CN102194941A

CN102194941A - 内置空腔的高效率发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN102194941A
Application number: CN 201010549103
Authority: CN
Inventors: 徐瑾; 张建宝; 魏世桢; 刘榕; 王江波
Original assignee: HC Semitek Corp
Current assignee: HC Semitek Corp
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明提出了一种内置空腔的高效率发光二极管及其制备方法，包括在衬底上用高熔点材料制作图形衬底；在图形衬底上沉积N型GaN，在图形顶端形成凹坑，凹坑直径0.2～1.2微米；通过腐蚀去除高熔点材料，形成空腔；继续生长N型GaN，将空腔上端的缺口封住；生长量子阱和P型GaN；制作透明电极，P压焊点，N压焊点。采用本发明提供的内置空腔的高效率发光二极管，可以显著提高光的抽取效率。

Description

内置空腔的高效率发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其制备，尤其是一种内置空腔的高效率发光二极管及其制备。

背景技术

发光二极管(LED)的发光效率主要由两方面因素决定：一是LED发光层的电光转换效率，一般由器件的内量子效率表征；二是光子从发光层逸出到空气中的效率，一般由光的抽取效率表征。目前，典型的GaN蓝光LED的内量子效率可达70％以上，因此进一步大幅度提高内量子效率的空间有限。而相对于内量子效率，普通GaN基LED的抽取效率则很低，这是由于GaN与空气的折射系数相差很大，GaN与空气界面的全反射临界角为23度，在有源区产生的光仅有很小一部分可以射出到空气中。为了提高光的抽取效率，目前普遍采用的办法是制作图形化的衬底，提高光从外延层进入衬底时的反射率，从而提高芯片正面的出光效率。目前图形衬底制作方式主要有两类：

一种方法是利用蓝宝石材料本身制作图形【参考Jae-Hoon Lee等人的文献Phys.Stat.So1.(c)3，No.6，2169-2173(2006)和T.V.Cuong等人的文献Appl.Phys.Lett.90，131107(2007)】。这种方法存在明显的缺陷：制作过程需要刻蚀蓝宝石，由于蓝宝石材料比较坚硬，干法刻蚀需要高密度等离子体和氦气冷却系统，使工艺过程复杂化；湿法腐蚀蓝宝石需要在高温条件下使用强酸，使图形的均匀性和重复性更加难以控制。

另外一种方法是在蓝宝石衬底上用其它材料制作图形。比如用SiO2在蓝宝石衬底上制作纳米图形【参考C.H.Chiu等人的文献Appl.Phys.Lett.93，081108(2008)】，这种制作方法比较简单，但是由于SiO2的折射率(1.5)仅比蓝宝石(1.8)稍低，对光进入衬底时反射率的提高也很有限。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过利用空腔来提高光抽取效率的发光二极管的结构，本发明的另一目的是提供内置空腔的高效率发光二极管的制备方法。

发明的技术方案为：一种内置空腔的高效率发光二极管，该发光二极管包括衬底，衬底上形成的相互分开的空腔，空腔上的GaN基发光二极管。所述的衬底为蓝宝石、SiC或Si的。空腔的高度在0.2～3.0微米之间，空腔的间距在0.2～10.0微米之间，空腔呈半球形、圆锥形、圆柱形或圆台形，空腔的下底直径在0.2～10.0微米之间。空腔上的GaN基发光二极管包括：N型GaN，量子阱，P型GaN，透明电极，P压焊点，N压焊点。

一种内置空气的高效率发光二极管制备方法，其步骤：1)在衬底上用高熔点材料沉积一层薄膜；2)通过光刻，刻蚀在衬底上用高熔点材料制作图形衬底；3)在图形衬底上沉积N型GaN；4)放入腐蚀溶液，去除高熔点材料，形成空腔；5)继续生长N型GaN，将空腔上端的缺口封住；6)生长量子阱和P型GaN；7)制作透明电极，P压焊点，N压焊点。步骤1)所述的衬底可以是蓝宝石、SiC或Si；高熔点材料可以为SiO2、SiC、SiNx、TiO2，所述的薄膜厚度在0.2～3.0微米之间；薄膜制备方法可以为PECVD、电子束蒸发、溅射或旋涂法。步骤2)所述的在衬底上制作的图形，是通过干法刻蚀或湿法腐高熔点材料实现的，衬底上的图形呈半球形、圆锥形、圆柱形或圆台形；图形的下底直径在0.2～10.0微米之间；图形的高度在0.2～3.0微米之间；图形的间距在0.2～10.0微米之间。步骤3)所述的图形衬底上沉积的N型GaN，在图形顶端形成凹坑，凹坑直径0.2～1.2微米。步骤4)所述去除高熔点材料的腐蚀溶液是可以腐蚀高熔点材料、不腐蚀GaN晶体材料。步骤5)所述继续生长的N型GaN，是通过横向生长将空腔上端的缺口封住。所述的透明电极，可以是ITO、ZnO或NiAu。

