CN102709419B - 一种具有交叉光栅结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有交叉光栅结构的发光二极管及其制备方法，该发光二极管包括衬底（1），生长在衬底（1）上的具有第一光栅结构的介质薄膜层（2），与介质薄膜层（2）键合在一起的具有第二光栅结构的p型GaN外延层（3），生长在p型GaN外延层（3）上的InGaN多量子阱有源发光层（4）和生长在InGaN多量子阱有源发光层（4）上的n型GaN外延层（5），其中，第一光栅结构与第二光栅结构以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，构成交叉光栅结构。本发明有效提高发光二极管的出光效率，有利于进一步提高发光二级管的光提取效率和导热性能。

Description

一种具有交叉光栅结构的发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体照明的核心器件——发光二极管(LED)的制造技术领域，主要涉及具有交叉光栅的倒装LED结构及其制备方法，是一种能够应用于各种类型的衬底材料和发光波段、结构参数调节简便、可显著提高LED光提取效率的制造技术。

背景技术

目前LED仍存在成本高、发光效率低、可靠性差等问题，而且白光LED的发光功率还不高，这些问题均限制了LED在各个领域的应用。

LED的电光转换效率由内量子效率和光提取效率决定，现在的LED工艺已经可以将LED的内量子效率提高到一个很高的水平，而光提取效率则不然，还有很大的提升空间。所以现阶段，LED研究人员的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。理论^[1, 2]和实验^[3~5]均证明，在LED的表面或内部制备光子晶体结构，可以应用光子晶体结构所特有的光子禁带效应显著地提高LED的光提取效率。但光子晶体结构的制备需要对LED的外延层或者衬底进行一定深度的刻蚀，易破坏LED器件的层状结构参数，增加电阻率，而且光子晶体的制造工艺较复杂，成本因此也较高。

本发明所提供的具有交叉光栅结构的LED，一方面光栅的制作工艺较光子晶体简单，刻蚀深度一般也较浅，不容易影响LED的电学性质；另一方面二组光栅的结构参数可以分别灵活地进行调节，而且仅需在键合时调整二组光栅的相互夹角，就可以获得具有0~90°之间任意交叉角度的交叉光栅结构的LED，实现将原本射向衬底（非出光面）的某种波段的光反射回LED，从而有效提高LED的出光效率。

参考文献

[1] Shanhui Fana, Pierre R. Villeneuvea, J D. Joflnopou1osa, d E. F. Schubert. Enhanced light extraction in III-nitride ultraviolet photonic crystal light-emitting diodes. Proc. SPIE 3002, 67 (1997).

[2] 张雄，王璨璨，陈洪钧，张沛元，崔一平. 一种光子晶体结构发光二极管. 中国专利,  CN102361053A. 2012-02-22.

[3] J. Shakya, K. H. Kim, J. Y. Lin, and H. X. Jiang. Appl. Phys. Lett. 85, 142 (2004).

[4] Jonathan J. Wierer, Jr, Aurelien David and Mischa M. Megens. III-nitride photonic-crystal light-emitting diodes with high extraction ef?ciency. Nature Photonics 3, 163 - 169 (2009).

[5] J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler,  N. F. Gardner, et al. InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures. Appl. Phys. Lett. 84, 3885 (2004)。

发明内容

技术问题：针对上述目前存在的问题和不足，本发明的目的主要是为了解决现有LED器件的光提取效率不高，以及二维光子晶体结构制造工艺复杂等问题。本发明提供了一种具有交叉光栅结构的发光二极管及其制备方法，显著地增加光提取效率的具有交叉光栅结构的LED及其制备方法。本发明提供的、构成交叉光栅结构的二组光栅的结构参数可以分别独立地自由调节，可应用于各种类型的衬底材料和发光波段。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有交叉光栅结构的发光二极管，该发光二极管包括衬底，生长在衬底上的具有第一光栅结构的介质薄膜层，与介质薄膜层键合在一起的具有第二光栅结构的p型GaN外延层，生长在p型GaN外延层上的InGaN多量子阱有源发光层和生长在InGaN多量子阱有源发光层上的n型GaN外延层，其中，第一光栅结构与第二光栅结构以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，构成交叉光栅结构。

