一種高光提取效率的led結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法。為了提高LED結(jié)構(gòu)的光提取效率，所述LED結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括金屬反光層、襯底、LED外延層、量子阱發(fā)光層和P型導(dǎo)電層；所述襯底上表面具有多個柱狀凸起，每個柱狀凸起的上表面與LED外延層下表面之間設(shè)有SiNx薄膜層；所述LED外延層的上表面高于SiNx薄膜層上表面。本發(fā)明制備的具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED具有制作成本低、簡單易行、效率高等優(yōu)點。
【專利說明】一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)器件制造【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地涉及一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體發(fā)光二極管因具有節(jié)能、高效、無污染、體積小、壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用于白光照明、背光顯示、交通標(biāo)示、通信、信號指示、大屏幕顯示等領(lǐng)域，并滿足輕、薄等小型化要求。特別地以GaN、AlGaN, InGaN, AlInGaN等為代表的II1- V族半導(dǎo)體材料制備的高亮度發(fā)光器件，由于其優(yōu)異的發(fā)光效能，引起了人們的極大關(guān)注，被認(rèn)為是未來最理想的半導(dǎo)體白光照明光源之一。
[0003]對于GaN LED，頂蓋層折射率為2.5，光通過GaN出射的全反射臨界角是23°，因此產(chǎn)生的大部分光被束縛在有源區(qū)內(nèi)，不能有效地提取出來。不能有效出射的光，在LED內(nèi)反射直到被吸收，而光在內(nèi)部的反射次數(shù)越多，路徑越長，造成的損失越大。因此提高LED光提取效率對半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件的發(fā)展，具有重要的意義和巨大的推動作用。目前，用于提高LED光提取效率的技術(shù)途徑，主要包括:(I)在芯片與電極之間加入后窗口層；(2)雙反射和分布式布拉格反射結(jié)構(gòu)；(3)倒裝芯片技術(shù)；(4)表面粗糙化紋理結(jié)構(gòu)；(5)其它方法，如光子晶體技術(shù)、異性芯片技術(shù)、微芯片陣列技術(shù)、剝離與透明襯底技術(shù)等。
[0004]其中，光子晶體技術(shù)利用周期構(gòu)造，以人工方式實現(xiàn)對光學(xué)特性的控制，其主要特性包括:光能隙、異向性。非光子晶體的LED產(chǎn)生光后，跟空氣接觸的光源那部分，會因為表面全反射而損失掉。光子晶體LED的設(shè)計，能夠有效提高光在縱向的傳播，限制橫向傳播損耗，讓光不受反射影響，將光輸送到外面。由于光子晶體具有以上特性，人們開展了將該技術(shù)應(yīng)用于LED的研究。利用光子晶體提高LED出光效率的作用方式主要是利用光子禁帶效應(yīng)原理和光柵衍射效應(yīng)原理。研究結(jié)果表明，通過光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計的LED，其發(fā)光效率得到顯著提高。日本松下電器第一次成功將光子晶體技術(shù)運用導(dǎo)入藍(lán)光LED，發(fā)光效率達到普通LED的1.5倍。隨著光子晶體加工技術(shù)的成熟和設(shè)備費用的降低，光子晶體會在將來高亮度和高發(fā)光取向型LED產(chǎn)品中得到普遍應(yīng)用。
[0005]目前使用光子晶體技術(shù)來提高LED出光效率的方法，通常是通過在LED外延片的P型導(dǎo)電層上刻蝕出周期或準(zhǔn)周期分布的空氣柱來實現(xiàn)的，這能有效限制光子在P型導(dǎo)電層的橫向傳播損耗，提高LED的出光效率。但由于該光子晶體遠(yuǎn)離GaN本征層和N型導(dǎo)電層，無法對GaN本征層和N型導(dǎo)電層中的光子產(chǎn)生衍射作用，因此不能解決GaN本征層和N型導(dǎo)電層光子的損耗問題。對此，人們采用在P型導(dǎo)電層制作光子晶體，然后對晶片剝離、倒裝，對GaN本征層和N型導(dǎo)電層減薄處理后，在減薄的N型導(dǎo)電層上構(gòu)筑光子晶體，以最大限度降低光子的橫向傳播損耗。但由于這種倒裝的光子晶體結(jié)構(gòu)的制備過程過于復(fù)雜，技術(shù)難度較大，因此成本較高，限制了該技術(shù)在LED的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了提高LED結(jié)構(gòu)的光提取效率，本發(fā)明旨在提供一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法，該LED結(jié)構(gòu)簡單，制備方法易行，可有效地提高LED器件的光提取效率。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括金屬反光層、襯底、LED外延層、量子阱發(fā)光層和P型導(dǎo)電層；所述襯底上表面具有多個柱狀凸起，每個柱狀凸起的上表面與LED外延層下表面之間設(shè)有SiNx薄膜層；所述LED外延層的上表面高于SiNx薄膜層上表面。
