具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其中氮化鎵二極管包括藍(lán)寶石底襯、u-GaN層、n-GaN層、有源發(fā)光層和p-GaN層；其中藍(lán)寶石底襯的上表面設(shè)置有若干圖形，所有圖形周期性排列分布；在藍(lán)寶石底襯上面每個圖形對應(yīng)處均設(shè)有一個向下凹陷的凹孔洞，該凹孔洞使藍(lán)寶石底襯上面與u-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。因此本實用新型有源發(fā)光層發(fā)出的光線被空氣空隙反射回去，減少了進(jìn)入藍(lán)寶石底襯的光線，從而增強(qiáng)了氮化鎵二極管的發(fā)光強(qiáng)度。
【專利說明】具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及材料科學(xué)與半導(dǎo)體發(fā)光器件，尤其涉及一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管。

【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵二極管(GaN)屬于發(fā)光二極管中的一種，該氮化鎵二極管發(fā)綠光可用于高亮度藍(lán)色和綠色發(fā)光管，發(fā)光強(qiáng)度是其重要的參數(shù)。
[0003]現(xiàn)有的氮化鎵二極管的結(jié)構(gòu)包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發(fā)光層和p-GaN層。其中藍(lán)寶石底襯采用PSS襯底方式，其中PSS (為Patterned Sapphire Substrate的英文縮寫)襯底是運(yùn)用PSS圖形化襯底來生長外延片，也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)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選擇。PSS襯底主要通過在襯底面上刻蝕出規(guī)則排列的圓錐體來實現(xiàn)光在襯底內(nèi)的多次反射，從而達(dá)到芯片外部光的萃取效率的提升。PSS襯底是一種廣泛應(yīng)用于異質(zhì)生長的GaN基LED外延的襯底。該P(yáng)SS襯底中GaN的生長是由縱向外延轉(zhuǎn)為橫向外延，在一定程度上減低了 GaN生長的位錯，從而提高了 GaN的外延質(zhì)量，也減少了有源發(fā)光層非輻射復(fù)合，提高了內(nèi)量子效率；同時有源發(fā)光層發(fā)出的光在PSS底襯和U-GaN層之間被具有結(jié)構(gòu)形狀的圖形反射和散射，從而增加了出光的幾率，提高了光的萃取效率。
[0004]由上述可知，PSS底襯結(jié)構(gòu)使得GaN基LED的器件亮度在一定程度上得到提高，但是其亮度并未達(dá)到最優(yōu)化。理由為:氮化鎵二極管結(jié)構(gòu)中，U-GaN層的GaN半導(dǎo)體材料折射率約為2.44，藍(lán)寶石底襯的藍(lán)寶石的材料折射率約為1.76，空氣的折射率約為1.00029，顯而易見折射率各不相同。由全反射定律得知，光線從GaN半導(dǎo)體進(jìn)入到藍(lán)寶石中時全反射角的臨界值為46.2°，光線從GaN半導(dǎo)體進(jìn)入到空氣中時全反射角的臨界值為23.6°，可見上述現(xiàn)有的氮化鎵二極管的結(jié)構(gòu)仍舊有很大一部分光進(jìn)入藍(lán)寶石底襯內(nèi)，從而造成了光的損耗，非常不利于最大化的提聞GaN基LED器件的売度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，該氮化鎵二極管的光大部分直接被GaN層和空氣空隙層界面直接反射，減少了進(jìn)入藍(lán)寶石襯底的光線，從而減少了光的在藍(lán)寶石層不斷反射損耗，進(jìn)而增強(qiáng)了二極管的出光強(qiáng)度。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是:一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發(fā)光層和p_GaN層，所述藍(lán)寶石底襯的上表面設(shè)置有若干圖形，所有所述圖形周期性排列分布；在所述藍(lán)寶石底襯上面每個所述圖形對應(yīng)處均設(shè)有一個向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述藍(lán)寶石底襯與所述U-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。。
[0007]優(yōu)選方式為，每個所述凹孔洞的深度與寬度之比大于0.5。
[0008]優(yōu)選方式為，每個所述凹孔洞均為柱形或錐形狀結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選方式為，所述空氣空隙為氣孔結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選方式為，所述凹孔洞按照周期0.5-10微米排列設(shè)置，相鄰兩個所述凹孔洞之間的間隙為1-9.5微米。
[0011]優(yōu)選方式為，所述U-GaN層采用MOCVD工藝從下至上依次長成緩沖層和未摻雜的
GaN 層。
[0012]采用上述技術(shù)方案后，本實用新型的有益效果是:由于本實用新型的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發(fā)光層和P-GaN層，其中藍(lán)寶石底襯的上表面設(shè)有周期性排列的圖形，并且在每個圖形對應(yīng)的藍(lán)寶石底襯上面均設(shè)有一個向下凹陷的凹孔洞，所有凹孔洞使藍(lán)寶石底襯與與GaN外延層之間形成封閉的空氣空隙。因此本實用新型有源發(fā)光層發(fā)出的光線，能夠直接在GaN層和空氣空隙界面之間被反射，從而減少了光在藍(lán)寶石襯底內(nèi)部的反射損耗，增強(qiáng)了本實用新型的發(fā)光強(qiáng)度。而且本實用新型可通過調(diào)整空氣空隙的大小及周期排列規(guī)則，使光線在GaN層和空氣空隙界面之間直接反射后形成干涉波，來增強(qiáng)本實用新型的出光強(qiáng)度，提高發(fā)光二極管的亮度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本實用新型的藍(lán)寶石底襯和凹孔洞的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本實用新型的藍(lán)寶石底襯上表面的凹孔洞以及U-GaN外延生長處于間隔狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4是本實用新型的藍(lán)寶石底襯上表面的凹孔洞以及U-GaN外延生長處于愈合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖中:1 一藍(lán)寶石底襯、2—有源發(fā)光層、3—凹孔洞、4一氣孔結(jié)構(gòu)、U-GaN —緩沖層與非摻雜氮化鎵層、n-GaN—η型氮化鎵層、p_GaN—p型氮化鎵層。

