一种高光提取效率的led结构及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高光提取效率的LED结构及其制备方法。为了提高LED结构的光提取效率，所述LED结构，自下而上依次包括金属反光层、衬底、LED外延层、量子阱发光层和P型导电层；所述衬底上表面具有多个柱状凸起，每个柱状凸起的上表面与LED外延层下表面之间设有SiNx薄膜层；所述LED外延层的上表面高于SiNx薄膜层上表面。本发明制备的具有光子晶体结构的LED具有制作成本低、简单易行、效率高等优点。
【专利说明】一种高光提取效率的LED结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光二极管(LED)器件制造【技术领域】，更具体地涉及一种高光提取效率的LED结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]半导体发光二极管因具有节能、高效、无污染、体积小、寿命长等特点，被广泛应用于白光照明、背光显示、交通标示、通信、信号指示、大屏幕显示等领域，并满足轻、薄等小型化要求。特别地以GaN、AlGaN, InGaN, AlInGaN等为代表的II1- V族半导体材料制备的高亮度发光器件，由于其优异的发光效能，引起了人们的极大关注，被认为是未来最理想的半导体白光照明光源之一。
[0003]对于GaN LED，顶盖层折射率为2.5，光通过GaN出射的全反射临界角是23°，因此产生的大部分光被束缚在有源区内，不能有效地提取出来。不能有效出射的光，在LED内反射直到被吸收，而光在内部的反射次数越多，路径越长，造成的损失越大。因此提高LED光提取效率对半导体发光二极管器件的发展，具有重要的意义和巨大的推动作用。目前，用于提高LED光提取效率的技术途径，主要包括:(I)在芯片与电极之间加入后窗口层；(2)双反射和分布式布拉格反射结构；(3)倒装芯片技术；(4)表面粗糙化纹理结构；(5)其它方法，如光子晶体技术、异性芯片技术、微芯片阵列技术、剥离与透明衬底技术等。
[0004]其中，光子晶体技术利用周期构造，以人工方式实现对光学特性的控制，其主要特性包括:光能隙、异向性。非光子晶体的LED产生光后，跟空气接触的光源那部分，会因为表面全反射而损失掉。光子晶体LED的设计，能够有效提高光在纵向的传播，限制横向传播损耗，让光不受反射影响，将光输送到外面。由于光子晶体具有以上特性，人们开展了将该技术应用于LED的研究。利用光子晶体提高LED出光效率的作用方式主要是利用光子禁带效应原理和光栅衍射效应原理。研究结果表明，通过光子晶体结构设计的LED，其发光效率得到显著提高。日本松下电器第一次成功将光子晶体技术运用导入蓝光LED，发光效率达到普通LED的1.5倍。随着光子晶体加工技术的成熟和设备费用的降低，光子晶体会在将来高亮度和高发光取向型LED产品中得到普遍应用。
[0005]目前使用光子晶体技术来提高LED出光效率的方法，通常是通过在LED外延片的P型导电层上刻蚀出周期或准周期分布的空气柱来实现的，这能有效限制光子在P型导电层的横向传播损耗，提高LED的出光效率。但由于该光子晶体远离GaN本征层和N型导电层，无法对GaN本征层和N型导电层中的光子产生衍射作用，因此不能解决GaN本征层和N型导电层光子的损耗问题。对此，人们采用在P型导电层制作光子晶体，然后对晶片剥离、倒装，对GaN本征层和N型导电层减薄处理后，在减薄的N型导电层上构筑光子晶体，以最大限度降低光子的横向传播损耗。但由于这种倒装的光子晶体结构的制备过程过于复杂，技术难度较大，因此成本较高，限制了该技术在LED的推广应用。
【发明内容】
[0006]为了提高LED结构的光提取效率，本发明旨在提供一种高光提取效率的LED结构及其制备方法，该LED结构简单，制备方法易行，可有效地提高LED器件的光提取效率。
[0007]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
一种高光提取效率的LED结构，自下而上依次包括金属反光层、衬底、LED外延层、量子阱发光层和P型导电层；所述衬底上表面具有多个柱状凸起，每个柱状凸起的上表面与LED外延层下表面之间设有SiNx薄膜层；所述LED外延层的上表面高于SiNx薄膜层上表面。
[0008]以下为本发明的进一步改进的技术方案:
优选地，所述LED外延层包括外延生长在衬底上的GaN本征层和设置在GaN本征层上的N型导电层；所述N型导电层的上表面高于SiNx薄膜层上表面。进一步地，所述GaN本征层厚度为I U m~2 μ m ;所述N型导电层的厚度为2 μ η3 μ m。
[0009]所述柱状凸起的高度为2 μ π5 μ m,优选为方柱状或圆柱状。
[0010]进一步地，所述SiNx薄膜层厚度为0.2 μ πθ.5 μ m。
[0011]优选地,所述金属反光层由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni中的一种制成。
[0012]所述衬底由A1203、SiC和Si的一种材料制成。
[0013]进一步地，本发明提供的一种如上所述高光提取效率的LED结构的制备方法，包括如下步骤:
1)在平面衬底上表面沉积SiNx薄膜层；
2)刻蚀平面衬底和SiNx薄膜层，使平面衬底上部形成多个柱状凸起，SiNx薄膜层位于各柱状凸起的上表面，将模版图形转移至衬底与SiNx薄膜层上形成图形衬底；
