一種光子晶體結構GaN基LED的制作方法

專利名稱：一種光子晶體結構GaN基LED的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以光子晶體作為出光表面的光子晶體GaN基LED(發光二極管)， 屬于光電子技術領域。
背景技術：
半導體發光二極管(LED)自發明以來在LED指示燈、LED交通信號燈、LED顯示屏 等方面獲得了廣泛的應用。最近，隨著半導體技術的發展，LED的效率在不斷提高。雖然如 此，在電光轉換效率方面還有必要做更多改進。因為制備發光二極管的半導體材料與空氣 的折射率相差比較大，因全反射和斯涅爾損耗導致光的出射角度小且界面反射率高。鑒于 GaN(n " 2. 5)和空氣的折射率，光逃逸錐面的臨界角大約為23° 。逃逸錐面之外的光因全 反射被襯底或活性層或電極重復反射或者吸收。因此，減少全反射，增大逃逸光錐的臨界 角，成為提高提取效率的有效手段。通過LED表面的表面織構化，可以抑制內部光的反射并 使光向上散射。 光子晶體是由不同折射率的電介質材料周期性排列而形成的人造晶體。美國專利 第5， 955， 749號報導了一種周期性排列的圓柱狀通道結構的光子晶體LED,該LED利用光 子晶體可改變光在外延層的傳播行為。美國專利早期公開案US2003/0141507A1中公開了 一種利用光子晶體結構的發光二極管，并提出了光子晶體結構發光二極管的制作方法。此 外，利用光子晶體特有的光子能帶結構，將在LED中傳播的導模轉化為輻射模來增加發光 二極管的引出效率，在近幾年也有很多報導，如Jonathan J. Wierer等人的"高引出效率的 III族N化物光子晶體發光二極管"，自然光子學，第3巻，第163-169頁(2009年)，Alexei A. Erchak等人的"在半導體發光二極管中利用二維光子晶體增強耦合的垂直發射"，應用物 理快報，第78巻，第563-565頁(2001年)，Chia-Hung Hou等人的"用單層微球制作的二 維孔陣列增加發光二極管的光輸出"，應用物理快報，第95巻，第133105-133107頁(2009 年)。 可見，光子晶體對LED出光效率的提高有很大的作用，但由于光子晶體的加工工 藝通常涉及干法刻蝕外延層，這就可能會對有源區造成損傷，從而降低了出光。中國專利文 獻CN100524865C公開了一種《制作光子晶體結構GaN基發光二極管的方法》，提出了在氧 化銦錫(ITO)透明導電薄膜上制作光子晶體，包括在襯底上依次外延N-GaN層、有源層和 P-GaN層，形成GaN基LED的材料結構；在GaN基LED的材料結構上的P_GaN層上生長ITO 層；在ITO層上淀積一層Si02掩蔽層；腐蝕掉部分Si02掩蔽層，暴露需要刻蝕的ITO層； 刻蝕暴露出的ITO層，形成GaN基LED的臺面結構；去除剩余的Si02掩蔽層；在ITO層上 光刻并制作出二維光子晶體結構；在GaN基LED的臺面結構上用光刻和電子束蒸發制作出 N-GaN電極；對N-GaN電極進行合金化處理；最后在ITO層和N-GaN電極上，采用光刻和電 子束蒸發的方法制作加厚電極，完成器件的制作。但是氧化銦錫薄膜的濕法腐蝕難以控制， 而干法腐蝕難以進行。這就為光子晶體結構的制備提出了新的挑戰。

發明內容
本發明針對現有制作光子晶體結構工藝中存在的缺陷和不足，提供一種成本低、
工藝簡單、適合規模化生產的光子晶體結構GaN基LED的制作方法。 本發明的光子晶體結構GaN基LED的制作方法，包括以下步驟 (1)利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的方法在襯底(對藍光GaN基LED襯底
