CN101345280A - 一种GaN基发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管及其制造方法，利用有机金属气相沉积技术在衬底上生长出GaN半导体层，该层包括N型氮化镓层，发光区及P型氮化镓层；利用镀膜技术在半导体层上蒸镀一层透明导电层，该蒸镀厚度d为2000～4000，形成透明导电层，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N型氮化镓层露出，步骤四，设计一张所需类光子晶体图形的光刻掩模版，用光刻胶形成掩模，对透明导电层进行蚀刻。该方法在现有技术的基础上，将透明导电层进行进一步加工，制造成具有类光子晶体的微结构，大大提高了发光二极管的出光效率，有效的提升了发光二极管的亮度。

Description

一种GaN基发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种GaN基高亮度发光二极管及其制造方法，该方法可以提高GaN基发光二极管的亮度，该方法亦可应用于其他发光二极管的生产制造中。

背景技术

发光二极管(LED)具有体积小、省电、绿色环保等优势，已被广泛使用于显示器背光源模块、通讯、计算机、交通标志及玩具等消费市场，但目前因为亮度不够的问题，尚未能广泛使用于照明市场。为了解决发光二极管亮度不够的问题，业内人士都在不断的寻找着如何提高发光亮度的方法。

目前高亮度发光二极管的现有成熟结构如图1至图2所示。由底部往上依次是：衬底11，N型半导体层21，发光区22，P型半导体层23，透明导电层31，与N型半导体层21相键合的金属N电极41，与P型半导体层21相键合的金属P电极42，外保护层51。目前技术存在的问题就是，尽管已经将透明导电层的透光率大大提升，但是当发光区22发出的光经过透明导电层31时，会发生光的全反射，导致由发光区22产生的光只有5％左右的光能够散射出去，而其余的光则以热能的形式在发光二极管的体内耗尽。(如图3所示)这样就使得发光二极管的出光效率大大降低，亮度无法进一步提升。

针对提高出光效率的问题，已经公开的技术有以下几种：

一种是在衬底11的底部制造一层反射膜增加发光二极管的出光效率。

第二种是在生长N型半导体层21之前，利用刻蚀技术在衬底11上制作出凹凸不平的图形，之后再进行正常的发光二极管的制造，该技术利用其凹凸不平的图形对发光二极管的出光作出反射，增加了发光二极管的出光效率。

第三种是表面粗化技术，就是在生长N型半导体层21、发光区22及P型半导体层23的过程中制造成粗糙的微结构或纹理结构，增加了发光二极管的出光效率。

以上这些方法虽然都能不同程度的增加发光二极管的亮度，但是第一种将会直接增加芯片的制造成本，同时实现难度较大。而第二种及第三种方法虽然已经能够实现，但其最主要的缺点是一旦制造过程失败将会造成产品的直接报废，其生产不可逆。

鉴于此，实有必要提供一种新方法以克服上述缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：利用光子晶体对光产生折射增加出光效率的原理，在发光二极管的透明导电层上制造出类似光子晶体的微结构，从而改善光的出射效率，提高发光二极管的亮度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种GaN基发光二极管，其包括，

衬底层：其衬底层为蓝宝石衬底，该层位于该发光二极管的底部；

半导体层：半导体层为GaN基，该层位于衬底层上方，包括N型半导体层、发光层及P型半导体层；

透明导电层：透明导电层为铟锡氧化物、镍金或其混合物组成，该层位于半导体层之上；

保护层：该层位于发光二极管的最上层，

其中，所述透明导电层设置若干凹槽，所述凹槽具有类似光子晶体的微结构，所述凹槽为列状排列或网状排列，用于提高发光二极管的出光效率。

作为本发明的一种优选方案之一，所述凹槽的深度为0.01d～d，其凹槽的平面宽度a为1um~10um，间隙b为1um~10um。

作为本发明的一种优选方案之一，所述凹槽的深度为0.45d～0.55d，其凹槽的平面宽度a为2um~4um，间隙b为2um~4um。

本发明进一步包括一种GaN基发光二极管的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，利用有机金属气相沉积技术在衬底上生长出GaN半导体层，该层包括N型氮化镓层，发光区及P型氮化镓层；

