具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管和制备方法，其中氮化镓二极管包括蓝宝石底衬、u-GaN层、n-GaN层、有源发光层和p-GaN层；其中蓝宝石底衬的上表面设置有若干图形，所有图形周期性排列分布；在蓝宝石底衬上面每个图形对应处均设有一个向下凹陷的凹孔洞，该凹孔洞使蓝宝石底衬上面与u-GaN层的下表面之间形成空气空隙。同时本发明的方法是用ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀蓝宝石底衬上面对应的图形处，使图形对应处向下凹陷形成凹孔洞；并且让GaN外延生长，形成的GaN层与蓝宝石底衬之间形成空气空隙。因此本发明有源发光层发出的光线被空气空隙反射回去，减少了进入蓝宝石底衬的光线，从而增强了氮化镓二极管的发光强度。
【专利说明】具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电子【技术领域】，涉及材料科学与半导体发光器件，尤其涉及一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓二极管(GaN)属于发光二极管中的一种，该氮化镓二极管发绿光可用于高亮度蓝色和绿色发光管，发光强度是其重要的参数。
[0003]现有的氮化镓二极管的结构包括从下至上依次设置的蓝宝石底衬、U-GaN层、n-GaN层、有源发光层和p-GaN层。其中蓝宝石底衬采用PSS衬底方式，其中PSS (为Patterned Sapphire Substrate的英文缩写)衬底是运用PSS图形化衬底来生长外延片，也是业内公认的提升亮度最有效最直接的方法，更是大功率高亮度外延片的不二选择。PSS衬底主要通过在衬底面上刻蚀出规则排列的圆锥体来实现光在衬底内的多次反射，从而达到芯片外部光的萃取效率的提升。PSS衬底是一种广泛应用于异质生长的GaN基LED外延的衬底。该PSS衬底中GaN的生长是由纵向外延转为横向外延，在一定程度上减低了 GaN生长的位错，从而提高了 GaN的外延质量，也减少了有源发光层非辐射复合，提高了内量子效率；同时有源发光层发出的光在PSS底衬和U-GaN层之间被具有结构形状的图形反射和散射，从而增加了出光的几率，提高了光的萃取效率。
[0004]由上述可知，PSS底衬结构使得GaN基LED的器件亮度在一定程度上得到提高，但是其亮度并未达到最优化。理由为:氮化镓二极管结构中，U-GaN层的GaN半导体材料折射率约为2.44，蓝宝石底衬的蓝宝石的材料折射率约为1.76，空气的折射率约为1.00029，显而易见折射率各不相同。由全反射定律得知，光线从GaN半导体进入到蓝宝石中时全反射角的临界值为46.2°，光线从GaN半导体进入到空气中时全反射角的临界值为23.6°，可见上述现有的氮化镓二极管的结构仍旧有很大一部分光进入蓝宝石底衬内，从而造成了光的损耗，非常不利于最大化的提闻GaN基LED器件的売度。
【发明内容】
[0005]本发明的第一目的在于提供一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，该氮化镓二极管的光大部分直接被GaN层和空气空隙层界面直接反射，减少了进入蓝宝石衬底的光线，从而减少了光的在蓝宝石层不断反射损耗，进而增强了二极管的出光强度。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管包括从下至上依次设置的蓝宝石底衬、U-GaN层、n-GaN层、有源发光层和ρ-GaN层，所述蓝宝石底衬的上表面设置有若干图形，所有所述图形周期性排列分布；在所述蓝宝石底衬上面每个所述图形对应处均设有一个向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述蓝宝石底衬与所述U-GaN层的下表面之间形成空气空隙。
[0007]优选方式为，每个所述凹孔洞的深度与宽度之比大于0.5。
[0008]优选方式为，每个所述凹孔洞均为柱形或锥形状结构。
[0009]优选方式为，所述空气空隙为气孔结构。
[0010]优选方式为，所述凹孔洞按照周期0.5-10微米排列设置，相邻两个所述凹孔洞之间的间隙为1-9.5微米。
[0011]优选方式为，所述U-GaN层采用MOCVD工艺从下至上依次长成缓冲层和未掺杂的
GaN 层。
[0012]本发明的第二目的在于提供一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的制备方法，该制备方法使GaN层和蓝宝石底衬之间具有空气空隙，该空气空隙能够将光发射回去，减少进入蓝宝石底衬的光线，从而增强了二极管的发光强度。
[0013]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的制备方法，包括以下步骤:
a、制备图形:在所述蓝宝石底衬的上表面积一层掩膜层，通过设计光刻掩膜，制备出具有周期规则排列分布的若干所述图形；