為藍寶石或SiC材料)上依次外延生長N-GaN層、多量子阱有源區和P-GaN層，形成GaN基
LED的材料外延結構； (2)在步驟(1)生長的P-GaN外延層上生長沉積ITO(氧化銦錫)薄膜層，作為P 型透明導電層； (3)將氧化銦錫的靶材(ITO)溶于鹽酸溶液作為ITO的前驅體，然后用水稀釋至合 適的濃度，其中ITO前驅體溶液的質量百分濃度為1% —10% ; (4)在生長沉積了 ITO薄膜的外延片上鋪一層單層的PS(聚苯乙烯)球，然后在 PS球單層膜和ITO層之間的空隙填充稀釋后的ITO的前驅體溶液； (5)將帶ITO前驅體溶液的外延片置于烘箱中，12(TC干燥1小時，然后轉移到馬弗 爐中，升溫至50(TC，煅燒30分鐘，自然降至室溫； (6)經光刻、腐蝕ITO和ICP(電感耦合等離子體)干法刻蝕，使N-GaN層暴露；
(7)分別在ITO光子晶體層和暴露的N-GaN上制作出P電極和N電極，再進行合金 化； (8)將襯底減薄，解理后形成單個芯片，完成器件的制作。所述步驟(4)中PS球的直徑可根據需要調控，從lOOnm到lOOOnm不等。 所述步驟(6)中ICP干法刻蝕采用的刻蝕氣體可為氬氣、三氯化硼和氯氣。 所述步驟(7)中P、 N金屬電極的材料為Cr和Au。 所述步驟(8)中襯底減薄至100微米左右。 本發明引入了自下而上組裝的方法制作非入侵式的光子晶體結構，使用聚苯乙烯 (PS)球排列的單層膜作為模板，經ITO前軀體填充球之間的空隙，再通過干燥使前軀體固 化。然后經煅燒去除PS球，同時ITO前驅體分解并氧化生成ITO，從而得到周期排列的碗裝 結構ITO的光子晶體。IT0薄膜層易于控制，制備的LED出光率能提高50X左右，具有成本 低、工藝簡單的特點，適合規模化生產。


圖1是本發明的操作步驟流程圖。
圖2是本發明制作步驟的圖解示意圖。 圖3是本發明制作的光子晶體LED表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖4是本發明制作的光子晶體LED與正常工藝LED的電流-亮度曲線對比。
其中l、襯底，2、N-GaN層，3、多量子阱有源區，4、P-GaN層，5、IT0薄膜層，6、PS球 單層膜，7、IT0前驅體，8、IT0的碗狀周期排列結構(光子晶體)，9、P電極，10、N電極。
具體實施方式

實施例1
如圖1和圖2所示，本發明利用PS球作模板進行光子晶體結構GaN基LED的制作 方法，具體包括如下步驟 (1)首先按常規GaN基LED外延生長方法利用金屬有機化學氣相沉積的方法在襯 底1上依次外延生長N型GaN層2、多量子阱有源區3和P型GaN層4，形成外延片。然后 用電子束蒸鍍的方法沉積一層IT0薄膜層5。其中的襯底為藍寶石或SiC材料。本實施例 的襯底1為藍寶石襯底。參見圖2中的(a)圖。 (2)將ITO靶材溶于鹽酸作為ITO的前驅體溶液，然后用水稀釋至合適的濃度。本 實施例中稀釋后的ITO前驅體溶液的質量百分濃度為3%。 (3)在沉積有ITO薄膜的外延片上鋪設一層由PS球緊密排布組成的PS球單層膜 6。本實施例中PS球的直徑為1000nm。參見圖2中的(b)圖。 (4)在ITO薄膜5和PS球單層膜6之間的空隙填充ITO的前驅體溶液7。將其置 于12(TC的烘箱中干燥1小時。參見圖2中的(c)圖。 (5)將干燥后的樣品轉移到馬弗爐中，升溫至50(TC并保持30分鐘。經過高溫反 應后，ITO的前驅體7會轉變成ITO的碗狀周期排列結構8，即光子晶體結構。在高溫下PS 球也會與空氣反應，分解為(A而除去，最后形成圖2中的(d)圖結構。
