CN100379043C - 全角度反射镜结构GaN基发光二极管及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管，包括：一衬底；一全角度反射镜，该全角度反射镜生长在衬底上，其是由高折射率层和低折射率层堆叠排列成的；一GaNLED芯片，该GaNLED芯片制作在全角度反射镜上；该GaNLED芯片包括：一蓝宝石衬底；一N型GaN层，该N型GaN层制作在蓝宝石衬底上；一有源区量子阱层，该有源区量子阱层制作在N型GaN层上；一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源区量子阱层上；一P型电极，该P型电极铺设在P型GaN层上；一P型焊盘，该P型焊盘制作在P型电极上；一N型电极，该N型电极铺设在N型GaN层上；以及一N型焊盘，该N型焊盘制作在N型电极上。

Description

全角度反射镜结构GaN基发光二极管及制作方法

技术领域

本发明涉及带有全角度反射镜(ODR-OmniDirectional Reflector)结构的GaN基蓝光发光二极管(LED)器件，该器件是传统的GaN蓝光LED与一种全角度反射镜结合的器件，该反射镜对特定频率范围内的光具有全角度范围内(一般0-180°)有很高反射率的特性。其基本结构为在传统的蓝光LED底部使用两种折射率不同的介质交替排列，形成带多层薄膜的全角度反射镜结构的GaN基蓝光LED。该全角度反射镜做在GaN基LED发光芯片的底部，可以极大地将LED芯片向下表面方向发射的光反射到向上表面方向，很大程度上减少了光从下表面的泄露，从而提高LED的出光效率。

背景技术

随着以氮化物为基础的高亮度LED的开发和应用，新一代绿色环保型固体照明光源——氮化物LED已成为人们关注的焦点。高亮度LED用于照明，将导致照明系统的一场革命。LED照明同传统的照明相比较，有功耗小、无污染、亮度高、寿命长等优点，特别是在某些功能上比如光的颜色方面有着传统光源无法比拟的优势。高亮度白光LED灯逐步取代传统的照明光源将是未来的趋势。

目前半导体LED存在的问题是发光效率低，对于普通的没有经过封装的只有一个出射表面的LED，其出光效率一般只有百分之几。大量的能量聚集在器件内部不能出射，不但会转化为大量的热量造成能源的浪费，还会使工作条件恶化影响器件的使用寿命。因此，提高LED的出光效率对半导体照明取代传统的照明光源将起到十分关键的作用。

在这种情况下，许多种提高LED出光效率的方法被应用到器件结构当中。比如表面粗糙化法，金属反射镜结构等等。这些方法对于提高出光效率有一定的帮助，但是仍然不能达到人们所期望的水平。本发明是在LED发光芯片的下表面做上全角度反射镜结构。这种全角度反射镜能有效地将向下表面方向出射的光反射到向上表面方向出射。其性能远远好于只能反射垂直方向入射光的DBR(Distribute Bragg Reflector)结构以及通常介质膜或金属膜反射镜。而且其制作工艺较为成熟，完全可以应用在实际的结构当中。和传统的DBR比较，该全角度反射镜结构具有在很宽频带内实现全角度范围，即在LED芯片的整个上平面内0-180°范围内都有很高的反射率，而一般DBR只是在垂直方向有较高的反射率。

目前国际上已经有很多关于全角度反射镜结构的文献报道(参见文献：[1]Yoel Fink，Jurgen.N.Winn，Shanhui Fan，Chiping Chen，JurgenMichel，John D.Joannopoulos，Edwin L.Thomas.A Dielectric Omnidir-ectional Refector.SCIENCE.Vol 282，1679-1682.[2]Hyun-Yong Lee，Takafumi Yao.Design and evaluation of omnidirect-ionalone-dimensional photonic crystals.J.Appl.Phys.Volume 93，No 22003.[3]M.Deopura，C.K.Ullal，B.Temel-kuran，Y.Fink.Dielectricomnidirectional visible reflec-tor.OPTICS LETTERS.Vol 26，No 15，2001.[4]Shanhui Fan，Pierre R.Villeneuve，J.D.Joannopoulos.Largeomnidirectional band gaps in metal lodielectric photonic crystals.PHYSICALREVIEW B.Vol 54，No 16，1996.[5]Kevin M.Chen，Andrew W.Sparks，Hsin-Chiao Luan，Desmond R.Lim，Kazumi Wada，Lionel C.Kimerling.SiO 2/TiO2 omnidirectional reflector and microcavity resonatorvia the sol-gel method.APPLIED PHYSICS LETTERS.Vol 75，No 24，1999.)。该全角度反射镜结构是由折射率不同的两种介质交叠堆积形成。要求两种介质的折射率均高于周围环境介质的折射率。

