專利名稱：具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是指一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED。
背景技術(shù)：
GaN基LED作為新一代照明光源，具有節(jié)能，環(huán)保等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于各種指 示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。然而由于GaN材料與封裝用環(huán)氧樹 脂，環(huán)氧樹脂和空氣間的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小(只有23. 6° )。 因為全反射原因造成大量光線無法從界面出射，而且因為上下界面平行，首次不能出射的 光線將在介質(zhì)材料中反復(fù)傳播直到光能全部被耗散成熱能。這樣首先不利于光能的利用， 另外轉(zhuǎn)化成的過多的熱能對器件的性能也有不利的影響。因為半導(dǎo)體有源區(qū)所產(chǎn)生的光只 有極少部分能通過上述二個界面逸出而被有效利用，所以GaN基LED的出光效率(光提取 效率)非常低。同時GaN基LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)可以達到非常高的水平，故提升LED的 出光效率是促進其迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素。有很多方法已經(jīng)被應(yīng)用于提高GaN基LED的出光效率，如采用表面粗化、制作LED 的納米結(jié)構(gòu)、制作光子晶體結(jié)構(gòu)以及圖形化襯底等，這些方法在一定程度上提高了器件的 出光效率。然而這些方法操作起來比較復(fù)雜，給后續(xù)的生長以及工藝制作帶來了或多或少 的問題，例如表面粗化可能會對P型造成損傷，導(dǎo)致后續(xù)的歐姆接觸難以做好，納米結(jié)構(gòu)由 于發(fā)光面積減小也會產(chǎn)生熱效應(yīng)，等等。這些都在一定程度上阻礙了器件的進一步應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其是通過插入層 引入的界面使得光線經(jīng)過多次反射和折射，改變光線的傳輸方向，從而使更多有源層發(fā)出 的光線能夠從器件表面出射，在不改變器件工藝制作的情況下，提高GaN基LED的出光效率。本發(fā)明提供一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中包括一襯底；—納米結(jié)構(gòu)模板，該納米結(jié)構(gòu)模板外延生長在襯底上，該納米結(jié)構(gòu)模板的表面為 凹凸形狀；一插入層，該插入層外延生長在納米結(jié)構(gòu)模板的表面上；一 N型歐姆接觸層，該歐姆接觸層外延生長在插入層上，該歐姆接觸層上面的一 側(cè)形成有一臺面；一有源層，該有源層外延生長在N型歐姆接觸層的臺面的另一側(cè)上；一 P型層，P型層外延生長在有源層上；一透明電極層，該透明電極層制作在P型層上；一 P壓焊電極，該壓焊電極通過光刻制作在透明電極上；一 N歐姆接觸電極，該歐姆接觸電極22制作在N型歐姆接觸層的臺面上。
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其中所述的襯底為硅、藍寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。其中凹凸表面的納米結(jié)構(gòu)模板是通過電子束曝光、全息光刻、利用兩步氧化形成的多孔氧化鋁結(jié)構(gòu)、利用金屬在退火條件下形成的自組織結(jié)構(gòu)或利用硅石納米顆粒形成的 結(jié)構(gòu)做掩膜通過干法刻蝕方法刻蝕而成，或直接利用聚焦離子束刻蝕而成。其中納米結(jié)構(gòu)模板的表面是柱狀結(jié)構(gòu)，形狀為圓柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱 體、立方棱柱、三角棱柱或者條形柱體，納米結(jié)構(gòu)模板11的高度從5nm到lym，尺寸也是從 5nm 到1 μ m。其中插入層為InxG^aN或者AlyGai_yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦的組分調(diào)節(jié)InxG^aN或 者AlyG&1_yN材料的折射率，其中，0<x≤,0<y≤l,插入層通過外延方法均勻生長在納 米結(jié)構(gòu)模板的側(cè)壁和表面，所以其為一包覆在模板上的包覆層，插入層厚度為5nm到2μπι。其中N型歐姆接觸層為N型GaN材料，其厚度為200nm到3 μ m。其中有源層為多量子阱結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為5。其中P型層為P型GaN材料，其厚度為100-500nm。