步骤二，利用镀膜技术在半导体层上蒸镀一层透明导电层，该蒸镀厚度d为

，形成透明导电层；

步骤三，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N型氮化镓层露出；

步骤四，设计一张所需类光子晶体图形的光刻掩模版，用光刻胶形成掩模，对透明导电层进行蚀刻，且通过蚀刻时间控制蚀刻厚度；

步骤五，利用光刻及蒸镀技术在NP层上蒸镀电极；

步骤六，利用等离子体化学气相沉积技术在透明导电层上沉积保护膜。

作为本发明的一种优选方案之一，对透明导电层蚀刻凹槽的深度为0.01d～d，其凹槽的平面宽度a为1um~10um，间隙b为1um~10um。

作为本发明的一种优选方案之一，对透明导电层蚀刻凹槽的深度为0.45d～0.55d，其凹槽的平面宽度a为2um~4um，间隙b为2um~4um。

综上所述，本发明提供一种GaN基发光二极管及其制造方法，该高亮度发光二极管在现有技术的基础上，利用光子晶体对光产生折射增加出光效率的原理，将透明导电层进行进一步加工，制造成具有类光子晶体的微结构，大大提高了发光二极管的出光效率，有效的提升了发光二极管的亮度。

附图说明

图1为现有发光二极管的结构示意图；

图2为现有发光二极管的俯视图(不含外保护层)；

图3为现有发光二极管中光的出射示意图；

图4为本发明的发光二极管的结构示意图；

图5为本发明的发光二极管的俯视图(不含外保护层)；

图6为本发明的发光二极管的又一实施例的俯视图；

图7为本发明的发光二极管的另一实施例的俯视图；

图8为本发明的透明导电层的局部示意图；

图9为本发明透明导电层中类光子晶体的蚀刻深度与Vf之间的关系示意图；

图10为本发明透明导电层中类光子晶体的蚀刻深度与亮度之间的关系示意图。

11……………………………………衬底；

12……………………………………蓝宝石衬底或Si衬底等；

21……………………………………N型半导体层；

24……………………………………N型氮化镓层；

22……………………………………发光区；

25……………………………………量子阱发光区；

23……………………………………P型半导体层；

26……………………………………P型氮化镓层；

31……………………………………透明导电层；

32……………………………………具有类光子晶体微结构的透明导电层；

33……………………………………具有列状排列的类光子晶体微结构的透明导电层；

34……………………………………具有栅格状排列的类光子晶体微结构的透明导电层；

35……………………………………具有网状排列的类光子晶体微结构的透明导电层；

41、43…………………………………………金属N电极；

42、44…………………………………………金属P电极；

51、52…………………………………………外保护层；

d……………………………………………透明导电层的厚度；

a…………………………………………类光子晶体微结构凹槽的宽度；

b…………………………………………类光子晶体微结构凹槽间的间隙；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤：

本发明提供了一种GaN基发光二极管，特别是一种具有类似光子晶体微结构的透明导电层的高亮度发光二极管元件，图4为本发明技术的一种GaN基发光二极管结构示意图，该GaN基发光二极管包括位于最底部的衬底12，该衬底材料为蓝宝石或是Si；N型氮化镓层24，量子阱发光区25，P型氮化镓层26；具有类光子晶体微结构的透明导电层32，其微结构排列可以是如图5所示的列状排列33，或是如图6所示的栅格状排列34，或是如图7所示的网状排列35；与N型半导体层相键合的金属N电极43，与P型半导体层相键合的金属P电极44以及外保护层52。

光子晶体，即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。但是，真正做到光子晶体级别必须采用非常先进的光刻技术，生产成本增加很多，因此，我们采用将nm级的光子晶体转换为um级的类光子晶体。以此基本原理，为了让光能够在透明导电层中以最大能力透出，透明导电层的厚度也会考虑到透过的光的波长，膜厚应为光在薄膜介质中波长的1/4，从而使两反射光相互抵消。由此可知，增透膜的厚度d＝λ/4n(其中n为膜的折射率，λ为光在空气中的波长)。所以选择蚀刻厚度基本为原来厚度的一半。

其制备方法是这样完成的，以GaN基发光二极管为例，该发光二极管的衬底12为蓝宝石材料构成，利用有机金属气相沉积技术(MOCVD)在衬底12上生长出厚度约为3-5um的GaN半导体层，该层包括N型氮化镓层24，发光区(GaN多重量子阱发光区)25及P型氮化镓层26；利用镀膜技术在其上蒸镀一层透明导电层，该蒸镀厚度d为