【具體實施方式】
[0018]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0019]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石底襯1、U-GaN層、有源發(fā)光層2、n-GaN層和ρ-GaN層。
[0020]本實用新型的藍(lán)寶石底襯I的上表面設(shè)有若干圖形，所有圖形按照周期0.5-10微米排列設(shè)置，相鄰兩個圖形之間的間隙為1-9.5微米。
[0021]本實用新型藍(lán)寶石底襯I上表面的圖形對應(yīng)處，通過ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕而向下凹陷形成了凹孔洞3。并且向下凹陷形成柱形或錐形狀結(jié)構(gòu)的凹孔洞3，每個凹孔洞3的深度與寬度之比大于0.5 ;所有凹孔洞3按照周期0.5-10微米排列設(shè)置，相鄰兩個凹孔洞3之間的間隙為1-9.5微米。
[0022]本實用新型的所有凹孔洞3使藍(lán)寶石底襯I與U-GaN層的下表面之間形成空氣空隙，該空氣空隙為氣孔結(jié)構(gòu)4。
[0023]本實用新型的采用以下步驟制備:
[0024]a、制備圖形:在藍(lán)寶石底襯的上表面積一層掩膜層，通過設(shè)計光刻掩膜，制備出具有周期規(guī)則排列分布的若干圖形；
[0025]b、制備凹孔洞:在所寶石底襯上面每個圖形對應(yīng)處，用ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，使每個圖形對應(yīng)處在藍(lán)寶石上面向下凹陷形成柱形或倒錐形狀的凹孔洞，并且刻蝕出的每個凹孔洞具有一定深度/寬度比>0.5使藍(lán)寶石；藍(lán)寶石底襯上制備出的所有凹孔洞按照周期0.5-10微米排列設(shè)置，相鄰兩個凹孔洞3之間的間隙為1-9.5微米；
[0026]C、清洗:將藍(lán)寶石底襯的上表面多余的掩膜材料清洗干凈除去；
[0027]d、GaN外延生長:采用MOCVD工藝控制GaN外延生長，使其依次生長成低溫緩沖層和未摻雜的GaN層，該U-GaN層生長在藍(lán)寶石底襯上未設(shè)有凹孔洞的裸露處；
[0028]e、形成空氣空隙:未摻雜的GaN層在橫向生長時，間隔會逐漸在對應(yīng)的所凹孔洞的頂端連接愈合，使U-GaN層和藍(lán)寶石底襯上表面之間形成若干錐形封閉的空氣空隙，該空氣空隙為氣孔結(jié)構(gòu)；
[0029]f、形成氮化鎵二極管:所述U-GaN層愈合后繼續(xù)向上生長成n-GaN層、有源發(fā)光層，P-GaN 層。
[0030]本實施例方法制備的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，有源發(fā)光層2發(fā)出的光線，能夠直接在GaN層和空氣空隙界面之間被反射，從而減少了光在藍(lán)寶石襯底I內(nèi)部的反射損耗，增強(qiáng)了本實用新型的發(fā)光強(qiáng)度。而且本實用新型可通過調(diào)整空氣空隙的大小及周期排列規(guī)則，使光線在GaN層和空氣空隙界面之間直接反射后形成干涉波，來增強(qiáng)本實用新型的出光強(qiáng)度。
[0031]現(xiàn)有技術(shù)中U-GaN層為緩沖層與未摻雜GaN層簡稱、n_GaN為η型氮化鎵層簡稱，P-GaN為P型氮化鎵層簡稱，緩沖層為氮化鋁緩沖層，MOCVD是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(Metal-organic Chemical Vapor DePosit1n)的英文縮寫。外延生長為在單晶襯底(基片)上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。
[0032]以上所述本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發(fā)光層和p_GaN層，其特征在于，所述藍(lán)寶石底襯的上表面設(shè)置有若干圖形，所有所述圖形周期性排列分布；在所述藍(lán)寶石底襯上面每個所述圖形對應(yīng)處均設(shè)有一個向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述藍(lán)寶石底襯與所述U-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其特征在于，每個所述凹孔洞的深度與寬度之比大于0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其特征在于，每個所述凹孔洞均為柱形或倒錐形狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其特征在于，所述空氣空隙為氣孔結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其特征在于，所述凹孔洞按照周期0.5-10微米排列設(shè)置，相鄰兩個所述凹孔洞之間的間隙為1-9.5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管，其特征在于，所述U-GaN層采用MOCVD工藝從下至上依次長成緩沖層和未摻雜的GaN層。
【文檔編號】H01L33/20GK204102926SQ201420606126
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】許南發(fā), 郭文平, 郭明燦 申請人:山東元旭光電有限公司