專利名稱：一種光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件制造技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種在LED的超晶格中制作的光子晶體結(jié)構(gòu)，是一種利用超晶格結(jié)構(gòu)和光子晶體的禁帶效應(yīng)有效降低P型歐姆接觸、提高LED光提取效率的制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
LED是當(dāng)前電子信息工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的有源器件，而且高亮度LED在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中僅釋放少量的熱量，具有高效、節(jié)能、環(huán)保和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在動(dòng)態(tài)顯示、半導(dǎo)體照明領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)的提高，GaN基LED的亮度和效率得到了明顯的改善。但為了實(shí)現(xiàn)聞性能的LED器件，進(jìn)一步提聞P型GaN層的質(zhì)量是十分關(guān)鍵的。研究者已經(jīng)在實(shí)驗(yàn) 上[I]驗(yàn)證了在GaN基LED的表面引入超晶格結(jié)構(gòu)可以增加電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率；并在理論和實(shí)驗(yàn)上[2 5]證實(shí)了光子晶體結(jié)構(gòu)的引入能有效地提高LED的光提取效率。在將超晶格引入LED時(shí)，可置于LED中的p-GaN層之上或者之下，均會(huì)因超晶格產(chǎn)生的二維空穴氣而增大電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率。但是，本發(fā)明選擇將超晶格置于P-GaN層之上，這樣做不僅有利于發(fā)光效率的提升，還因?yàn)槌Ц窠Y(jié)構(gòu)充當(dāng)了歐姆接觸層，使得空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率增加，從而可以降低P型層的歐姆接觸電阻。而在利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高GaN基LED出光效率的研究中，光子晶體結(jié)構(gòu)一般被制作在P型GaN的表層。但是在P型GaN層引入光子晶體結(jié)構(gòu)會(huì)減弱p型GaN層和金屬的歐姆接觸特性，而且光子晶體的刻蝕工藝也可能導(dǎo)致對(duì)器件P型GaN層和LED有源區(qū)的損傷。因此，本發(fā)明選擇在P型GaN上首先制備超晶格結(jié)構(gòu)，然后在其上制作光子晶體。本發(fā)明提供的制作方法一方面可以保護(hù)P型GaN層不被損傷，另一方面可以克服因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結(jié)構(gòu)這一缺陷，從而可以有效地提高GaN基LED的出光效率。參考文獻(xiàn)[ I ] C . Liu, T . Lu, L . Wu, H . Wang, Y . Yin, G . Xiao, Y . Zhou, andS. Li, ^EnhancedPerformance of Blue Light-Emitting Diodes With InGaN/GaN Superlattice as HoleGathering Layer，，，IEEE Photonics Technology Lett.Vol. 24, NO. 14, July 15,2012.[2]張雄，王璨璨，陳洪鈞，張沛元，崔一平“一種光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)朇N102361053A,申請(qǐng)日期:2012-02_22。[3] J. Shakya, K. H. Kim, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, “Enhanced light extractioninlll-nitride ultraviolet photonic crystal light-emitting diodes，，，Appl.Phys.Lett. 85，142(2004).[4] Jonathan J. ffierer, Jr, Aurelien David and Mischa M. Megens, “III-nitridephotonic-crystal light-emitting diodes with high extractionefficiency”，NaturePhotonics 3,163-169(2009).[5] S. Kawashima, _T. Kawashima, Y. Nagatomo, Y. Hori, H. Iwase, T. Uchida, K.Hoshino,A.Numata, and M.Uchi da, “GaN-based surface-emitting laserwithtwo-dimensional photonic crystal acting as distributed-feedback grating andopticalcladding”, Appl.Phys. Lett. 97, 251112(2010).

