CN101872820B - 具有纳米结构插入层的GaN基LED - Google Patents

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Abstract

一种具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中包括：一衬底；一纳米结构模板，该纳米结构模板外延生长在衬底上，该纳米结构模板的表面为凹凸形状；一插入层，该插入层外延生长在纳米结构模板的表面上；一N型欧姆接触层，该欧姆接触层外延生长在插入层上，该欧姆接触层上面的一侧形成有一台面；一有源层，该有源层外延生长在N型欧姆接触层的台面的另一侧上；一P型层，P型层外延生长在有源层上；一透明电极层，该透明电极层制作在P型层上；一P压焊电极，该压焊电极通过光刻制作在透明电极上；一N欧姆接触电极，该欧姆接触电极22制作在N型欧姆接触层的台面上。

Description

具有纳米结构插入层的GaN基LED
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别是指一种具有纳米结构插入层的GaN基LED。
背景技术
GaN基LED作为新一代照明光源，具有节能，环保等优点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。然而由于GaN材料与封装用环氧树脂，环氧树脂和空气间的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小(只有23.6°)。因为全反射原因造成大量光线无法从界面出射，而且因为上下界面平行，首次不能出射的光线将在介质材料中反复传播直到光能全部被耗散成热能。这样首先不利于光能的利用，另外转化成的过多的热能对器件的性能也有不利的影响。因为半导体有源区所产生的光只有极少部分能通过上述二个界面逸出而被有效利用，所以GaN基LED的出光效率(光提取效率)非常低。同时GaN基LED的内量子效率已经可以达到非常高的水平，故提升LED的出光效率是促进其迅速发展的关键因素。
有很多方法已经被应用于提高GaN基LED的出光效率，如采用表面粗化、制作LED的纳米结构、制作光子晶体结构以及图形化衬底等，这些方法在一定程度上提高了器件的出光效率。然而这些方法操作起来比较复杂，给后续的生长以及工艺制作带来了或多或少的问题，例如表面粗化可能会对P型造成损伤，导致后续的欧姆接触难以做好，纳米结构由于发光面积减小也会产生热效应，等等。这些都在一定程度上阻碍了器件的进一步应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有纳米结构插入层的GaN基LED，其是通过插入层引入的界面使得光线经过多次反射和折射，改变光线的传输方向，从而使更多有源层发出的光线能够从器件表面出射，在不改变器件工艺制作的情况下，提高GaN基LED的出光效率。
本发明提供一种具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中包括：
一衬底；
一纳米结构模板，该纳米结构模板外延生长在衬底上，该纳米结构模板的表面为凹凸形状；
一插入层，该插入层外延生长在纳米结构模板的表面上；
一N型欧姆接触层，该欧姆接触层外延生长在插入层上，该欧姆接触层上面的一侧形成有一台面；
一有源层，该有源层外延生长在N型欧姆接触层的台面的另一侧上；
一P型层，P型层外延生长在有源层上；
一透明电极层，该透明电极层制作在P型层上；
一P压焊电极，该压焊电极通过光刻制作在透明电极上；
一N欧姆接触电极，该欧姆接触电极22制作在N型欧姆接触层的台面上。
其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
其中凹凸表面的纳米结构模板是通过电子束曝光、全息光刻、利用两步氧化形成的多孔氧化铝结构、利用金属在退火条件下形成的自组织结构或利用硅石纳米颗粒形成的结构做掩膜通过干法刻蚀方法刻蚀而成，或直接利用聚焦离子束刻蚀而成。
其中纳米结构模板的表面是柱状结构，形状为圆柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱体、立方棱柱、三角棱柱或者条形柱体，纳米结构模板11的高度从5nm到1μm，尺寸也是从5nm到1μm。
