CN100375304C - 高提取效率的半导体发光二极管结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

高提取效率的半导体发光二极管结构及其制备方法属于光电子器件制造技术领域，适合于多种波长的半导体LED。现有LED虽然内量子效率高，但是外量子效率很低，只有很少的一部分光子能够从LED出射。本发明提出在LED外延片上生长ITO透明导电膜与Si_xN_y介质膜组成的复合增透膜结构，ITO透明导电膜的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si_xN_y介质膜的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜的折射率是LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方。这种设计能够在实现好的电流扩展的同时，将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，极大的提高外量子效率，使得光强增加了130%以上。

Description

高提取效率的半导体发光二极管结构及其制备方法

一.技术领域

本发明属于光电子器件制造技术领域，涉及一种提高半导体发光二极管(LED)提取效率的结构和制备方法，适合于多种波长(红光、蓝光、绿光等)的半导体LED。

二.背景技术

半导体发光二极管是一种节能、环保和长寿命的发光器件。LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED采用固体封装，结构牢固，寿命达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。在环保方面，用LED替代白炽灯或荧光灯，无需使用玻璃真空封装，无毒气和汞的污染。并且用途广泛，可以应用到日常生活中的各项用品，如各种家电的指示灯或光源等。近年来更由于多色彩及高亮度化的发展趋势，应用在城市景观照明、道路和交通指示、室内外装饰照明、全彩大屏幕显示、汽车车灯等领域。

为了获得高亮度的发光二极管，关键是要提高器件的外量子效率。然而芯片的n型电极是面电极，比上电极要大的多，所以在正向偏置时，注入的载流子不可能像在金属中那样很快扩展均匀，而是向半导体材料内呈辐射状扩展，如果电流扩展不好，注入的电流主要集中在电极下方，这样就使得在电极下方有源区发出的大量光子被电极的阻挡，不能出射而损失在LED内部。另外，制备发光二极管的半导体材料与空气的折射率差值大，导致光的出射角度小且界面反射率高。当光入射到折射率为n₁和n₂两种物质的界面上时，入射角θ₁和折射角θ₂遵守斯涅耳定则，即n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂。发光二极管的半导体材料的折射率很高，例如可取n₁＝3.6，n₂为空气，这种晶体与空气交界的临界角为θ₁＝sin^-1(1/n₁)≈16.2°，入射角大于临界角时形成全反射。就在4π立体角内各项均匀发射的复合发光而言，临界角内的光只占 $\frac{1}{2}(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1)\≈0.02.$ 临界角内的光还会有一部分会被表面反射回内部。例如，当光垂直入射时，则反射率为(n₁-1)²/(n₁+1)²≈0.32。被反射回去的光如果不能从其它的表面出射，就会在LED内部被吸收。大量的光损失在LED内部，只有很少量的光能够出射到外部，致使LED的外量子效率低，外量子效率低也就意味着提取效率低，LED的光强值低。

三.发明内容

本发明的目的是提出在LED外延片上生长ITO透明导电膜与Si_xN_y介质膜组成的复合增透膜结构，在实现好的电流扩展的同时，能够将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，从而极大的提高外量子效率。

