高出光效率的高调制发光二极管及其制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种高出光效率的高调制发光二极管及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]近年来，被誉为“绿色照明”的发光二极管(Light Emitting D1de，LED)照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光发光二极管不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。白光发光二极管一方面具有发射功率高、对人眼安全等特点；另一方面，具有反应速度快、调制性好，无电磁干扰、无需申请无线电频谱等优点。因此，利用白光发光二极管的照明，很多学者提出了基于照明用的白光发光二极管室内的可见光通信(Visible-Light Communicat1n，VLC)系统。白光发光二极管照明通信是将发光二极管照明技术和光通信技术相结合产生的一种新技术，这种通信的距离从数米到数十米，具有安全节能、通信容量大等显著特点，其作为一个全新的无线通信手段，已经引起国内外越来越多的关注。目前商用白光发光二极管的调制带宽有限，只有约3-50MHZ。这是因为白光发光二极管设计的初衷是用于照明，而并非用于通信，其结电容很大，限制了调制带宽。因此，在保证大功率输出的前提下，开发出具有更高调制带宽的发光二极管光源，将极大地促进可见光通信技术的发展。
[0003]发光二极管的调制带宽是可见光通信系统信道容量和传输速率的决定性因素，受到器件实际的调制深度、伏安特性等因素的多方面影响。传统结构的发光二极管调制特性难以满足可见光通信的高速调制特性，而构造新型结构的发光器件在未来的VLC产业中显得尤为重要。现有建立在异质结双极晶体管(Heterojunct1n Bipolar Transistor，HBT)结构基础上的新型结构的高速调制发光晶体管存在出光效率低下的缺点，虽然满足可见光通信的带宽条件，却难以满足室内照明的要求。
[0004]在发光二极管的PN结(PN junct1n)上施加正向电压时，PN结会有电流流过。电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子，由于LED的PN结作为杂质半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迀到基态时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迀，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内，于是就有一个复合载流子转换效率，并用符号Nint表示。
[0005]Nint =(复合载流子产生的光子数/复合载流子总数)X 100%
[0006]而在LED中不是所有产生的光子都能有效逸出器件，有些激发出的光子会重新被半导体吸收或者经过全反射在出光面又反射回去，于是就有一个LED光子逸出率的问题存在。可以这样来表示LED中产生的光子逸出到空气中的比率。
[0007]Nout =(逸出到空气中的光子数/PN结产生的光子总数)X 100%
[0008]发光晶体管的出光率同样可以用LED的量子效率来表征，而如何提升发光晶体管的出光率是本发明的重点。
[0009]所以，有必要提供一种改进的发光二极管以避免上述缺陷。
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【发明内容】
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[0010]为解决上述高调制发光二极管存在出光率低的技术问题，本发明提供一种高出光效率的尚调制发光一.极管。
[0011]本发明提供一种高出光效率的高调制发光二极管，包括发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括衬底、发光外延结构、集电极、基极及发射极，所述发光外延结构包括依次叠设的第一 N型半导体层、第一 P型半导体层、量子阱层、第二 P型半导体层、第二 N型半导体层及导电层，所述第一 N型半导体层叠设于所述衬底的外延生长面上，所述第一 P型半导体层包括P型铝镓氮电子阻挡层、P型铟镓氮层及夹设于所述P型铝镓氮电子阻挡层和P型铟镓氮层之间的P型接触层，所述P型铝镓氮电子阻挡层叠设于所述第一 N型半导体层上，所述量子讲层为未掺杂的In0.2Ga0.sN/ In0.05Ga0.95N/GaN量子讲层，所述集电极设于所述第一N型半导体层，所述基极设于所述P型接触层，所述发射极设于所述导电层。