[0008]以下為本發(fā)明的進一步改進的技術(shù)方案:
優(yōu)選地，所述LED外延層包括外延生長在襯底上的GaN本征層和設(shè)置在GaN本征層上的N型導(dǎo)電層；所述N型導(dǎo)電層的上表面高于SiNx薄膜層上表面。進一步地，所述GaN本征層厚度為I U m~2 μ m ;所述N型導(dǎo)電層的厚度為2 μ η3 μ m。
[0009]所述柱狀凸起的高度為2 μ π5 μ m,優(yōu)選為方柱狀或圓柱狀。
[0010]進一步地，所述SiNx薄膜層厚度為0.2 μ πθ.5 μ m。
[0011]優(yōu)選地,所述金屬反光層由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni中的一種制成。
[0012]所述襯底由A1203、SiC和Si的一種材料制成。
[0013]進一步地，本發(fā)明提供的一種如上所述高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
1)在平面襯底上表面沉積SiNx薄膜層；
2)刻蝕平面襯底和SiNx薄膜層，使平面襯底上部形成多個柱狀凸起，SiNx薄膜層位于各柱狀凸起的上表面，將模版圖形轉(zhuǎn)移至襯底與SiNx薄膜層上形成圖形襯底；
3)在圖形襯底上依次外延生長出LED外延層、量子阱發(fā)光層和P型導(dǎo)電層；所述LED外延層與圖形襯底組成光子晶體；
4)在P型導(dǎo)電層制作頂部光子晶體結(jié)構(gòu)；
5)在襯底下表面制作背部金屬反光層。
[0014]所述外延層與圖形襯底形成的光子晶體，是利用GaN在SiNx薄膜層難以成膜，而在襯底表面有較高生長速率，以及易于橫向生長的特點制備得到的。外延層與圖形襯底組成的光子晶體，能夠幾乎貫穿本征和N型導(dǎo)電層，光子晶體與量子阱發(fā)光層距離較短。
[0015]優(yōu)選地，所述在平面襯底上表面沉積SiNx薄膜層采用化學(xué)氣相沉積法、離子束濺射法或者磁控濺射法；利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)和刻蝕技術(shù)將模版圖形轉(zhuǎn)移至襯底與SiNx薄膜層上；采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法，在圖形襯底上外延生長出LED外延層、量子阱發(fā)光層和P型導(dǎo)電層；利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)和刻蝕技術(shù)，在P型導(dǎo)電層制作頂部光子晶體結(jié)構(gòu)；采用熱蒸發(fā)技術(shù)、磁控濺射技術(shù)或者離子束濺射技術(shù)，在襯底下表面制作背部金屬反光層。
[0016]所述圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)為納米壓印或光刻。
[0017]由此， 本發(fā)明利用襯底與外延層的折射率差異，通過圖形化襯底，使之在外延本征層和N型導(dǎo)電層中形成光子晶體，同時通過在P型導(dǎo)電層刻蝕周期空氣柱得到另一光子晶體，可以最大程度限制LED外延器件內(nèi)橫向傳輸?shù)墓庾訐p失，從而提高了器件的光提取效率。
[0018]藉由上述結(jié)構(gòu)，參閱圖1所示，所述LED至少包括底部襯底1，該襯底材質(zhì)可以是Al2O3 (折射率:1.8)、SiC (折射率:2.6)或Si (折射率:3.4)等各類外延襯底；LED外延層2，包括本征層和N型導(dǎo)電層；量子阱發(fā)光層3 ；P型導(dǎo)電層4 ；SiNx圖形層5。利用該垂直光子晶體結(jié)構(gòu)，限制光子在LED外延器件中表面全反射或橫向傳輸損耗,從而提高器件的光提取效率。圖2顯示為本發(fā)明制備的光子晶體LED結(jié)構(gòu)的主要制備工藝過程。
[0019]所述高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法包含以下步驟:
1)如圖2Ca)所示，采用化學(xué)氣相沉積、離子束濺射或者磁控濺射等技術(shù)，在平面襯底表面沉積一定厚度的SiNx薄膜層；
2)如圖2(b)所示，利用納米壓印或光刻等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及刻蝕技術(shù)，將模版圖形轉(zhuǎn)移至襯底與SiNx薄膜層；
3)如圖2(c)所示，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法(M0CVD)、分子束外延(MBE)或氫化物氣相外延(HVPE)等方法，在圖形襯底上外延生長出LED各功能層，外延層與圖形襯底組成光子晶體；