发明内容

本发明的目的是提供一种全角度反射镜结构的GaN蓝光LED，具有制作成本低、制作工艺成熟、结构简单、实用、效率高等优点。

基于上述条件，本发明人发明了与全角度反射镜与GaN蓝光LED结合器件，可以在全角度范围内提高GaN LED的出光效率，调整该器件参数使其反射光中心波长为450nm，全角度反射镜4的带隙宽度为200nm以上，带宽涵盖了GaN蓝光LED的发光光谱。

本发明一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管，其特征在于，包括：

一衬底；

一全角度反射镜，该全角度反射镜生长在衬底上，其是在衬底上堆叠多对低折射率层和高折射率层，高折射率层与蓝宝石衬底接触，低折射率层和衬底接触，高折射率层的折射率n_H＞低折射率层的折射率n_L＞蓝宝石材料的折射率n；且满足 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B,$ 其中n、n_H、n_L为折射率， ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H};$

一GaN LED芯片，该GaN LED芯片制作在全角度反射镜上；该GaN LED芯片包括：

一蓝宝石衬底；

一N型GaN层，该N型GaN层制作在蓝宝石衬底上；

一有源区量子阱层，该有源区量子阱层制作在N型GaN层上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源区量子阱层上；

一P型电极，该P型电极铺设在P型GaN层上；

一P型焊盘，该P型焊盘制作在P型电极上；

一N型电极，该N型电极铺设在N型GaN层上；以及

一N型焊盘，该N型焊盘制作在N型电极上。

其中衬底的材料为GaAs，与其上方的全角度反射镜的高折射率层的材料兼容，晶格匹配。

其中一对高折射率层和低折射率层的厚度之和为50nm-200nm，每层低折射率层的厚度为20-160nm，两者交替排列层数为10层以上。

本发明一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

取一衬底；

在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层和低折射率层，形成全角度反射镜，其是在衬底上堆叠多对低折射率层和高折射率层，高折射率层与蓝宝石衬底接触，低折射率层和衬底接触，高折射率层的折射率n_H＞低折射率层的折射率n_L＞蓝宝石材料的折射率n；且满足 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B,$ 其中n、nH、nL为折射率， ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H};$

在该全角度反射镜上制作GaN LED芯片。

其中衬底的材料为GaAs，与其上方的全角度反射镜的高折射率层的材料兼容，晶格匹配。

其中GaN LED芯片包括：

一蓝宝石衬底；

一N型GaN层，该N型GaN层制作在蓝宝石衬底上；

一有源区量子阱层，该有源区量子阱层制作在N型GaN层上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源区量子阱层上；

一P型电极，该P型电极铺设在P型GaN层上；

一P型焊盘，该P型焊盘制作在P型电极上；

一N型电极，该N型电极铺设在N型GaN层上；以及

一N型焊盘，该N型焊盘制作在N型电极上。

其中在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构，一对高折射率层和低折射率层的厚度之和为50nm-200nm，单层低折射率层的厚度为20-160nm，高折射率层和低折射率层交替排列层数为10层以上。

其中在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层和低折射率层的周期数在5对以上。

其中将GaN LED芯片采用晶片键合技术键合到全角度反射镜上，使得GaN LED芯片的蓝宝石衬底与全角度反射镜上层的高折射率层紧密接触。

本发明的主要优点在于，应用全角度反射镜作为反射镜来提高芯片的出光效率，同其他方法相比，该全角度反射镜可以将GaN材料所发光在全角度范围内以高反射率向上反射，因而这种全角度反射镜结构GaN LED的效率更高，且工艺成熟，结构简单，便于制作。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明全角度反射镜结构的侧视图。

图2是本发明一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明为一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管，包括：

一衬底1，该衬底1的材料为GaAs，与其上方(后叙)的全角度反射镜4的高折射率层3的材料兼容，晶格匹配；

一全角度反射镜4，该全角度反射镜4生长在衬底1上，其是由高折射率层2和低折射率层3堆叠排列成的；其中高折射率层3和低折射率层2的厚度之和为50nm-200nmm，低折射率层2的厚度为20-160nm，两者交替排列层数为10层以上；其中高折射率层3的折射率n_H＞低折射率层2的折射率n_L＞GaN材料的折射率n；若 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H},$ 满足条件 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B,$ 其中n、n_H、n_L为折射率；