其中插入层为InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料，通过调节铝铟的组分调节InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料的折射率，其中，0＜x≤1，0＜y≤1，插入层通过外延方法均匀生长在纳米结构模板的侧壁和表面，所以其为一包覆在模板上的包覆层，插入层厚度为5nm到2μm。
其中N型欧姆接触层为N型GaN材料，其厚度为200nm到3μm。
其中有源层为多量子阱结构，周期数为5。
其中P型层为P型GaN材料，其厚度为100-500nm。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施方式及附图详细说明如后，其中：
图1具有插入层结构的LED的出光效率与插入层折射率的关系；
图2本发明中GaN纳米结构模板以及其上外延生长的插入层结构示意图；
图3本发明中具有纳米结构插入层的GaN基LED材料结构示意图；
图4本发明中具有纳米结构插入层的GaN基LED器件结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中包括：
一衬底10，该衬底10为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料；
一纳米结构模板11，该纳米结构模板11外延生长在衬底10上，该纳米结构模板11的表面为凹凸形状，该凹凸表面的纳米结构模板11是通过电子束曝光、全息光刻、利用两步氧化形成的多孔氧化铝结构、利用金属在退火条件下形成的自组织结构或利用硅石纳米颗粒形成的结构做掩膜通过干法刻蚀方法刻蚀而成，或直接利用聚焦离子束刻蚀而成，该其中纳米结构模板11的表面是柱状结构，形状为圆柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱体、立方棱柱、三角棱柱或者条形柱体，纳米结构模板11的高度从5nm到1μm，尺寸也是从5nm到1μm；
一插入层12，该插入层12外延生长在纳米结构模板11的表面上，该插入层12为InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料，通过调节铝铟的组分调节InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料的折射率，其中，0＜x≤1，0＜y≤1，插入层12通过外延方法均匀生长在纳米结构模板11的侧壁和表面，所以其为一包覆在模板11上的包覆层，插入层厚度为5nm到2μm；
一N型欧姆接触层13，该欧姆接触层13外延生长在插入层12上，该欧姆接触层13上面的一侧形成有一台面131，该N型欧姆接触层13为N型GaN材料，其厚度为200nm到3μm；
一有源层14，该有源层14外延生长在N型欧姆接触层13的台面131的另一侧上，该有源层14为多量子阱结构，周期数为5；
一P型层15，P型层15外延生长在有源层14上，该P型层15为P型GaN材料，其厚度为100-500nm；
一透明电极层20，该透明电极层20制作在P型层15上；
一P压焊电极21，该压焊电极21通过光刻制作在透明电极20上；
一N欧姆接触电极22，该欧姆接触电极22制作在N型欧姆接触层13的台面131上。
本发明提出的具有纳米结构插入层的GaN基LED器件制备过程为：如图2所示，以蓝宝石为衬底10，在其上利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)生长出GaN层，厚度为2μm，然后在GaN上利用电子束曝光以及干法刻蚀的方法制作出凹凸形状的GaN纳米结构的模板11。模板11是插入层12后续外延生长的模板，其中凹凸形状的纳米结构模板11的形状为规则的圆柱体，直径为200nm，高度为500nm，密度为1.66×108cm-2。按图2所示，在纳米结构模板11上面外延生长Al0.2Ga0.8N插入层12，Al组分为0.2。插入层12通过MOCVD均匀生长在纳米结构模板11的侧壁和表面，为一均匀的包覆层，插入层12的厚度为200nm。这样，通过纳米结构插入层的引入，会增加光线在传输过程中的反射几率，使得原来无法出射的光线由于多次反射有利于出射，更重要的是由于插入层引入的界面方向的改变，从而改变了平面衬底上下表面平行造成的光线初次被界面全反射后只能在平行的两表面间传播的缺点，插入层12就是将衬底10与外延层上表面的平行关系打破，使有源层发出的光线有更多的机会出射，因而增加器件的光提取效率，最终提升GaN基LED的出光效率和器件性能。