3)在图形衬底上依次外延生长出LED外延层、量子阱发光层和P型导电层；所述LED外延层与图形衬底组成光子晶体；
4)在P型导电层制作顶部光子晶体结构；
5)在衬底下表面制作背部金属反光层。
[0014]所述外延层与图形衬底形成的光子晶体，是利用GaN在SiNx薄膜层难以成膜，而在衬底表面有较高生长速率，以及易于横向生长的特点制备得到的。外延层与图形衬底组成的光子晶体，能够几乎贯穿本征和N型导电层，光子晶体与量子阱发光层距离较短。
[0015]优选地，所述在平面衬底上表面沉积SiNx薄膜层采用化学气相沉积法、离子束溅射法或者磁控溅射法；利用图形转移技术和刻蚀技术将模版图形转移至衬底与SiNx薄膜层上；采用金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法，在图形衬底上外延生长出LED外延层、量子阱发光层和P型导电层；利用图形转移技术和刻蚀技术，在P型导电层制作顶部光子晶体结构；采用热蒸发技术、磁控溅射技术或者离子束溅射技术，在衬底下表面制作背部金属反光层。
[0016]所述图形转移技术为纳米压印或光刻。
[0017]由此， 本发明利用衬底与外延层的折射率差异，通过图形化衬底，使之在外延本征层和N型导电层中形成光子晶体，同时通过在P型导电层刻蚀周期空气柱得到另一光子晶体，可以最大程度限制LED外延器件内横向传输的光子损失，从而提高了器件的光提取效率。
[0018]藉由上述结构，参阅图1所示，所述LED至少包括底部衬底1，该衬底材质可以是Al2O3 (折射率:1.8)、SiC (折射率:2.6)或Si (折射率:3.4)等各类外延衬底；LED外延层2，包括本征层和N型导电层；量子阱发光层3 ；P型导电层4 ；SiNx图形层5。利用该垂直光子晶体结构，限制光子在LED外延器件中表面全反射或横向传输损耗,从而提高器件的光提取效率。图2显示为本发明制备的光子晶体LED结构的主要制备工艺过程。
[0019]所述高光提取效率的LED结构及其制备方法包含以下步骤:
1)如图2Ca)所示，采用化学气相沉积、离子束溅射或者磁控溅射等技术，在平面衬底表面沉积一定厚度的SiNx薄膜层；
2)如图2(b)所示，利用纳米压印或光刻等图形转移技术，以及刻蚀技术，将模版图形转移至衬底与SiNx薄膜层；
3)如图2(c)所示，采用金属有机化学气相沉积法(M0CVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)等方法，在图形衬底上外延生长出LED各功能层，外延层与图形衬底组成光子晶体；
4)如图2Cd)所示，利用纳米压印或光刻等图形转移技术，以及刻蚀技术，在P型导电层制作顶部光子晶体结构；
5)如图2(e)所示，采用热蒸发、磁控溅射或者离子束溅射等技术，在衬底下表面制作背部金属反光层。
[0020]需要特别说明的是，由于A1203、SiC、Si等外延衬底与沉积的SiNx薄膜层，与GaN材料存在折射率差，因此利用纳米压印或光刻等图形转移技术将外延衬底形成图形，再生长LED外延层，可以制作性能优异的光子晶体。外延层2和P型导电层的光子晶体结构根据发光层发光波长进行调整。
[0021]所述的外延层2中的光子晶体，结构特点在于GaN本征层和N型导电层恰好完全覆盖图形化衬底与SiNx薄膜层，因此光子在GaN本征层和N型导电层的横向传输才能被有效限制，从而提高光子的纵向出射几率。外延层2中的光子晶体是利用GaN不易在SiNx薄膜层表面成膜生长，在A1203、SiC, Si等外延衬底能较好、较快生长的特点，使外延层厚度能较快高于SiNx薄膜层上表面，并通过GaN的横向生长，实现SiNx薄膜表面的快速完全覆盖，使外延薄膜连续平整。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明通过对外延衬底进行图形化处理，在GaN本征层和N型导电层内形成几乎贯穿的光子晶体，光子在GaN本征层和N型导电层的横向传输被有效限制，再通过在P型导电层制作顶部光子晶体，以及衬底下表面制作底部金属反射层，提高光子的纵向出射几率。本发明制备的光子晶体结构将有效提高LED的光提取效率，光子晶体制作具有简单易行、成本低等优点。
[0023]以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2为本发明制作LED结构所呈现的各阶段的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以参考本说明书所揭示的【具体实施方式】了解本发明的其他优点和功能。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构性和功能性方面的修改。
[0026]本发明提供的该高光提取效率的LED结构，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，如图2所示为一种具有光子晶体结构的GaN LED制备方法，包括以下步骤:
首先进行步骤一，如图2 (a)所示。作为本实施例的一个优选方案为:
第一步，提供蓝宝石图形衬底1，用SiH4 (硅烷)和NH3 (氨气)等作为源气体，如图2Ca)所示，以CVD法在500-1000°C之间的温度下制备出厚度约0.2 μ m的SiNx薄膜层；