為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施方式及附圖詳細說明如后，其 中圖1具有插入層結(jié)構(gòu)的LED的出光效率與插入層折射率的關(guān)系；圖2本發(fā)明中GaN納米結(jié)構(gòu)模板以及其上外延生長的插入層結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明中具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明中具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中包括一襯底10，該襯底10為硅、藍寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料；一納米結(jié)構(gòu)模板11，該納米結(jié)構(gòu)模板11外延生長在襯底10上，該納米結(jié)構(gòu)模板 11的表面為凹凸形狀，該凹凸表面的納米結(jié)構(gòu)模板11是通過電子束曝光、全息光刻、利用 兩步氧化形成的多孔氧化鋁結(jié)構(gòu)、利用金屬在退火條件下形成的自組織結(jié)構(gòu)或利用硅石納 米顆粒形成的結(jié)構(gòu)做掩膜通過干法刻蝕方法刻蝕而成，或直接利用聚焦離子束刻蝕而成， 該其中納米結(jié)構(gòu)模板11的表面是柱狀結(jié)構(gòu)，形狀為圓柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱體、 立方棱柱、三角棱柱或者條形柱體，納米結(jié)構(gòu)模板11的高度從5nm到1 μ m,尺寸也是從5nm 到1 μ m ；一插入層12，該插入層12外延生長在納米結(jié)構(gòu)模板11的表面上，該插入層12為 InxG1^aN或者AlyGai_yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦的組分調(diào)節(jié)InxGhaN或者AlyGai_yN材料的折射 率，其中，0 <x≤l,0<y≤1，插入層12通過外延方法均勻生長在納米結(jié)構(gòu)模板11的側(cè) 壁和表面，所以其為一包覆在模板11上的包覆層，插入層厚度為5nm到2μπι ；一 N型歐姆接觸層13，該歐姆接觸層13外延生長在插入層12上，該歐姆接觸層 13上面的一側(cè)形成有一臺面131，該N型歐姆接觸層13為N型GaN材料，其厚度為200nm 至 Ij 3 μ m ；
一有源層14，該有源層14外延生長在N型歐姆接觸層13的臺面131的另一側(cè)上， 該有源層14為多量子阱結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為5 ；一 P型層15，P型層15外延生長在有源層14上，該P型層15為P型GaN材料，其 厚度為 100-500nm ；一透明電極層20，該透明電極層20制作在P型層15上；一 P壓焊電極21，該壓焊電極21通過光刻制作在透明電極20上；一 N歐姆接觸電極22，該歐姆接觸電極22制作在N型歐姆接觸層13的臺面131上。本發(fā)明提出的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED器件制備過程為如圖2所示， 以藍寶石為襯底10，在其上利用M0CVD (金屬有機物化學氣相淀積)生長出GaN層，厚度為 2 U m,然后在GaN上利用電子束曝光以及干法刻蝕的方法制作出凹凸形狀的GaN納米結(jié)構(gòu) 的模板11。模板11是插入層12后續(xù)外延生長的模板，其中凹凸形狀的納米結(jié)構(gòu)模板11的 形狀為規(guī)則的圓柱體，直徑為200nm，高度為500nm，密度為1. 66X 108cm_2。按圖2所示，在 納米結(jié)構(gòu)模板11上面外延生長Ala2Gaa8N插入層12，A1組分為0. 2。插入層12通過M0CVD 均勻生長在納米結(jié)構(gòu)模板11的側(cè)壁和表面，為一均勻的包覆層，插入層12的厚度為200nm。 這樣，通過納米結(jié)構(gòu)插入層的引入，會增加光線在傳輸過程中的反射幾率，使得原來無法出 射的光線由于多次反射有利于出射，更重要的是由于插入層引入的界面方向的改變，從而 改變了平面襯底上下表面平行造成的光線初次被界面全反射后只能在平行的兩表面間傳 播的缺點，插入層12就是將襯底10與外延層上表面的平行關(guān)系打破，使有源層發(fā)出的光線 有更多的機會出射，因而增加器件的光提取效率，最終提升GaN基LED的出光效率和器件性 能。按圖3所示，在插入層12上依次M0CVD外延生長厚度為3 y m的N型歐姆接觸層13 (材 料為 N+-GaN 電子濃度為 5X 1018cm_3)、有源層 14(5 個周期的 InQ.2GaQ.8N(3nm)/GaN(lOnm)多 量子阱結(jié)構(gòu))以及P型層15(厚度為200nm的P-GaN層，載流子濃度為5X1017cm_3)。按圖 4所示，用光刻和ICP (感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)方法從P型層15表面的一側(cè)向下刻出臺面 131結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到N型歐姆接觸層13的中間部位，然后用光刻、電子束蒸發(fā)等方法先后 作出透明電極層20(Ni/Au)以及P壓焊電極21和N歐姆接觸電極22(Ti/Al/Ti/Au)。最后 再進行減薄、切割、壓焊、封裝成GaN基LED器件。