4)如圖2Cd)所示，利用納米壓印或光刻等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及刻蝕技術(shù)，在P型導(dǎo)電層制作頂部光子晶體結(jié)構(gòu)；
5)如圖2(e)所示，采用熱蒸發(fā)、磁控濺射或者離子束濺射等技術(shù)，在襯底下表面制作背部金屬反光層。
[0020]需要特別說明的是，由于A1203、SiC、Si等外延襯底與沉積的SiNx薄膜層，與GaN材料存在折射率差，因此利用納米壓印或光刻等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)將外延襯底形成圖形，再生長LED外延層，可以制作性能優(yōu)異的光子晶體。外延層2和P型導(dǎo)電層的光子晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)光層發(fā)光波長進行調(diào)整。
[0021]所述的外延層2中的光子晶體，結(jié)構(gòu)特點在于GaN本征層和N型導(dǎo)電層恰好完全覆蓋圖形化襯底與SiNx薄膜層，因此光子在GaN本征層和N型導(dǎo)電層的橫向傳輸才能被有效限制，從而提高光子的縱向出射幾率。外延層2中的光子晶體是利用GaN不易在SiNx薄膜層表面成膜生長，在A1203、SiC, Si等外延襯底能較好、較快生長的特點，使外延層厚度能較快高于SiNx薄膜層上表面，并通過GaN的橫向生長，實現(xiàn)SiNx薄膜表面的快速完全覆蓋，使外延薄膜連續(xù)平整。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過對外延襯底進行圖形化處理，在GaN本征層和N型導(dǎo)電層內(nèi)形成幾乎貫穿的光子晶體，光子在GaN本征層和N型導(dǎo)電層的橫向傳輸被有效限制，再通過在P型導(dǎo)電層制作頂部光子晶體，以及襯底下表面制作底部金屬反射層，提高光子的縱向出射幾率。本發(fā)明制備的光子晶體結(jié)構(gòu)將有效提高LED的光提取效率，光子晶體制作具有簡單易行、成本低等優(yōu)點。
[0023]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步闡述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明制作LED結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的各階段的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參考本說明書所揭示的【具體實施方式】了解本發(fā)明的其他優(yōu)點和功能。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，可以利用其他實施例，并且可以進行結(jié)構(gòu)性和功能性方面的修改。
[0026]本發(fā)明提供的該高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明，如圖2所示為一種具有光子晶體結(jié)構(gòu)的GaN LED制備方法，包括以下步驟:
首先進行步驟一，如圖2 (a)所示。作為本實施例的一個優(yōu)選方案為:
第一步，提供藍(lán)寶石圖形襯底1，用SiH4 (硅烷)和NH3 (氨氣)等作為源氣體，如圖2Ca)所示，以CVD法在500-1000°C之間的溫度下制備出厚度約0.2 μ m的SiNx薄膜層；
第二步，噴涂一層PMMA阻擋層，采用納米壓印模版在阻擋層上形成光子晶體圖案，納米壓印工藝是在一定的壓力和溫度下進行，模板上的圖形被“轉(zhuǎn)移到”阻擋層上，聚合物之間的交叉聯(lián)合在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，并在模板移開之前形成堅硬的抗蝕層；然后在阻擋層阻擋作用下，利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)，對表面覆蓋有圖形阻擋層的SiNx薄膜層和藍(lán)寶石襯底進行垂直刻蝕，刻蝕速率為幾十至幾百納米/分，并利用氧等離子氣體除去阻擋層，如圖2 (b)所示。
[0027]進行步驟二，如圖2(c)所示，在步驟一所述的圖形化襯底上外延生長LED外延層。
[0028]作為本實施例的一個優(yōu)選方案為:如圖2 (C)所示，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法在所述的擁有光子晶體結(jié)構(gòu)的襯底上依次外延生長出GaN本征層和N型導(dǎo)電層、InGaN/GaN量子阱發(fā)光層、P型導(dǎo)電層，GaN本征層和N型導(dǎo)電層的厚度應(yīng)控制在略高于SiNx薄膜層上表面，且表面平整連續(xù)。從而制備得到位于N型導(dǎo)電層的光子晶體。
[0029]進行步驟三，請參閱2 Cd)所示，在步驟二所述的P型導(dǎo)電層上，采用納米壓印工藝，將模板圖形轉(zhuǎn)移到P型導(dǎo)電層，形成周期或準(zhǔn)周期排列的空氣柱，制備得到位于P型導(dǎo)電層的光子晶體。
