括N型GaN層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層，以及p型GaN層，其中，GaN/AlGaN超晶格緊挨著多量子阱(MQW)的最后ー個量子壘，該超晶格層需要在同一氣壓，同一溫度、同一氛圍下生長的薄膜，其橫截面的側(cè)面邊緣具有鋸齒形或波浪形的輪廓。GaN/AlGaN超晶格層的總厚度小于等于30 nm。此外，需要指出的是生長襯底包括Si襯底、SiC襯底、平面或圖形化藍寶石襯底，而N型層的下方還可以設置有ー緩沖層。以下詳述該外延結(jié)構(gòu)的制造エ藝。首先，在磊晶過程中，依次在生長襯底上生成N型GaN層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層、P型GaN層，GaN/AlGaN超晶格層在相同氣壓、溫度、氣體氛圍下生長生成，即在有源層和PGaN之間插入一 GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlGaN超晶格緊挨著多量子阱(MQW)的最后ー個量子壘，GaN/AlGaN超晶格總厚度不超過30 nm, GaN為不摻雜層，AlGaN層Al組分約 15%，以達到ICP對兩層刻蝕速度不一致的要求，其中AlGaN層中需要摻入少量的In，調(diào)整晶格應力，In組分5%-8%。其次，在ICP刻蝕過程中，調(diào)整ICP刻蝕功率和刻蝕速度以區(qū)分AlGaN和GaN層的速度達到側(cè)面粗化的目的，通過調(diào)節(jié)激光源的脈沖頻率將所述的GaN/AlGaN超晶格層的側(cè)面邊緣劃成鋸齒形或波浪形的輪廓，該微結(jié)構(gòu)增加了芯片側(cè)壁的出光面積，改變了芯片的出光角度，從而能有效提高光子從GaN/AlGaN超晶格層側(cè)面出光的效率。最后，在半導體外延層上制備電極以及后續(xù)其余エ藝。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過超晶格結(jié)構(gòu)的加入，利用ICP刻蝕對兩種材料的刻蝕速度不一致，實現(xiàn)芯片側(cè)面粗化的目的，從而提高LED芯片的側(cè)面出光效率，可有效提升芯片的外量子效率；由于僅引入了超晶格層，從而無需另外増加任何芯片エ藝，與現(xiàn)有的芯片エ藝完全兼容。以上實施方式只為說明本發(fā)明的技術構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變化或修飾均涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu),其特征在于該結(jié)構(gòu)位于生長襯底上,包括N型層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層，以及p型層，其中，所述的GaN/AlGaN超晶格層橫截面的側(cè)面邊緣具有鋸齒形或波浪形的輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述生長襯底包括Si襯底、SiC襯底、平面或圖形化藍寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述GaN/AlGaN超晶格層的總厚度小于等于30 nm。
4.ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于在磊晶過程中，依次在生長襯底上生成N型層、有源層、GaN/AlGaN超晶格層、p型層，所述的GaN/AlGaN超晶格層在相同氣壓、溫度、氣體氛圍下生長生成；在ICP刻蝕過程中，調(diào)整ICP刻蝕功率和刻蝕速度以區(qū)分AlGaN和GaN層的速度，通過調(diào)節(jié)激光源的脈沖頻率將所述的GaN/AlGaN超晶格層的側(cè)面邊緣劃成鋸齒形或波浪形的輪廓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述生長襯底包括Si襯底、SiC襯底、平面或圖形化藍寶石襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述GaN/AlGaN超晶格層的總厚度小于等于30 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的GaN/AlGaN超晶格層中的GaN層為不摻雜層，AlGaN層Al組分為15%，以達到ICP刻蝕過程中對兩層刻蝕速度不一致的要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述AlGaN層摻有In材料以調(diào)整晶格應力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述AlGaN層中In的組分為5%_8%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有效提高LED側(cè)面出光的外延結(jié)構(gòu)及其制造方法，其包括采用GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)來替代普通GaN外延層，該半導體外延器件外延層由下往上依次為藍寶石襯底、緩沖層、N型層、發(fā)光層、GaN/AlGaN超晶格和P型層，其中GaN/AlGaN超晶格緊挨著多量子阱(MQW)的最后一個量子壘。本發(fā)明的LED器件是基于ICP刻蝕對GaN與AlGaN刻蝕速度不同的原理，實現(xiàn)LED芯片側(cè)面鋸齒狀的輪廓。該結(jié)構(gòu)增加了芯片側(cè)壁的出光面積，改變了芯片的出光角度，從而能有效提高光子從GaN/AlGaN超晶格層側(cè)面出光的效率。本發(fā)明通過側(cè)壁微結(jié)構(gòu)工藝技術，能提高芯片的出光效率10%以上。
文檔編號H01L33/04GK102867895SQ20121034210
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者陳立人, 陳偉, 劉慰華 申請人:聚燦光電科技(蘇州)有限公司