一GaN LED芯片13，该GaN LED芯片13制作在全角度反射镜4上；该GaN LED芯片13包括：

一蓝宝石衬底5；

一N型GaN层6，该N型GaN层6制作在蓝宝石衬底5上；

一有源区量子阱层7，该有源区量子阱层7制作在N型GaN层6上；

一P型GaN层8，该P型GaN层8制作在有源区量子阱层7上；

一P型电极9，该P型电极9铺设在P型GaN层8上；

一P型焊盘10，该P型焊盘10制作在P型电极9上；

一N型电极11，该N型电极11铺设在N型GaN层6上；以及

一N型焊盘12，该N型焊盘12制作在N型电极11上。

请再参阅图1及图2，本发明为一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，包括如下步骤：

取一衬底1，该衬底1的材料为GaAs，与其上方(后叙)的全角度反射镜4的高折射率层3的材料兼容，晶格匹配；

在该衬底1上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层3和低折射率层2，形成全角度反射镜4；其中在该衬底1上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层3和低折射率层2的厚度之和为50nm-200nm，低折射率层2的厚度为20-160nm，两者交替排列层数为10层以上；其中在该衬底1上交替生长多层全角度反射镜4结构的高折射率层3和低折射率层2的周期数在5对以上；

在该全角度反射镜4上制作GaN LED芯片13，其中将发光二极管芯片13采用晶片键合技术键合到全角度反射镜4上，使得GaN LED芯片13的蓝宝石衬底5与全角度反射镜4上层的高折射率层3紧密接触，其中GaN LED芯片13包括：

一蓝宝石衬底5；

一N型GaN层6，该N型GaN层6制作在蓝宝石衬底5上；

一有源区量子阱层7，该有源区量子阱层7制作在N型GaN层6上；

一P型GaN层8，该P型GaN层8制作在有源区量子阱层7上；

一P型电极9，该P型电极9铺设在P型GaN层8上；

一P型焊盘10，该P型焊盘10制作在P型电极9上；

一N型电极11，该N型电极11铺设在N型GaN层6上；以及

一N型焊盘12，该N型焊盘12制作在N型电极11上。

所述全角度反射镜结构GaN LED衬底1的特征在于其材料与其上的全角度反射镜4的材料是兼容的，与其上生长的全角度反射镜4结构的高折射率层3的材料可以晶格匹配。具体实施例中采用砷化镓(GaAs)衬底。本发明采用GaAs材料作为全角度反射镜4结构的高折射率层3，采用铝砷(AlAs)材料作为全角度反射镜4结构的低折射率层2，采用分子束外延方法在GaAs衬底上逐层交替生长GaAs和AlAs，如图1所示生长层数在10层，共5个周期，最后一层为高折射率的GaAs层。其中GaAs层的厚度d_H为30nm，AlAs层的厚度d_L为40nm，其一个周期的厚度为70nm，即晶格常数为70nm。

GaAs衬底上交替生长了GaAs/AlAs全角度反射镜4后，将通常的GaAs衬底1减薄到约0.1mm。

GaN LED芯片13制作方法为：在蓝宝石衬底5上用MOCVD的方法首先生长N型GaN层6约3微米厚度。然后生长有源区量子阱7，即GaN/InGaN量子阱结构，一般为3-4对量子阱。再在有源区量子阱层7上生长P型GaN，P型区厚度100nm。

采用干法刻蚀在N型GaN层6上刻蚀出台面，以用来制作N型电极11，之后进行表面钝化。

在台面上淀积N型电极11和P型电极9。由于P型GaN材料的电导率比较小，所以在p型GaN表面淀积一层金属的电流扩散层，即通常所说的透明电极，一般采用Ni/Au材料，而N型电极采用Ti-Al-Ti-Au材料。电极厚度一般5nm左右。制作方法是采用电子束蒸发的方法，然后再低温退火。电极制作好后分别制作焊盘9和焊盘10，焊接引线，完成LED的制作。

在LED芯片13制作好后，将蓝宝石衬底5减薄到0.5mm左右厚度。

采用晶片键合方法将制作好的LED芯片13与全角度反射镜4采用晶片键合技术键合在一起，其中在GaAs衬底上逐层交替生长AlAs和GaAs。

所述GaN LED体系的发光台面大小根据GaN基LED的大小可以有不同的尺寸，所述GaN LED芯片13发光台面尺寸取300μm×300μm、1mm×1mm等，相应的全角度反射镜4的平面尺寸比上述两种尺寸大一些。在全角度反射镜4结构中，折射率n_H，n_L，n，高折射率层3的厚度d_H与低折射率层厚度d_L，周期数以及器件的尺寸大小这些参数都是可以优化设计的。