b、制备凹孔洞:在所述蓝宝石底衬上面每个所述图形对应处，用ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀，使每个图形对应处在蓝宝石上面向下凹陷形成凹孔洞，使所述蓝宝石底衬的上制备出按周期性排布的若干所述凹孔洞；
C、清洗:将所述蓝宝石底衬的上表面多余的掩膜材料清洗干净除去；
d、GaN外延生长:采用MOCVD工艺控制GaN外延生长，使其依次生长成低温缓冲层和未掺杂的GaN层，所述U-GaN层优先生长在所述蓝宝石底衬上未设有所述凹孔洞的裸露处；
e、形成空气空隙:所述未掺杂的GaN层在横向生长时，间隔会逐渐在对应的所述凹孔洞的顶端连接愈合，使所述U-GaN层和所述蓝宝石底衬上表面之间形成若干锥形封闭的空气空隙；
f、形成氮化镓二极管:所述U-GaN层愈合后继续向上生长成n-GaN层、有源发光层，p-GaN 层。
[0014]优选方式为，每个所述凹孔洞的深度与宽度之比大于0.5 ;所述步骤b中，刻蚀出的每个所述凹孔洞具有一定深度/宽度比>0.5。
[0015]优选方式为，每个所述凹孔洞均为柱形或倒锥形状结构；所述步骤b中，通过ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀，制备出柱形或倒锥形状的所述凹孔洞。
[0016]采用上述技术方案后，本发明的有益效果是:由于本发明的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，包括从下至上依次设置的蓝宝石底衬、U-GaN层、n-GaN层、有源发光层和P-GaN层，其中蓝宝石底衬的上表面设有周期性排列的图形，并且在每个图形对应的蓝宝石底衬上面均设有一个向下凹陷的凹孔洞，所有凹孔洞使蓝宝石底衬与与GaN外延层之间形成封闭的空气空隙。因此本发明有源发光层发出的光线，能够直接在GaN层和空气空隙界面之间被反射，从而减少了光在蓝宝石衬底内部的反射损耗，增强了本发明的发光强度。而且本发明可通过调整空气空隙的大小及周期排列规则，使光线在GaN层和空气空隙界面之间直接反射后形成干涉波，来增强本发明的出光强度，提高发光二极管的亮度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的结构示意图；
图2是本发明的蓝宝石底衬和凹孔洞的结构示意图； 图3是本发明的蓝宝石底衬上表面的凹孔洞以及U-GaN外延生长处于间隔状态的结构示意图；
图4是本发明的蓝宝石底衬上表面的凹孔洞以及U-GaN外延生长处于愈合状态的结构示意图；
图中:1 一蓝宝石底衬、2—有源发光层、3—凹孔洞、4一气孔结构、U-GaN一缓冲层与非掺杂氮化镓层、n-GaN—η型氮化镓层、p_GaN—p型氮化镓层。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]如图1、图2、图3和图4所示，一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，包括从下至上依次设置的蓝宝石底衬1、U-GaN层、有源发光层2、n-GaN层和p-GaN层。
[0020]本发明的蓝宝石底衬I的上表面设有若干图形，所有图形按照周期0.5-10微米排列设置，相邻两个图形之间的间隙为1-9.5微米。
[0021]本发明蓝宝石底衬I上表面的图形对应处，通过ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀而向下凹陷形成了凹孔洞3。并且向下凹陷形成柱形或锥形状结构的凹孔洞3，每个凹孔洞3的深度与宽度之比大于0.5 ;所有凹孔洞3按照周期0.5-10微米排列设置，相邻两个凹孔洞3之间的间隙为1-9.5微米。
[0022]本发明的所有凹孔洞3使蓝宝石底衬I与U-GaN层的下表面之间形成空气空隙，该空气空隙为气孔结构4。
[0023]本发明的采用以下步骤制备:
a、制备图形:在蓝宝石底衬的上表面积一层掩膜层，通过设计光刻掩膜，制备出具有周期规则排列分布的若干图形；
b、制备凹孔洞:在所宝石底衬上面每个图形对应处，用ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀，使每个图形对应处在蓝宝石上面向下凹陷形成柱形或倒锥形状的凹孔洞，并且刻蚀出的每个凹孔洞具有一定深度/宽度比>0.5使蓝宝石；蓝宝石底衬上制备出的所有凹孔洞按照周期0.5-10微米排列设置，相邻两个凹孔洞3之间的间隙为1-9.5微米；
C、清洗:将蓝宝石底衬的上表面多余的掩膜材料清洗干净除去；
d、GaN外延生长:采用MOCVD工艺控制GaN外延生长，使其依次生长成低温缓冲层和未掺杂的GaN层，该U-GaN层生长在蓝宝石底衬上未设有凹孔洞的裸露处；
e、形成空气空隙:未掺杂的GaN层在横向生长时，间隔会逐渐在对应的所凹孔洞的顶端连接愈合，使U-GaN层和蓝宝石底衬上表面之间形成若干锥形封闭的空气空隙，该空气空隙为气孔结构；