[0030]進行步驟四，請參閱2 (e)所示，在步驟三所述LED外延片的襯底背部，采用熱蒸發(fā)、磁控濺射或者離子束濺射等技術(shù)，制作金屬反光層，選自于由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni等組成的金屬。
[0031]本發(fā)明例舉了上述優(yōu)選的實施方式，但是應(yīng)該說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進行各種變化和改型。因此，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的思想范圍，否則都應(yīng)該包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高光提取效率的LED結(jié)構(gòu),其特征在于，自下而上依次包括金屬反光層(6)、襯底(1)、LED外延層(2)、量子阱發(fā)光層(3)和P型導(dǎo)電層(4);所述襯底(I)上表面具有多個柱狀凸起，每個柱狀凸起的上表面與LED外延層(2)下表面之間設(shè)有SiNx薄膜層(5);所述LED外延層(2)的上表面高于SiNx薄膜層上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED外延層(2)包括外延生長在襯底(I)上的GaN本征層和設(shè)置在GaN本征層上的N型導(dǎo)電層；所述N型導(dǎo)電層的上表面高于SiNx薄膜層上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GaN本征層厚度為I μ π-2 μ m ;所述N型導(dǎo)電層的厚度為2 μ π-3 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柱狀凸起的高度
2μ m~5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述SiNx薄膜層(5)厚度為0.2 μ m~0.5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1飛之一所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬反光層(6)由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni中的一種制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求f5之一所述的高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底(I)由A1203、SiC和Si的一種材料制成。
8.—種如權(quán)利要求1-7之一所述高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 1)在平面襯底(I)上表面沉積SiNx薄膜層(5); 2)刻蝕平面襯底(I)和SiNx薄膜層(5)，使平面襯底(I)上部形成多個柱狀凸起，SiNx薄膜層(5)位于各柱狀凸起的上表面，將模版圖形轉(zhuǎn)移至襯底(I)與SiNx薄膜層(5)上形成圖形襯底； 3)在圖形襯底上依次外延生長出LED外延層(2)、量子阱發(fā)光層(3)和P型導(dǎo)電層(4);所述LED外延層(2)與圖形襯底組成光子晶體； 4)在P型導(dǎo)電層(4)制作頂部光子晶體結(jié)構(gòu)； 5)在襯底(I)下表面制作背部金屬反光層(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述在平面襯底(I)上表面沉積SiNx薄膜層(5)采用化學(xué)氣相沉積法、離子束濺射法或者磁控濺射法；利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)和刻蝕技術(shù)將模版圖形轉(zhuǎn)移至襯底(I)與SiNx薄膜層(5)上；采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法，在圖形襯底(I)上外延生長出LED外延層(2)、量子阱發(fā)光層(3)和P型導(dǎo)電層(4);利用圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)和刻蝕技術(shù)，在P型導(dǎo)電層(4)制作頂部光子晶體結(jié)構(gòu)；采用熱蒸發(fā)技術(shù)、磁控濺射技術(shù)或者離子束濺射技術(shù)，在襯底下表面制作背部金屬反光層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述高光提取效率的LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)為納米壓印或光刻。
【文檔編號】H01L33/60GK103730546SQ201310733998
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】韓云鑫, 魏唯, 陳峰武, 鞏小亮 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所