本发明中的关键在于采用了全角度反射镜4做在GaN LED芯片13的蓝宝石衬底5的底部，以向上增强LED的出光效率。这里结合以上实施例介绍一下全角度反射镜4的工作原理。假定周围环境折射率为n，全角度反射镜结构4的高折射率层3的折射率为n_H，低折射率层2的折射率为n_L，全角度反射镜4工作条件要求n_H＞n_L＞n。光由高折射率层3射向周围环境介质n的全反射临界角为 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ 由高折射率层3(n_H)进入低折射率层(n_L)的布儒斯特角为 ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H}.$ 当满足条件 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B$ 时，从环境介质n入射的特定频率范围内的光不能耦合到材料介质里的布儒斯特窗中，即对于该频率范围内任何角度入射的光，在周围环境介质中传播的无论是TE模还是TM模，在材料介质中都不可能存在该模式，这样就实现了全角度反射。本发明的实施例中采用的全角度反射镜结构高折射率层3为GaAs，其折射率为3.4，低折射率层2AlAs的折射率为2.9，由图2所示，全角度反射镜4的环境介质是与其接触的蓝宝石衬底5，所以此处环境折射率即为蓝宝石的折射率1.7，因此该实施例的结构折射率满足全角度反射镜工作条件：n_H＞n_L＞n(3.4＞2.9＞1.7)。而且所取材料体系满足另外一个条件：光由高折射率层3射向周围环境介质n即蓝宝石衬底的全反射临界角为

由高折射率层3(n_H)进入低折射率层(n_L)的布儒斯特角为

符合 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B$ 的条件。

Claims (8)

1.一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管，其特征在于，包括：

一衬底；

一全角度反射镜，该全角度反射镜生长在衬底上；

一GaN LED芯片，该GaN LED芯片制作在全角度反射镜上；该GaN LED芯片包括：

一蓝宝石衬底；

一N型GaN层，该N型GaN层制作在蓝宝石衬底上；

一有源区量子阱层，该有源区量子阱层制作在N型GaN层上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源区量子阱层上；

一P型电极，该P型电极铺设在P型GaN层上；

一P型焊盘，该P型焊盘制作在P型电极上；

一N型电极，该N型电极铺设在N型GaN层上；以及

一N型焊盘，该N型焊盘制作在N型电极上；

其中该全角度反射镜是多对低折射率层和高折射率层堆叠在衬底上，高折射率层与蓝宝石衬底接触，低折射率层和衬底接触，高折射率层的折射率n_H＞低折射率层的折射率n_L＞蓝宝石材料的折射率n；且满足 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B,$ 其中n、n_H、n_L为折射率， ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H}.$

2.根据权利要求1所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管，其特征在于，其中衬底的材料为GaAs，与其上方的全角度反射镜的高折射率层的材料兼容，晶格匹配。

3.根据权利要求1所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管，其特征在于，其中一对高折射率层和低折射率层的厚度之和为50nm-200nm，每层低折射率层的厚度为20-160nm，两者交替排列层数为10层以上。

4.一种全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

取一衬底；

在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层和低折射率层，形成全角度反射镜；

在该全角度反射镜上制作GaN LED芯片；

该GaN LED芯片包括：一蓝宝石衬底；一N型GaN层，该N型GaN层制作在蓝宝石衬底上；一有源区量子阱层，该有源区量子阱层制作在N型GaN层上；一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源区量子阱层上；一P型电极，该P型电极铺设在P型GaN层上；一P型焊盘，该P型焊盘制作在P型电极上；一N型电极，该N型电极铺设在N型GaN层上；以及一N型焊盘，该N型焊盘制作在N型电极上；

该全角度反射镜是多对低折射率层和高折射率层堆叠在衬底上，高折射率层与蓝宝石衬底接触，低折射率层和衬底接触，高折射率层的折射率n_H＞低折射率层的折射率n_L＞蓝宝石材料的折射率n；且满足 ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }<{\mathrm{\&theta;}}_B,$ 其中n、n_H、n_L为折射率， ${\mathrm{\&theta;}}_1^{\max }={\sin }^{-1}\frac{n}{n_H},$ ${\mathrm{\&theta;}}_B={\tan }^{-1}\frac{n_L}{n_H}.$

5.根据权利要求4所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，其中衬底的材料为GaAs，与其上方的全角度反射镜的高折射率层的材料兼容，晶格匹配。

6.根据权利要求4所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，其中在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构，一对高折射率层和低折射率层的厚度之和为50nm-200nm，单层低折射率层的厚度为20-160nm，高折射率层和低折射率层交替排列层数为10层以上。

7.根据权利要求4所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，其中在该衬底上交替生长多层全角度反射镜结构的高折射率层和低折射率层的周期数在5对以上。

8.根据权利要求4所述的全角度反射镜结构GaN基发光二极管的制作方法，其特征在于，其中将GaN LED芯片采用晶片键合技术键合到全角度反射镜上，使得GaN LED芯片的蓝宝石衬底与全角度反射镜上层的高折射率层紧密接触。

Images