f、形成氮化镓二极管:所述U-GaN层愈合后继续向上生长成n-GaN层、有源发光层，p-GaN 层。
[0024]本实施例方法制备的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，有源发光层2发出的光线，能够直接在GaN层和空气空隙界面之间被反射，从而减少了光在蓝宝石衬底I内部的反射损耗，增强了本发明的发光强度。而且本发明可通过调整空气空隙的大小及周期排列规则，使光线在GaN层和空气空隙界面之间直接反射后形成干涉波，来增强本发明的出光强度。
[0025]现有技术中U-GaN层为缓冲层与未掺杂GaN层简称、n_GaN为η型氮化镓层简称，P-GaN为P型氮化镓层简称，缓冲层为氮化铝缓冲层，MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor DePosit1n)的英文缩写。外延生长为在单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。
[0026]以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管结构的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，包括从下至上依次设置的蓝宝石底衬、U-GaN层、n-GaN层、有源发光层和p_GaN层，其特征在于，所述蓝宝石底衬的上表面设置有若干图形，所有所述图形周期性排列分布；在所述蓝宝石底衬上面每个所述图形对应处均设有一个向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述蓝宝石底衬与所述U-GaN层的下表面之间形成空气空隙。
2.根据权利要求1所述具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，其特征在于，每个所述凹孔洞的深度与宽度之比大于0.5。
3.根据权利要求2所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，其特征在于，每个所述凹孔洞均为柱形或倒锥形状结构。
4.根据权利要求3所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，其特征在于，所述空气空隙为气孔结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，其特征在于，所述凹孔洞按照周期0.5-10微米排列设置，相邻两个所述凹孔洞之间的间隙为1-9.5微米。
6.根据权利要求4所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管，其特征在于，所述U-GaN层采用MOCVD工艺从下至上依次长成缓冲层和未掺杂的GaN层。
7.—种权利要求1所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a、制备图形:在所述蓝宝石底衬的上表面积一层掩膜层，通过设计光刻掩膜，制备出具有周期规则排列分布的若干所述图形； b、制备凹孔洞:在所述蓝宝石底衬上面每个所述图形对应处，用ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀，使每个图形处在蓝宝石上面向下凹陷形成凹孔洞，使所述蓝宝石底衬的上制备出按周期性排布的若干所述凹孔洞； C、清洗:将所述蓝宝石底衬的上表面多余的掩膜材料清洗干净除去； d、GaN外延生长:采用MOCVD工艺控制GaN外延生长，使其依次生长成低温缓冲层和未掺杂的GaN层，所述U-GaN层优先生长在所述蓝宝石底衬上未设有所述凹孔洞的裸露处； e、形成空气空隙:所述未掺杂的GaN层在横向生长时，间隔会逐渐在对应的所述凹孔洞的顶端连接愈合，使所述U-GaN层和所述蓝宝石底衬上表面之间形成若干锥形封闭的空气空隙； f、形成氮化镓二极管:所述U-GaN层愈合后继续向上生长成n-GaN层、有源发光层，P-GaN 层。
8.根据权利要求7所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的制备方法，其特征在于，每个所述凹孔洞的深度与宽度之比大于0.5 ;所述步骤b中，刻蚀出的每个所述凹孔洞具有一定深度/宽度比>0.5。
9.根据权利要求8所述的具有嵌入式空气空隙的氮化镓二极管的制备方法，其特征在于，每个所述凹孔洞均为柱形或倒锥形状结构；所述步骤b中，通过ICP刻蚀或高温混合酸溶液湿法腐蚀，制备出柱形或倒锥形状的所述凹孔洞。
【文档编号】H01L33/20GK104269481SQ201410557870
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】许南发, 郭文平, 郭明灿 申请人:山东元旭光电有限公司