，形成透明导电层31，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N型氮化镓层露出。直至此，都是利用现有工艺完成的。现在就要利用光刻与蚀刻技术，对透明导电层进行蚀刻，形成类光子晶体的微结构。设计一张所需类光子晶体图形的光刻掩模版，用光刻胶形成掩模，由于光刻条件所致，我们选择图形的宽度为1~10um，间隙为1~10um，经过试验该尺寸的设计能够用现有光刻设备实现，且能够实现类似光子晶体结构的效果，即为我们上面所提到的类光子晶体。接下来，对透明导电层进行蚀刻，若透明导电层的厚度为d，其蚀刻深度的范围可以是0.01d～d，如图8所示，即形成了所需要的微结构。由于透明导电层32的作用不仅仅是透光，它还肩负着电流导通的作用，因此，如果透明导电层的蚀刻深度为d时，其I-V特性不好，容易导致Vf过高，使得输入功率提高；但是如果蚀刻深度为0.01d，则对于亮度提升又达不到设计效果，经过试验，蚀刻深度与电压之间的关系以及蚀刻深度与亮度之间的关系如图9至图10所示。

因此兼顾Vf与亮度之间的平衡关系，蒸镀透明导电层31厚度为选择蚀刻深度为

类光子晶体结构排列凹槽为网状排列，凹槽的宽度为3um，凹槽间的间隙为3um进

现有工艺	波长	亮度	电压	MW
					1	463.54	65.68	3.18	4.83
2	460.25	56.79	3.15	4.84
					Avg	461.90	61.24	3.165	4.835
本发明工艺	波长	亮度	电压	MW
					3	460.26	76.61	3.17	5.31
4	460.60	75.48	3.20	5.61
					Avg	460.43	76.04	3.185	5.46

实验结果表明，使用该方法进行制造，亮度提升20％左右，mW数提升15％左右。

综上所述，该方法的使用能够提升发光二极管的亮度，且容易实现。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案，均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (6)

1.一种GaN基发光二极管，其包括，

衬底层：其衬底层为蓝宝石衬底，该层位于该发光二极管的底部；

半导体层：半导体层为GaN基，该层位于衬底层上方，包括N型半导体层、发光层及P型半导体层；

透明导电层：透明导电层为铟锡氧化物、镍金或其混合物组成，该层位于半导体层之上；

保护层：该层位于发光二极管的最上层；

其特征在于：所述透明导电层设置若干凹槽，所述凹槽具有类似光子晶体的微结构，所述凹槽为列状排列、栅格状排列或网状排列，用于提高发光二极管的出光效率。

2.如权利要求1所述的一种GaN基发光二极管，其特征在于：其凹槽的深度为0.01d～d，凹槽的平面宽度a为1um~10um，间隙b为1um~10um。

3.如权利要求1所述的一种GaN基发光二极管，其特征在于：其凹槽的深度为0.45d～0.55d，凹槽的平面宽度a为2um~4um，间隙b为2um~4um。

4.一种如权利要求1至3任意一项所述的一种GaN基发光二极管的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，利用有机金属气相沉积技术在衬底上生长出GaN半导体层，该层包括N型氮化镓层，发光区及P型氮化镓层；

步骤二，利用镀膜技术在半导体层上蒸镀一层透明导电层，该蒸镀厚度d为～

，形成透明导电层；

步骤三，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N型氮化镓层露出；

步骤四，设计一张所需类光子晶体图形的光刻掩模版，用光刻胶形成掩模，对透明导电层进行蚀刻，且通过蚀刻时间控制蚀刻厚度；

步骤五，利用光刻及蒸镀技术在NP层上蒸镀电极；

步骤六，利用等离子体化学气相沉积技术在透明导电层上沉积保护膜。

5.如权利要求4所述的一种GaN基发光二极管的制造方法，其特征在于：其对透明导电层蚀刻凹槽的深度为0.01d～d，凹槽的平面宽度a为1um~10um，间隙b为1um~10um。

6.如权利要求4所述的一种GaN基发光二极管的制造方法，其特征在于：其对透明导电层蚀刻凹槽的深度为0.45d～0.55d，凹槽的平面宽度a为2um~4um，间隙b为2um~4um。

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