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題針對(duì)上述現(xiàn)有具有光子晶體結(jié)構(gòu)的GaN基LED及其制備方法中所存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明所提供的一種光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管，既能夠解決現(xiàn)有GaN基LED的復(fù)合發(fā)光效率和光提取效率低下的問(wèn)題，又能夠避免由于引入光子晶體可能會(huì)對(duì)P型GaN層和LED有源區(qū)所造成的損傷。而且，本發(fā)明在p_GaN層上生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率以降低P層的歐姆接觸電阻。另外，本發(fā)明通過(guò)在P型GaN之上的超晶格結(jié)構(gòu)中制作光子晶體，一方面可以保護(hù)P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較`薄不利于制作較大深度的光子晶體結(jié)構(gòu)這一缺陷，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。技術(shù)方案本發(fā)明提供一種光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管。該發(fā)光二級(jí)管自下至上順序設(shè)置有襯底、緩沖層、η型GaN外延層、InGaN/GaN多量子阱的有源發(fā)光層、P型GaN外延層、P型超晶格結(jié)構(gòu)、透明導(dǎo)電層、鈍化層，在η型GaN外延層上還設(shè)有η型電極，在透明導(dǎo)電層上還設(shè)有P型電極，在P型超晶格結(jié)構(gòu)中制備有光子晶體結(jié)構(gòu)。所述的P型超晶格結(jié)構(gòu)為Mg摻雜的P型超晶格結(jié)構(gòu)，該種P型超晶格結(jié)構(gòu)為p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一種，該種超晶格結(jié)構(gòu)的周期數(shù)即重復(fù)次數(shù)范圍為1-20,每個(gè)周期的厚度為5-20nm。所述的光子晶體結(jié)構(gòu)，該種光子晶體包括空氣孔型和介質(zhì)柱型兩種結(jié)構(gòu)對(duì)于空氣孔型光子晶體，晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，空氣孔的直徑為lOO-lOOOnm，空氣孔的高度為10-400nm;對(duì)于介質(zhì)柱型光子晶體，則晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，介質(zhì)柱的直徑為IOO-IOOOnm,介質(zhì)柱的高度為10_400nm。所述的介質(zhì)柱或空氣孔的形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺(tái)形或半球形中的任一種；制作于發(fā)光二級(jí)管LED中的光子晶體的類型為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格或光子準(zhǔn)晶體中的任一種。本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。優(yōu)選的情況下，所述光子晶體結(jié)構(gòu)為介質(zhì)柱型光子晶體，并且介質(zhì)柱頂端的形狀為半球形；優(yōu)選的情況下，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的類型為三角晶格光子晶體或十二重對(duì)稱的光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。有益效果根據(jù)本發(fā)明所提供的新型光子晶體結(jié)構(gòu)的GaN基LED和制備方法，在GaN基LED的ρ-GaN層上生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率來(lái)降低P層的歐姆接觸電阻。其次，通過(guò)在P型GaN之上的超晶格結(jié)構(gòu)中制作光子晶體，一方面可以保護(hù)P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結(jié)構(gòu)這一問(wèn)題，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。


圖I為具有新型光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的側(cè)視圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)制備的帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的側(cè)視圖；圖3所示為本發(fā)明所制備的光子晶體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖4 (a)為L(zhǎng)ED中的正方晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (b)為L(zhǎng)ED中的三角晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (C)為L(zhǎng)ED中的蜂窩晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (d)為L(zhǎng)ED中的十二重對(duì)稱的光子準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示為本發(fā)明所提供的一種具有新型光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的側(cè)視圖。該LED的結(jié)構(gòu)要素包括襯底101，緩沖層102，η型GaN外延層103，η型電極104，InGaN/GaN多量子阱的有源發(fā)光層105，P型GaN外延層106，p型超晶格結(jié)構(gòu)107，在p型超晶格結(jié)構(gòu)107中制備的光子晶體結(jié)構(gòu)108，透明導(dǎo)電層109，鈍化層110，P型電極111。如圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)制備的帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的側(cè)視圖。