(6)通過光刻和腐蝕ITO，再經過ICP干法刻蝕，使N-GaN層暴露出來。然后在光 子晶體和N-GaN層上采用電子束蒸發制作P電極9和N電極10，最后進行合金化處理。干 法刻蝕采用的刻蝕氣體為氬氣、三氯化硼和氯氣。P電極9的材料為金屬Cr， N電極10的 材料為Au。最后形成的如圖2中(e)所示的光子晶體LED的結構。光子晶體LED發光區的 表面形貌如圖3所示。 (7)最后，再按常規LED制作方法將襯底1的藍寶石減薄至100微米左右并進行拋 光，然后將制作完成的器件解理，即可形成單個光子晶體LED芯片。 參見圖4，與正常工藝制備的LED芯片相比，采用1微米PS球作為模板制作的光子 晶體LED的出光能提高50%左右。
實施例2 本實施例與實施例1的不同在于步驟(3)中是采用直徑為700nm的PS球作為模 板，步驟(2)中用水稀釋后的ITO前驅體溶液的質量百分濃度為1%。
實施例3 本實施例與實施例1的不同在于步驟(3)中是采用直徑為400nm的PS球作為模 板，步驟(2)中用水稀釋后的ITO前驅體溶液的質量百分濃度為6%。
實施例4 本實施例與實施例1的不同在于步驟(3)中是采用直徑為lOOnm的PS球作為模 板，步驟(2)中用水稀釋后的ITO前驅體溶液的質量百分濃度為10%。
權利要求
一種光子晶體結構GaN基LED的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)利用金屬有機化學氣相沉積的方法在襯底上依次外延生長N-GaN層、多量子阱有源區和P-GaN層，形成GaN基LED的材料外延結構；(2)在步驟(1)生長的P-GaN外延層上生長沉積ITO薄膜層，作為P型透明導電層；(3)將ITO的靶材溶于鹽酸溶液作為ITO的前驅體，然后用水稀釋至合適的濃度，其中ITO前驅體溶液的質量百分濃度為1％--10％；(4)在生長沉積了ITO薄膜的外延片上鋪一層單層的PS球，然后在PS球單層膜和ITO層之間的空隙填充稀釋后的ITO的前驅體溶液；(5)將帶ITO前驅體溶液的外延片置于烘箱中，120℃干燥1小時，然后轉移到馬弗爐中，升溫至500℃，煅燒30分鐘，自然降至室溫；(6)經光刻、腐蝕ITO和ICP干法刻蝕，使N-GaN層暴露；(7)分別在ITO光子晶體層和暴露的N-GaN上制作出P電極和N電極，再進行合金化；(8)將襯底減薄，解理后形成單個芯片，完成器件的制作。
2. 根據權利要求1所述的光子晶體結構GaN基LED的制作方法，其特征在于，所述步驟 (4)中PS球的直徑為lOOnm—1000nm。
全文摘要
本發明公開了一種光子晶體結構GaN基LED的制作方法，包括以下步驟(1)在襯底上依次外延生長N-GaN層、多量子阱有源區和P-GaN層；(2)在P-GaN外延層上生長沉積ITO薄膜層；(3)將ITO靶材溶于鹽酸溶液并稀釋至合適濃度作為ITO的前驅體；(4)在生長沉積了ITO薄膜的外延片上鋪一層單層的PS球，然后在PS球單層膜和ITO層之間的空隙填充ITO的前驅體溶液；(5)將帶ITO前驅體溶液的外延片120℃干燥1小時，在500℃煅燒30分鐘，自然降至室溫；(6)經光刻、腐蝕ITO和ICP干法刻蝕，使N-GaN層暴露；(7)制作出P電極和N電極；(8)將襯底減薄，解理后形成單個芯片。本發明制備的LED出光率能提高50％左右，具有成本低、工藝簡單的特點，適合規模化生產。
文檔編號H01L33/44GK101740704SQ20091025602
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者吳擁中, 夏偉, 鞏海波, 徐現剛, 郝霄鵬 申請人:山東大學