按图3所示，在插入层12上依次MOCVD外延生长厚度为3μm的N型欧姆接触层13(材料为N+-GaN电子浓度为5×1018cm-3)、有源层14(5个周期的In0.2Ga0.8N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱结构)以及P型层15(厚度为200nm的P-GaN层，载流子浓度为5×1017cm-3)。按图4所示，用光刻和ICP(感应耦合等离子体刻蚀)方法从P型层15表面的一侧向下刻出台面131结构，刻蚀深度到N型欧姆接触层13的中间部位，然后用光刻、电子束蒸发等方法先后作出透明电极层20(Ni/Au)以及P压焊电极21和N欧姆接触电极22(Ti/Al/Ti/Au)。最后再进行减薄、切割、压焊、封装成GaN基LED器件。
本发明通过纳米结构插入层引入的界面，使得原来无法出射的光线由于界面方向的改变可能会利于出射，更重要的是插入层改变了平面衬底上下表面平行造成的光线初次被界面全反射后只能在平行的两表面间传播的缺点，插入层就是将衬底与外延层上表面的平行关系打破，使有源层发出的光线有更多的机会出射，因而增加器件的光提取效率，最终提升GaN基LED的发光效率和器件性能。
我们以发光波长为420纳米的LED为例，对有插入层结构的LED的出光效率与插入层折射率的关系进行了模拟计算(固定纳米结构模板11的形状为规则的圆柱体，直径为200nm，高度为500nm，密度为1.66×108cm-2)，如图1所示，可以看出，插入层的折射率(也就是插入层中铝或者铟的组分)对器件的出光效率有显著的影响。在n＝2.5时，插入层为GaN，也就是普通结构的LED，这时候出光效率最低，当折射率偏离2.5时，出光效率也会变大，当n＝2.2和n＝2.7(分别可以通过调节铝和铟的组分实现)时，出光效率可以达到最大值。通过调整纳米结构模板11的形状、高度及直径，光提取效率还可以进一步的优化。通过模拟的结果可以看出，具有纳米结构插入层的GaN基LED对提高光的提取效率有显著的作用。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中包括：
一衬底；
一纳米结构模板，该纳米结构模板外延生长在衬底上，该纳米结构模板的表面为凹凸形状，该凹凸表面的纳米结构模板是通过电子束曝光、全息光刻、利用两步氧化形成的多孔氧化铝结构、利用金属在退火条件下形成的自组织结构或利用硅石纳米颗粒形成的结构做掩膜通过干法刻蚀方法刻蚀而成，或直接利用聚焦离子束刻蚀而成，该纳米结构模板的表面是柱状结构，形状为圆柱、六方棱柱、四方棱柱、菱形柱体、立方棱柱、三角棱柱或者条形柱体，纳米结构模板11的高度从5nm到1μm，尺寸也是从5nm到1μm；
一插入层，该插入层外延生长在纳米结构模板的表面上，该插入层为InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料，通过调节铝铟的组分调节InxG1-xaN或者AlyGa1-yN材料的折射率，其中，0＜x≤1，0＜y≤1，插入层通过外延方法均匀生长在纳米结构模板的侧壁和表面，所以其为一包覆在模板上的包覆层，插入层厚度为5nm到2μm；
一N型欧姆接触层，该欧姆接触层外延生长在插入层上，该欧姆接触层上面的一侧形成有一台面；
一有源层，该有源层外延生长在N型欧姆接触层的台面的另一侧上；
一P型层，P型层外延生长在有源层上；
一透明电极层，该透明电极层制作在P型层上；
一P压焊电极，该压焊电极通过光刻制作在透明电极上；
一N欧姆接触电极，该欧姆接触电极22制作在N型欧姆接触层的台面上。
2.根据权利要求1所述的具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中所述的衬底为硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
3.根据权利要求1所述的具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中N型欧姆接触层为N型GaN材料，其厚度为200nm到3μm。
4.根据权利要求1所述的具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中有源层为多量子阱结构，周期数为5。
5.根据权利要求1所述的具有纳米结构插入层的GaN基LED，其中P型层为P型GaN材料，其厚度为100-500nm。
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