虽然单层的铟锡氧化物(ITO)透明导电膜可以实现电流扩展作用，但是很难实现最佳的增透效果。理想的单层增透膜的条件是，膜层的光学厚度为四分之一波长的奇数倍，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。ITO透明导电膜的折射率为1.7左右，如果入射介质是空气，空气的折射率为1，由此可知，只有当基底材料折射率为2.89，且ITO透明导电膜的光学厚度为四分一波长的奇数倍时，才能够达到最佳的增透效果。但是红光发光二极管的表面的半导体材料的折射率大约为3.5左右，因此为了在实现好的电流扩展作用的同时，达到最佳的增透效果，我们设计了在薄GaP层上制备由ITO透明导电膜和Si_xN_y介质膜所形成的复合增透膜来提高发光二极管的提取效率。设计ITO透明导电膜的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si_xN_y介质膜的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜的折射率是LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方。当一种膜层的光学厚度为二分之一波长的整数倍时，这种膜层将成为虚设层，也就是说，对于中心波长的反射率毫无影响，在ITO膜不能做为最佳增透膜的情况下时，我们将其的光学厚度设计为二分之一波长的整数倍，使其对于生长上ITO膜的发光二极管的发射波长的反射率不起任何影响，然后使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备在ITO上再生长一层Si_xN_y介质膜(非晶膜)，使其的折射率为ITO透明导电膜下面半导体材料折射率的平方根，光学厚度为四分之一波长的奇数倍。使用PECVD设备通过调节生长参数来得到所需要的Si_xN_y介质膜的折射率。当工艺参数确定后，生长速度基本保持不变，可以通过控制生长时间来控制Si_xN_y介质膜的物理厚度。这种方法工艺简单，容易实施。

LED的外延片基本结构是在衬底8上依次生长N型半导体7，多量子阱有源区6，P型半导体5，GaP层4。我们设计的ITO透明导电膜与Si_xN_y介质膜组成的复合增透膜生长在外延片最上层的半导体表面上。设计ITO透明导电膜3的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si_xN_y介质膜2的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜2的折射率是LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方。

本发明提供了一种高提取效率的半导体发光二极管结构，包括LED外延片，其特征是在LED外延片的最上层半导体材料表面上依次生长光学厚度为1/2LED发射波长整数倍的ITO透明导电膜3和光学厚度为1/4LED发射波长奇数倍的Si_xN_y介质膜2，并且Si_xN_y介质膜2的折射率为LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方，P电极1的底部与ITO透明导电膜3直接接触，P电极1的侧壁与Si_xN_y介质膜2直接接触。

本发明的特点在于它采用如下的工艺过程：

1)制备LED外延片；

2)在LED外延片的最上层半导体材料表面上生长光学厚度为二分之

一LED发射波长整数倍的ITO透明导电膜3，能够很好的实现电流扩展作用；

3)在ITO透明导电膜3上，使用等离子体增强气相化学沉积法(PECVD)制备Si_xN_y介质膜2，使用硅烷和氮气制备Si_xN_y介质膜2，其光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，折射率为LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方，Si_xN_y介质膜2与ITO透明导电膜3共同作用形成复合增透膜，能够实现最佳增透效果；

4)P电极1的制备：在Si_xN_y介质膜2表面甩胶、光刻、显影，腐蚀掉电极位置的Si_xN_y介质膜2，然后在介质膜上面蒸发金属电极，超声剥离，只留下电极位置的金属形成P电极1，使得P电极1的底部与ITO透明导电膜3直接接触，P电极1的侧壁与Si_xN_y介质膜2直接接触；

5)然后将LED外延片的衬底8减薄，在衬底8上蒸发金属形成N电极9；

6)解理。

这种ITO透明导电膜3与Si_xN_y介质膜2组成的复合增透膜结构不仅适用于红光LED，而且也适用于蓝光和绿光的GaN基的LED，在GaN基LED上起到好的电流扩展作用的同时能够达到最佳的增透效果。对于GaN基LED，由于制备GaN衬底非常困难，所以通常采用在蓝宝石作为衬底，然后再在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层，N型GaN材料，多量子有源区，P型GaN材料。由于蓝宝石衬底导电性和导热性差，N型电极和P型电极都是制备在上表面。ITO透明导电膜用于GaN基LED的电流扩展层时，光学厚度同样是二分之一的LED发射波长的整数倍。然后在ITO上面生长Si_xN_y介质膜2，光学厚度是四分之一的LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜2的折射率则是GaN基LED的P型半导体材料折射率的平方根。GaN基蓝光、绿光的LED与红光LED相比，虽然制备LED外延片材料和器件的制备工艺过程不同，但是在LED外延片上生长ITO透明导电膜3与Si_xN_y介质膜2组成的复合增透膜结构的设计原则是一致的。设计ITO透明导电膜3的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si_xN_y介质膜2的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜2的折射率是LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方。可以采用如下过程制备GaN基LED器件：GaN基LED外延片先用ITO蒸发系统在LED外延片的最上层的半导体材料上蒸发光学厚度是二分之一LED发射波长的整数倍的ITO透明导电膜，然后通常以光刻胶或者SiO₂为掩膜，采用ICP刻蚀法依次刻蚀P型GaN半导体材料，多量子有源区，一直到N型GaN材料，然后分别在N型GaN材料和P型GaN材料上分别制备N电极和P电极，再生长Si_xN_y介质膜2，光学厚度是四分之一的LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜2的折射率则是GaN基LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方。然后采用光刻腐蚀的方法，将N电极和P电极的位置暴露出来。P电极的底部与ITO透明导电膜直接接触，P电极的侧壁与Si_xN_y介质膜2直接接触。N电极与LED侧壁不接触，N电极的底部与N型GaN半导体材料直接接触。

