具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管和制備方法，其中氮化鎵二極管包括藍寶石底襯、u-GaN層、n-GaN層、有源發光層和p-GaN層；其中藍寶石底襯的上表面設置有若干圖形，所有圖形周期性排列分布；在藍寶石底襯上面每個圖形對應處均設有一個向下凹陷的凹孔洞，該凹孔洞使藍寶石底襯上面與u-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。同時本發明的方法是用ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕藍寶石底襯上面對應的圖形處，使圖形對應處向下凹陷形成凹孔洞；并且讓GaN外延生長，形成的GaN層與藍寶石底襯之間形成空氣空隙。因此本發明有源發光層發出的光線被空氣空隙反射回去，減少了進入藍寶石底襯的光線，從而增強了氮化鎵二極管的發光強度。
【專利說明】具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子【技術領域】，涉及材料科學與半導體發光器件，尤其涉及一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氮化鎵二極管(GaN)屬于發光二極管中的一種，該氮化鎵二極管發綠光可用于高亮度藍色和綠色發光管，發光強度是其重要的參數。
[0003]現有的氮化鎵二極管的結構包括從下至上依次設置的藍寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發光層和p-GaN層。其中藍寶石底襯采用PSS襯底方式，其中PSS (為Patterned Sapphire Substrate的英文縮寫)襯底是運用PSS圖形化襯底來生長外延片，也是業內公認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則排列的圓錐體來實現光在襯底內的多次反射，從而達到芯片外部光的萃取效率的提升。PSS襯底是一種廣泛應用于異質生長的GaN基LED外延的襯底。該PSS襯底中GaN的生長是由縱向外延轉為橫向外延，在一定程度上減低了 GaN生長的位錯，從而提高了 GaN的外延質量，也減少了有源發光層非輻射復合，提高了內量子效率；同時有源發光層發出的光在PSS底襯和U-GaN層之間被具有結構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底襯結構使得GaN基LED的器件亮度在一定程度上得到提高，但是其亮度并未達到最優化。理由為:氮化鎵二極管結構中，U-GaN層的GaN半導體材料折射率約為2.44，藍寶石底襯的藍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半導體進入到藍寶石中時全反射角的臨界值為46.2°，光線從GaN半導體進入到空氣中時全反射角的臨界值為23.6°，可見上述現有的氮化鎵二極管的結構仍舊有很大一部分光進入藍寶石底襯內，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。
【發明內容】
[0005]本發明的第一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，減少了進入藍寶石襯底的光線，從而減少了光的在藍寶石層不斷反射損耗，進而增強了二極管的出光強度。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的技術方案是: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置的藍寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發光層和ρ-GaN層，所述藍寶石底襯的上表面設置有若干圖形，所有所述圖形周期性排列分布；在所述藍寶石底襯上面每個所述圖形對應處均設有一個向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述藍寶石底襯與所述U-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。
[0007]優選方式為，每個所述凹孔洞的深度與寬度之比大于0.5。
[0008]優選方式為，每個所述凹孔洞均為柱形或錐形狀結構。
[0009]優選方式為，所述空氣空隙為氣孔結構。
[0010]優選方式為，所述凹孔洞按照周期0.5-10微米排列設置，相鄰兩個所述凹孔洞之間的間隙為1-9.5微米。
[0011]優選方式為，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]本發明的第二目的在于提供一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制備方法，該制備方法使GaN層和藍寶石底襯之間具有空氣空隙，該空氣空隙能夠將光發射回去，減少進入藍寶石底襯的光線，從而增強了二極管的發光強度。
[0013]為解決上述技術問題，本發明的技術方案是:一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制備方法，包括以下步驟:
a、制備圖形:在所述藍寶石底襯的上表面積一層掩膜層，通過設計光刻掩膜，制備出具有周期規則排列分布的若干所述圖形；
b、制備凹孔洞:在所述藍寶石底襯上面每個所述圖形對應處，用ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，使每個圖形對應處在藍寶石上面向下凹陷形成凹孔洞，使所述藍寶石底襯的上制備出按周期性排布的若干所述凹孔洞；
C、清洗:將所述藍寶石底襯的上表面多余的掩膜材料清洗干凈除去；
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，所述U-GaN層優先生長在所述藍寶石底襯上未設有所述凹孔洞的裸露處；
e、形成空氣空隙:所述未摻雜的GaN層在橫向生長時，間隔會逐漸在對應的所述凹孔洞的頂端連接愈合，使所述U-GaN層和所述藍寶石底襯上表面之間形成若干錐形封閉的空氣空隙；
f、形成氮化鎵二極管:所述U-GaN層愈合后繼續向上生長成n-GaN層、有源發光層，p-GaN 層。
[0014]優選方式為，每個所述凹孔洞的深度與寬度之比大于0.5 ;所述步驟b中，刻蝕出的每個所述凹孔洞具有一定深度/寬度比>0.5。
[0015]優選方式為，每個所述凹孔洞均為柱形或倒錐形狀結構；所述步驟b中，通過ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，制備出柱形或倒錐形狀的所述凹孔洞。
[0016]采用上述技術方案后，本發明的有益效果是:由于本發明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置的藍寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發光層和P-GaN層，其中藍寶石底襯的上表面設有周期性排列的圖形，并且在每個圖形對應的藍寶石底襯上面均設有一個向下凹陷的凹孔洞，所有凹孔洞使藍寶石底襯與與GaN外延層之間形成封閉的空氣空隙。因此本發明有源發光層發出的光線，能夠直接在GaN層和空氣空隙界面之間被反射，從而減少了光在藍寶石襯底內部的反射損耗，增強了本發明的發光強度。而且本發明可通過調整空氣空隙的大小及周期排列規則，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，來增強本發明的出光強度，提高發光二極管的亮度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的結構示意圖；