其構(gòu)成要素包括襯底201，緩沖層202，η型GaN外延層203，η電極204，InGaN/GaN多量子阱的有源發(fā)光層205，P型GaN外延層206，直接制備于ρ-GaN層中的光子晶體結(jié)構(gòu)207，透明導(dǎo)電層208，鈍化層209，P型電極210。圖3所示為本發(fā)明所制備的光子晶體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)可以為介質(zhì)柱型或者空氣孔型光子晶體；圖4 (a)、(b)、(C)、(d)分別為本發(fā)明的LED中所能采用的正方晶格光子晶體、三角晶格光子晶體、蜂窩晶格光子晶體、十二重對(duì)稱的光子準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。其中光子準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)可以是五重對(duì)稱、八重對(duì)稱、十重對(duì)稱和十二重對(duì)稱四種結(jié)構(gòu)中的任一種。而本發(fā)明所述新型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)柱或空氣孔的形狀可以為錐形、柱形、棱錐形、棱臺(tái)形、半球形中的任一種。通過(guò)在P型GaN之上的超晶格結(jié)構(gòu)中制作光子晶體，使得本發(fā)明提供的GaN基LED與現(xiàn)有技術(shù)制備的LED相比具備兩方面的優(yōu)勢(shì)首先，在p-GaN層上生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率來(lái)降低P層的歐姆接觸電阻；其次，通過(guò)在P型GaN層上的超晶格多層結(jié)構(gòu)中制作光子晶體，一方面可以保護(hù)P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結(jié)構(gòu)這一問(wèn)題，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。本發(fā)明不僅適用于同側(cè)結(jié)構(gòu)的GaN基LED，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)以及正、倒裝的GaN基LED結(jié)構(gòu)也同樣適用。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(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)容所做的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)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)的發(fā)光二級(jí)管，其特征在于該發(fā)光二級(jí)管自下至上順序設(shè)置有襯底(101)、緩沖層(102)、η型GaN外延層(103)、InGaN/GaN多量子阱的有源發(fā)光層(105)、P型GaN外延層(106)、p型超晶格結(jié)構(gòu)(107)、透明導(dǎo)電層(109)、鈍化層(110)，在η型GaN外延層(103 )上還設(shè)有η型電極(104 )，在透明導(dǎo)電層(109 )上還設(shè)有P型電極(111 )，在P型超晶格結(jié)構(gòu)(107)中制備有光子晶體結(jié)構(gòu)(108)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管，其特征在于所述的P型超晶格結(jié)構(gòu)(107)為Mg摻雜的P型超晶格結(jié)構(gòu)，該種P型超晶格結(jié)構(gòu)為p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一種，該種超晶格結(jié)構(gòu)的周期數(shù)即重復(fù)次數(shù)范圍為1_20，每個(gè)周期的厚度為5-20nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管，其特征在于所述的光子晶體結(jié)構(gòu)(108)，該種光子晶體包括空氣孔型和介質(zhì)柱型兩種結(jié)構(gòu)對(duì)于空氣孔型光子晶體，晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，空氣孔的直徑為lOO-lOOOnm，空氣孔的高度為10_400nm ;對(duì)于介質(zhì)柱型光子晶體，則晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，介質(zhì)柱的直徑為lOO-lOOOnm，介質(zhì)柱的高度為10_400nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管，其特征在于所述的介質(zhì)柱或空氣孔的形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺(tái)形或半球形中的任一種；制作于發(fā)光二級(jí)管LED中的光子晶體的類型為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格或光子準(zhǔn)晶體中的任一種。
5.一種如權(quán)利要求I所述的光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管的應(yīng)用，其特征在于所述的發(fā)光二級(jí)管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二級(jí)管，該發(fā)光二級(jí)管自下至上順序設(shè)置有襯底(101)、緩沖層(102)、n型GaN外延層(103)、InGaN/GaN多量子阱的有源發(fā)光層(105)、p型GaN外延層(106)、p型超晶格結(jié)構(gòu)(107)、透明導(dǎo)電層(109)、鈍化層(110)，在n型GaN外延層(103)上還設(shè)有n型電極(104)，在透明導(dǎo)電層(109)上還設(shè)有p型電極(111)，在p型超晶格結(jié)構(gòu)(107)中制備有光子晶體結(jié)構(gòu)(108)。所述的發(fā)光二級(jí)管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102945902SQ20121053302
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者張 雄, 王春霞, 陳洪鈞, 崔一平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)