ITO透明导电膜3和Si_xN_y介质膜2在可见光和近红外范围内都有很高的透过率，光电子发光器件的半导体材料与空气折射率的差值是导致产生界面反射率的根源，因此为了减少界面反射率，达到最佳增透效果，这种复合增透膜也适用于其它光电子发光器件，用于减少表面反射率，提高光输出。这种复合增透膜的设计原则也是相同的，ITO透明导电膜3的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si_xN_y介质膜2的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si_xN_y介质膜2的折射率是光电子发光器件外延片最上层半导体材料的折射率的开方。

上述发明的结构设计及工艺方法具有以下优点：

1)采用光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍的ITO透明导电膜3能够很好的实现电流扩展作用；

2)采用的Si_xN_y介质膜2的折射率LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方，光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，能够和ITO透明导电膜3组合形成复合增透膜达到最佳的增透效果；

3)使用PECVD制备Si_xN_y介质膜2，可以通过调节生长工艺参数灵活的将Si_xN_y介质膜2的折射率调整到所需要的数值，容易实施；

4)采用ITO透明导电膜3和Si_xN_y介质2膜形成的复合膜能够能够很好的实现电流扩展并且达到最佳的增透效果，理论上可以将表面反射率降为0，提高LED的光提取效率，在器件上生长ITO透明导电膜3与Si_xN_y介质膜2形成的复合增透膜后，光强能够提高130％以上。

四.附图说明

图1为带有ITO透明导电膜与Si_xN_y介质膜构成的复合增透膜的LED的剖面图1-P电极，2-Si_xN_y介质膜，3-ITO透明导电膜，4-GaP层，5-P型半导体，6-多量子阱有源区，7-N型半导体，8-衬底，9-N电极；

五.具体实施方式

对比例：

1)制备红光LED外延片，即在衬底8上依次生长N型半导体7，多量子阱有源区6，P型半导体5，GaP层4；

2)P电极1的制备：将用丙酮和无水乙醇以及去离子水清洗带有50nm GaP层4的样品放入到金属电极溅射系统腔室内，溅射AuZnAu，然后用光刻胶做保护，用金属腐蚀液将P电极1以外的部分腐蚀掉，只留下电极位置的金属形成P电极1；

3)然后将衬底8减薄，在衬底8上蒸发金属AuGeNi形成N电极9；

4)解理。

使用光强测试设备对厚度只有50nmGaP的8支管芯进行测试。在20mA恒流下，电压平均值为2.22V，光强平均值为49mcd。

实施例：

1)制备红光LED外延片，即在衬底8上依次生长N型半导体7，多量子阱有源区6，P型半导体5，GaP层4，该LED外延片的最上层半导体材料即为GaP层4；

2)将用丙酮和无水乙醇以及去离子水清洗过的样品放入到ITO电子束蒸发台，在GaP层4上生长光学厚度为1/2波长的ITO透明导电膜3，生长温度为190℃，氧流量为3sccm，蒸发速率为0.2nm/s；(在实际的制备过程中，根据自己设备的情况，可以灵活调整生长温度、氧流量等这些生长工艺参数，制备出所需要的ITO透明导电膜3)；