[0012]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述P型铝镓氮电子阻挡层为P型Al0.15Ga0.85N电子阻挡层。
[0013]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述第一N型半导体层包括氮化镓缓冲层、氮化镓耗尽层及夹设于所述缓冲层与所述氮化镓耗尽层之间的重掺杂N型氮化镓接触层，所述缓冲层叠设于所述衬底的外延生长面上。
[0014]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述集电极设于所述重掺杂N型氮化镓接触层远离所述氮化镓缓冲层的表面。
[0015]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述第二P型半导体层为重掺镁的铟镓氮层。
[0016]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述第二N型半导体层包括叠设的N型氮化镓层及第二氮化镓接触层，所述N型氮化镓层设于所述第二 P型半导体层远离所述量子阱层的表面，所述第二氮化镓接触层为重掺杂硅的氮化镓层。
[0017]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管一较佳实施例中，所述第二氮化镓接触层靠近所述导电层的表面为具有凸起微结构的粗糙表面。
[0018]本发明同时提供一种高出光效率的高调制发光二极管的制备方法，包括:
[0019]步骤一、提供衬底，在所述衬底的外延生长面生长发光外延结构，其中所述发光外延结构包括依次叠设于所述衬底的第一 N型半导体层、第一 P型半导体层、量子阱层、第二 P型半导体层及第二 N型半导体层，所述第一 P型半导体层包括P型铝镓氮电子阻挡层、P型重掺杂的铟镓氮层及夹设于所述P型铝镓氮电子阻挡层和P型铟镓氮层之间的重掺杂P型接触层，所述P型铝镓氮电子阻挡层叠设于所述第一N型半导体层，所述量子阱层为未掺杂的In0.2Ga0.8N/InQ.Q5Ga0.95N/GaN量子阱层，所述第二 N型半导体层包括叠设的N型氮化镓层及第二氮化镓接触层；
[0020]步骤二、通过高温退火激活步骤一得到的所述发光外延结构中的所述第一P型半导体层及所述第二 P型半导体层；
[0021]步骤三、通过湿法腐蚀方法对所述第二氮化镓接触层进行粗化处理形成具有凸起微结构的粗糙表面，然后外延生长导电层得到基片；
[0022]步骤四、将所述基片通过刻蚀工艺、光刻工艺形成集电极接触台面和基极接触台面；
[0023]步骤五、将已形成集电极接触台面和基极接触台面的基片上旋涂光刻胶，曝光后露出发射极接触台面，蒸镀欧姆接触电极，在所述导电层远离所述第二 N型半导体层的表面形成发射极；
[0024]步骤六、在步骤五处理得到的基片上旋涂光刻胶，曝光后露出基极接触台面，蒸镀欧姆接触电极，在所述重掺杂P型接触层远离所述P型铝镓氮电子阻挡层的表面形成基极；
[0025]步骤七、在步骤六处理得到的基片上旋涂光刻胶，曝光后露出集电极接触台面，蒸镀欧姆接触电极，在所述第一 N型半导体层远离所述衬底的表面形成集电极。
[0026]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管的制备方法一较佳实施例中，所述步骤一采用金属有机化学气相外延沉积生长技术生长所述发光外延结构。
[0027]在本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管的制备方法一较佳实施例中，步骤四包括以下步骤:
[0028]通过刻蚀工艺、光刻工艺形成集电极接触台面:将所述基片涂覆正胶形成第一掩膜版，再将所述第一掩膜版进行第一次光刻和蚀刻工艺，以形成集电极接触台面；
[0029]通过刻蚀工艺、光刻工艺形成基极接触台面:将形成集电极接触台面后的基片涂覆正胶形成第二掩膜版，再将所述第二掩膜版进行第二次光刻和刻蚀工艺，以形成基极接触台面。
[0030]相较于现有技术，本发明提供的高出光效率的高调制发光二极管及其制备方法具有以下有益效果:
[0031]—、所述第一 P型半导体层包括P型铝镓氮电子阻挡层、P型铟镓氮层及夹设于所述P型铝镓氮电子阻挡层和P型铟镓氮层之间的P型接触层，所述量子阱层为未掺杂的In0.2GaQ.8N/InQ.()5Ga().95N/GaN量子阱层，本发明通过改善基区结构和量子阱层结构来提高器件的量子效率;在具有高调制带宽的同时，提升了所述高速调制发光二极管的出光效率。
[0032]二、本发明提供的所述高出光效率的高调制发光二极管将传统平面发光二极管结构与HBT结构相结合，对所述高出光效率的高调制发光二极管的电极通入大电流时，在量子阱有源发光区只留下快速复合发光的载流子，而没有被复合的载流子则会被BC结(