第二步，喷涂一层PMMA阻挡层，采用纳米压印模版在阻挡层上形成光子晶体图案，纳米压印工艺是在一定的压力和温度下进行，模板上的图形被“转移到”阻挡层上，聚合物之间的交叉联合在几秒钟内发生，并在模板移开之前形成坚硬的抗蚀层；然后在阻挡层阻挡作用下，利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，对表面覆盖有图形阻挡层的SiNx薄膜层和蓝宝石衬底进行垂直刻蚀，刻蚀速率为几十至几百纳米/分，并利用氧等离子气体除去阻挡层，如图2 (b)所示。
[0027]进行步骤二，如图2(c)所示，在步骤一所述的图形化衬底上外延生长LED外延层。
[0028]作为本实施例的一个优选方案为:如图2 (C)所示，采用金属有机化学气相沉积法在所述的拥有光子晶体结构的衬底上依次外延生长出GaN本征层和N型导电层、InGaN/GaN量子阱发光层、P型导电层，GaN本征层和N型导电层的厚度应控制在略高于SiNx薄膜层上表面，且表面平整连续。从而制备得到位于N型导电层的光子晶体。
[0029]进行步骤三，请参阅2 Cd)所示，在步骤二所述的P型导电层上，采用纳米压印工艺，将模板图形转移到P型导电层，形成周期或准周期排列的空气柱，制备得到位于P型导电层的光子晶体。
[0030]进行步骤四，请参阅2 (e)所示，在步骤三所述LED外延片的衬底背部，采用热蒸发、磁控溅射或者离子束溅射等技术，制作金属反光层，选自于由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni等组成的金属。
[0031]本发明例举了上述优选的实施方式，但是应该说明，本领域的技术人员可以进行各种变化和改型。因此，除非这样的变化和改型偏离了本发明的思想范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高光提取效率的LED结构,其特征在于，自下而上依次包括金属反光层(6)、衬底(1)、LED外延层(2)、量子阱发光层(3)和P型导电层(4);所述衬底(I)上表面具有多个柱状凸起，每个柱状凸起的上表面与LED外延层(2)下表面之间设有SiNx薄膜层(5);所述LED外延层(2)的上表面高于SiNx薄膜层上表面。
2.根据权利要求1所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述LED外延层(2)包括外延生长在衬底(I)上的GaN本征层和设置在GaN本征层上的N型导电层；所述N型导电层的上表面高于SiNx薄膜层上表面。
3.根据权利要求2所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述GaN本征层厚度为I μ π-2 μ m ;所述N型导电层的厚度为2 μ π-3 μ m。
4.根据权利要求1所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述柱状凸起的高度
2μ m~5 μ m。
5.根据权利要求1所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述SiNx薄膜层(5)厚度为0.2 μ m~0.5 μ m。
6.根据权利要求1飞之一所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述金属反光层(6)由Al、Au、Ag、T1、Pt和Ni中的一种制成。
7.根据权利要求f5之一所述的高光提取效率的LED结构，其特征在于，所述衬底(I)由A1203、SiC和Si的一种材料制成。
8.—种如权利要求1-7之一所述高光提取效率的LED结构的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: 1)在平面衬底(I)上表面沉积SiNx薄膜层(5); 2)刻蚀平面衬底(I)和SiNx薄膜层(5)，使平面衬底(I)上部形成多个柱状凸起，SiNx薄膜层(5)位于各柱状凸起的上表面，将模版图形转移至衬底(I)与SiNx薄膜层(5)上形成图形衬底； 3)在图形衬底上依次外延生长出LED外延层(2)、量子阱发光层(3)和P型导电层(4);所述LED外延层(2)与图形衬底组成光子晶体； 4)在P型导电层(4)制作顶部光子晶体结构； 5)在衬底(I)下表面制作背部金属反光层(6)。
9.根据权利要求8所述高光提取效率的LED结构的制备方法，其特征在于，所述在平面衬底(I)上表面沉积SiNx薄膜层(5)采用化学气相沉积法、离子束溅射法或者磁控溅射法；利用图形转移技术和刻蚀技术将模版图形转移至衬底(I)与SiNx薄膜层(5)上；采用金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或氢化物气相外延法，在图形衬底(I)上外延生长出LED外延层(2)、量子阱发光层(3)和P型导电层(4);利用图形转移技术和刻蚀技术，在P型导电层(4)制作顶部光子晶体结构；采用热蒸发技术、磁控溅射技术或者离子束溅射技术，在衬底下表面制作背部金属反光层。
10.根据权利要求8所述高光提取效率的LED结构的制备方法，其特征在于，所述图形转移技术为纳米压印或光刻。
【文档编号】H01L33/60GK103730546SQ201310733998
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】韩云鑫, 魏唯, 陈峰武, 巩小亮 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所