3)使用PECVD设备在ITO透明导电膜3上生长Si_xN_y介质膜2：沉积温度为300℃，13.56MHz高频激励源功率为20W，通入纯度为5％的硅烷和高纯氮气，它们的流量分别为30sccm，900sccm，生长的Si_xN_y介质膜2光学厚度为四分之一LED发射波长，折射率为GaP层4折射率的开方，即85nm厚的折射率为1.82的Si_xN_y介质膜2；(在使用PECVD制备介质膜的过程中，可以灵活调整温度，气体流量，高频激励源功率等这些生长工艺参数，制备出所需要的Si_xN_y介质膜2)；

4)P电极1的制备：在Si_xN_y介质膜2上甩胶、光刻、显影，腐蚀掉电极位置的Si_xN_y介质膜2，然后在上面蒸发金属电极Cr/Au，超声剥离，只留下电极位置的金属形成P电极1，使得P电极1的底部与ITO透明导电膜3直接接触，P电极1的侧壁与Si_xN_y介质膜2直接接触；

5)然后将衬底8减薄，在衬底8蒸金属AuGeNi形成N电极9；

6)解理。

使用光强测试设备对厚度50nmGaP层4上生长光学厚度为1/2波长的ITO透明导电膜和光学厚度为四分之一LED发射波长的Si_xN_y介质膜的8支管芯进行了测试。在20mA恒流下，电压平均值为1.94V，光强为118.6mcd.，与只有50nmGaP的LED相比，光强提高了142％，电压降低了12.6％。这说明该种设计和工艺过程在提高LED光输出的同时，器件的电特性没有变坏。

本领域的人员都知道，制备蓝光、绿光LED外延片的材料和红光LED外延片的不同。蓝、绿光LED器件上制备ITO透明导电膜3与Si_xN_y介质膜2形成的复合增透膜的设计原则一致，都是在结构LED外延片的最上层半导体材料上生长ITO透明导电膜和Si_xN_y介质膜2，并且制备在蓝光、绿光LED上的ITO透明导电膜和Si_xN_y介质膜2的工艺方法一致。

Claims (2)

1.一种高提取效率的半导体发光二极管结构，包括LED外延片，其特征是在LED外延片的最上层半导体材料表面上依次生长光学厚度为1/2LED发射波长整数倍的ITO透明导电膜(3)和光学厚度为1/4LED发射波长奇数倍的Si_xN_y介质膜(2)，并且Si_xN_y介质膜(2)的折射率为LED外延片最上层半导体材料的折射率的开方，P电极(1)的底部与ITO透明导电膜(3)直接接触，P电极(1)的侧壁与Si_xN_y介质膜(2)直接接触。

2.根据权利要求1所述的高提取效率的半导体发光二极管结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备LED外延片；

2)在LED外延片的最上层半导体材料表面上生长光学厚度为1/2LED发射波长的ITO透明导电层(3)；

3)在ITO透明导电层(3)上，使用等离子体增强气相化学沉积法制备Si_xN_y介质膜(2)，使用硅烷和氮气制备Si_xN_y介质膜(2)，其光学厚度为四分之一LED发射波长，折射率为LED外延片的最上层半导体材料表面上折射率的开方；

4)P电极(1)的制备：在Si_xN_y介质膜(2)表面甩胶、光刻、显影，腐蚀掉电极位置的Si_xN_y介质膜(2)，然后在介质膜上面蒸发金属电极，超声剥离，只留下电极位置的金属形成P电极(1)，使得P电极(1)的底部与ITO透明导电膜(3)直接接触，P电极(1)的侧壁与Si_xN_y介质膜(2)直接接触；

5)然后将LED外延片的衬底(8)减薄，在衬底(8)上蒸发金属形成N电极(9)；

6)解理。

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