本發(fā)明通過納米結(jié)構(gòu)插入層引入的界面，使得原來無法出射的光線由于界面方向 的改變可能會利于出射，更重要的是插入層改變了平面襯底上下表面平行造成的光線初次 被界面全反射后只能在平行的兩表面間傳播的缺點，插入層就是將襯底與外延層上表面的 平行關(guān)系打破，使有源層發(fā)出的光線有更多的機會出射，因而增加器件的光提取效率，最終 提升GaN基LED的發(fā)光效率和器件性能。我們以發(fā)光波長為420納米的LED為例，對有插入層結(jié)構(gòu)的LED的出光效率與插 入層折射率的關(guān)系進行了模擬計算(固定納米結(jié)構(gòu)模板11的形狀為規(guī)則的圓柱體，直徑為 200nm，高度為500nm，密度為1. 66 X 108cnT2)，如圖1所示，可以看出，插入層的折射率(也 就是插入層中鋁或者銦的組分)對器件的出光效率有顯著的影響。在n = 2. 5時，插入層 為GaN，也就是普通結(jié)構(gòu)的LED，這時候出光效率最低，當折射率偏離2. 5時，出光效率也會 變大，當n = 2.2和n = 2. 7 (分別可以通過調(diào)節(jié)鋁和銦的組分實現(xiàn))時，出光效率可以達 到最大值。通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)模板11的形狀、高度及直徑，光提取效率還可以進一步的優(yōu)
5化。通過模擬的結(jié)果可以看出，具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED對提高光的提取效率有 顯著的作用。 以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中包括一襯底；一納米結(jié)構(gòu)模板，該納米結(jié)構(gòu)模板外延生長在襯底上，該納米結(jié)構(gòu)模板的表面為凹凸形狀；一插入層，該插入層外延生長在納米結(jié)構(gòu)模板的表面上；一N型歐姆接觸層，該歐姆接觸層外延生長在插入層上，該歐姆接觸層上面的一側(cè)形成有一臺面；一有源層，該有源層外延生長在N型歐姆接觸層的臺面的另一側(cè)上；一P型層，P型層外延生長在有源層上；一透明電極層，該透明電極層制作在P型層上；一P壓焊電極，該壓焊電極通過光刻制作在透明電極上；一N歐姆接觸電極，該歐姆接觸電極22制作在N型歐姆接觸層的臺面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中所述的襯底為硅、藍 寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中凹凸表面的納米結(jié) 構(gòu)模板是通過電子束曝光、全息光刻、利用兩步氧化形成的多孔氧化鋁結(jié)構(gòu)、利用金屬在退 火條件下形成的自組織結(jié)構(gòu)或利用硅石納米顆粒形成的結(jié)構(gòu)做掩膜通過干法刻蝕方法刻 蝕而成，或直接利用聚焦離子束刻蝕而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中納米結(jié)構(gòu)模板 的表面是柱狀結(jié)構(gòu)，形狀為圓柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱體、立方棱柱、三角棱柱或者 條形柱體，納米結(jié)構(gòu)模板11的高度從5nm到1 ii m,尺寸也是從5nm到1 y m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中插入層為Ir^GhaN 或者AlyGai_yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦的組分調(diào)節(jié)InfhaN或者AlyGai_yN材料的折射率，其中， 0<x^l,0<y^ 1，插入層通過外延方法均勻生長在納米結(jié)構(gòu)模板的側(cè)壁和表面，所以 其為一包覆在模板上的包覆層，插入層厚度為5nm到2i!m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中N型歐姆接觸層為 N型GaN材料，其厚度為200nm到3 y m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中有源層為多量子阱 結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中P型層為P型GaN 材料，其厚度為100-500nm。
全文摘要
一種具有納米結(jié)構(gòu)插入層的GaN基LED，其中包括一襯底；一納米結(jié)構(gòu)模板，該納米結(jié)構(gòu)模板外延生長在襯底上，該納米結(jié)構(gòu)模板的表面為凹凸形狀；一插入層，該插入層外延生長在納米結(jié)構(gòu)模板的表面上；一N型歐姆接觸層，該歐姆接觸層外延生長在插入層上，該歐姆接觸層上面的一側(cè)形成有一臺面；一有源層，該有源層外延生長在N型歐姆接觸層的臺面的另一側(cè)上；一P型層，P型層外延生長在有源層上；一透明電極層，該透明電極層制作在P型層上；一P壓焊電極，該壓焊電極通過光刻制作在透明電極上；一N歐姆接觸電極，該歐姆接觸電極22制作在N型歐姆接觸層的臺面上。
文檔編號H01L33/20GK101872820SQ20101018339
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者張書明, 朱建軍, 朱繼紅 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所