圖2是本發明的藍寶石底襯和凹孔洞的結構示意圖； 圖3是本發明的藍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的結構示意圖；
圖4是本發明的藍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的結構示意圖；
圖中:1 一藍寶石底襯、2—有源發光層、3—凹孔洞、4一氣孔結構、U-GaN一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]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[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置的藍寶石底襯1、U-GaN層、有源發光層2、n-GaN層和p-GaN層。
[0020]本發明的藍寶石底襯I的上表面設有若干圖形，所有圖形按照周期0.5-10微米排列設置，相鄰兩個圖形之間的間隙為1-9.5微米。
[0021]本發明藍寶石底襯I上表面的圖形對應處，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構的凹孔洞3，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微米排列設置，相鄰兩個凹孔洞3之間的間隙為1-9.5微米。
[0022]本發明的所有凹孔洞3使藍寶石底襯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構4。
[0023]本發明的采用以下步驟制備:
a、制備圖形:在藍寶石底襯的上表面積一層掩膜層，通過設計光刻掩膜，制備出具有周期規則排列分布的若干圖形；
b、制備凹孔洞:在所寶石底襯上面每個圖形對應處，用ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，使每個圖形對應處在藍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使藍寶石；藍寶石底襯上制備出的所有凹孔洞按照周期0.5-10微米排列設置，相鄰兩個凹孔洞3之間的間隙為1-9.5微米；
C、清洗:將藍寶石底襯的上表面多余的掩膜材料清洗干凈除去；
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層生長在藍寶石底襯上未設有凹孔洞的裸露處；
e、形成空氣空隙:未摻雜的GaN層在橫向生長時，間隔會逐漸在對應的所凹孔洞的頂端連接愈合，使U-GaN層和藍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構；
f、形成氮化鎵二極管:所述U-GaN層愈合后繼續向上生長成n-GaN層、有源發光層，p-GaN 層。
[0024]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，有源發光層2發出的光線，能夠直接在GaN層和空氣空隙界面之間被反射，從而減少了光在藍寶石襯底I內部的反射損耗，增強了本發明的發光強度。而且本發明可通過調整空氣空隙的大小及周期排列規則，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，來增強本發明的出光強度。
[0025]現有技術中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是金屬有機化合物化學氣相淀積(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。
[0026]以上所述本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同一種具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管結構的改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
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置的藍寶石底襯、U-GaN層、n-GaN層、有源發光層和p_GaN層，其特征在于，所述藍寶石底襯的上表面設置有若干圖形，所有所述圖形周期性排列分布；在所述藍寶石底襯上面每個所述圖形對應處均設有一個向下凹陷的凹孔洞，所述凹孔洞使所述藍寶石底襯與所述U-GaN層的下表面之間形成空氣空隙。
2.根據權利要求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.根據權利要求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構。
4.根據權利要求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構。
5.根據權利要求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微米排列設置，相鄰兩個所述凹孔洞之間的間隙為1-9.5微米。
6.根據權利要求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。
7.—種權利要求1所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a、制備圖形:在所述藍寶石底襯的上表面積一層掩膜層，通過設計光刻掩膜，制備出具有周期規則排列分布的若干所述圖形； b、制備凹孔洞:在所述藍寶石底襯上面每個所述圖形對應處，用ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，使每個圖形處在藍寶石上面向下凹陷形成凹孔洞，使所述藍寶石底襯的上制備出按周期性排布的若干所述凹孔洞； C、清洗:將所述藍寶石底襯的上表面多余的掩膜材料清洗干凈除去； 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，所述U-GaN層優先生長在所述藍寶石底襯上未設有所述凹孔洞的裸露處； e、形成空氣空隙:所述未摻雜的GaN層在橫向生長時，間隔會逐漸在對應的所述凹孔洞的頂端連接愈合，使所述U-GaN層和所述藍寶石底襯上表面之間形成若干錐形封閉的空氣空隙； f、形成氮化鎵二極管:所述U-GaN層愈合后繼續向上生長成n-GaN層、有源發光層，P-GaN 層。
8.根據權利要求7所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制備方法，其特征在于，每個所述凹孔洞的深度與寬度之比大于0.5 ;所述步驟b中，刻蝕出的每個所述凹孔洞具有一定深度/寬度比>0.5。
9.根據權利要求8所述的具有嵌入式空氣空隙的氮化鎵二極管的制備方法，其特征在于，每個所述凹孔洞均為柱形或倒錐形狀結構；所述步驟b中，通過ICP刻蝕或高溫混合酸溶液濕法腐蝕，制備出柱形或倒錐形狀的所述凹孔洞。
【文檔編號】H01L33/20GK104269481SQ201410557870
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】許南發, 郭文平, 郭明燦 申請人:山東元旭光電有限公司