本发明的优点在于：在衬底上形成的空腔，一方面增加了光从外延层进入衬底时的入射角度，另一方面空腔的折射率1.0，远小于蓝宝石(折射率1.8)。这样空腔对光的反射率大大增加，使得更多的光从透明电极出射，增加了光的抽取效率。

附图说明

图1为衬底上用高熔点材料制作的图形衬底的俯视图；

图2为衬底上用高熔点材料制作的图形衬底的横截面示意图；

图3为第一次沉积N型GaN后的示意图；

图4为腐蚀去除高熔点材料，形成空腔后的示意图；

图5为第二次生长N型GaN后的示意图；

图6为生长量子阱和P型GaN后的示意图；

图7为最终的高效率发光二极管示意图。

其中a为衬底，b为N型GaN，c为量子阱，d为P型GaN，e为透明电极，f为P压焊点，g为N压焊点。

具体实施方式

以下以采用SiO2材料为例，说明内置空腔的高效率发光二极管及其制备方法，步骤为：

(1)在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2薄膜，厚度为1.8微米；

(2)通过光刻，刻蚀在蓝宝石上制作出彼此分开的半球状SiO2图形，如图1和图2所示，半球下底半径为4微米，球体间距1微米，球体高度1.8微米；

(3)如图3所示，在图形衬底上沉积1.6微米的N型GaN，在半球顶端形成0.5微米的凹坑；

(4)用HF腐蚀去除SiO2材料，形成空腔，如图4所示；

(5)继续生长N型GaN，将空腔上端的缺口封住，如图5所示。

(6)沉积量子阱，和P型GaN，如6所示；

(7)制作ITO透明电极，P压焊点，N压焊点，形成最终的高效率发光二极管，如图7所示。

应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种内置空腔的高效率发光二极管，其特征在于：该发光二极管包括衬底，衬底上形成的相互分开的空腔，空腔上的GaN基发光二极管。

2.根据权利要求1所述内置空腔的高效率发光二极管，其特征在于：所述的衬底为蓝宝石、SiC或Si的。

3.根据权利要求1所述内置空腔的高效率发光二极管，其特征在于：空腔的高度在0.2～3.0微米之间，空腔的间距在0.2～10.0微米之间，空腔呈半球形、圆锥形、圆柱形或圆台形，空腔的下底直径在0.2～10.0微米之间。

4.根据权利要求1所述内置空气的高效率发光二极管，其特征在于：所述的空腔上的GaN基发光二极管包括：N型GaN，量子阱，P型GaN，透明电极，P压焊点，N压焊点。

5.一种内置空气的高效率发光二极管制备方法，其步骤：

1)在衬底上用高熔点材料沉积一层薄膜；

2)通过光刻，刻蚀在衬底上用高熔点材料制作图形衬底；

3)在图形衬底上沉积N型GaN；

4)放入腐蚀溶液，去除高熔点材料，形成空腔；

5)继续生长N型GaN，将空腔上端的缺口封住；

6)生长量子阱和P型GaN；

7)制作透明电极，P压焊点，N压焊点。

6.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤1)所述的衬底可以是蓝宝石、SiC或Si。

7.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤1)所述的高熔点材料可以为SiO2、SiC、SiNx、TiO2，所述的薄膜厚度在0.2～3.0微米之间。

8.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤1)所述的薄膜制备方法可以为PECVD、电子束蒸发、溅射或旋涂法。

9.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤2)所述的在衬底上制作的图形，是通过干法刻蚀或湿法腐高熔点材料实现的，衬底上的图形呈半球形、圆锥形、圆柱形或圆台形；图形的下底直径在0.2～10.0微米之间；图形的高度在0.2～3.0微米之间；图形的间距在0.2～10.0微米之间。

10.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤3)所述的图形衬底上沉积的N型GaN，在图形顶端形成凹坑，凹坑直径0.2～1.2微米。

11.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤4)所述去除高熔点材料的腐蚀溶液是可以腐蚀高熔点材料、不腐蚀GaN晶体材料。

12.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤5)所述继续生长的N型GaN，是通过横向生长将空腔上端的缺口封住。

13.如权利要求5所述的内置空腔的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤7)所述的透明电极，可以是ITO、ZnO或NiAu。