       优选的，所述交叉光栅结构的周期范围为100～1000 nm，刻蚀深度为10～200 nm。       

优选的，所述交叉光栅结构是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。

本发明还提供了一种具有交叉光栅结构的发光二极管的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在氮化镓基二极管的p型GaN外延层或铟锡氧化物透明电极层上制备一层具有第一周期和第一刻蚀深度的光栅结构，然后将氮化镓基发光二极管的衬底剥离掉；

步骤2：在第二衬底上直接制备，或者先在第二衬底上生长一层介质薄膜层，再在介质薄膜层上制备具有第二周期和第二刻蚀深度的光栅结构； 

步骤3：将上述分别带有光栅结构的氮化镓基发光二极管和第二衬底，以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，在二者的键合界面处形成具有交叉光栅结构的倒装发光二级管。

优选的，步骤2中，介质薄膜层为适用于半导体发光二极管中介质层的任何一种介质材料。

有益效果：本发明引入了交叉光栅结构，通过分别调整二组光栅的结构参数或者键合交叉角度，可以实现对原本射向衬底（非出光面）的某种波段的光的反射，显著地提高LED的光提取效率。且相较于二维光子晶体，交叉光栅结构的制作工艺简单、成本较低。

附图说明

图1为现有技术下蓝宝石衬底的LED基本结构示意图；

图2为本发明带有光栅结构的LED晶圆示意图；

图3为本发明带有光栅结构的衬底结构示意图；

图4为本发明具有交叉光栅结构的倒装LED结构示意图。

图5为本发明LED中交叉光栅结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的目的主要是为了解决现有LED器件的光提取效率不高，以及二维光子晶体结构制造工艺复杂等问题。本发明提供了一种可替代光子晶体结构，显著地增加光提取效率的具有交叉光栅结构的LED及其制备方法。本发明提供的、构成交叉光栅结构的二组光栅的结构参数可以分别独立地自由调节，可应用于各种类型的衬底材料和发光波段。

本发明提供的具有交叉光栅结构的LED是由在LED的顶部（铟锡氧化物层或者p型氮化镓层）预先制备有光栅结构的LED晶圆，与同样预先制备有同种或者异种光栅结构的某种衬底，以0～90°之间的任一交叉角度进行键合来实现的。因此以这种方法制备的、具有交叉光栅结构的LED为倒装结构LED，即n型半导体层和n型电极位于LED的上部，而p型半导体层和p型电极位于LED的下部，靠近衬底处，p型半导体层和衬底的交界处则为键合而成的交叉光栅。本发明提供的具有交叉光栅结构的LED之所以能够提高LED的光提取效率是因为，交叉光栅本身具有对某种光波段（与偏振无关）在较大角度范围内均可以实现宽带高反射等优良特性。

参见图4，本发明提供的具有交叉光栅结构的发光二极管，该发光二极管包括衬底1，生长在衬底1上的具有第一光栅结构的介质薄膜层2，与介质薄膜层2键合在一起的具有第二光栅结构的p型GaN外延层3，生长在p型GaN外延层3上的InGaN多量子阱有源发光层4和生长在InGaN多量子阱有源发光层4上的n型GaN外延层5，其中，第一光栅结构与第二光栅结构以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，构成交叉光栅结构。

       所述交叉光栅结构的周期范围为100～1000 nm，刻蚀深度为10～200 nm。       

所述交叉光栅结构是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。

所述交叉光栅结构是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。

所述具有交叉光栅结构的LED为倒装结构，即n型半导体层和n型电极位于LED的上部，而p型半导体层和p型电极位于LED的下部，靠近衬底处。

本发明提供的具有交叉光栅结构的发光二极管的制备方法，参见图1~5，该方法包括如下步骤：

步骤1：如图1~2所示，在普通的氮化镓基二极管的p型GaN外延层或铟锡氧化物透明电极层上制备一层具有周期和刻蚀深度的第一光栅结构，然后将氮化镓基发光二极管的衬底剥离掉；

步骤2：如图3所示，在第二衬底上直接制备，或者先在第二衬底上生长一层介质薄膜层2，再在介质薄膜层2上制备具有另一种周期和刻蚀深度的第二光栅结构； 

步骤3：如图4所示，将上述分别带有光栅结构的氮化镓基发光二极管和衬底，以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，在二者的键合界面处形成具有交叉光栅结构的倒装发光二级管。图5为倒装LED中交叉光栅结构的示意图，其中二组光栅键合角度θ的范围为0～90°，可以根据出射波段合理选择θ值。

步骤2中，介质薄膜层2为适用于半导体发光二极管中介质层的任何一种介质材料（例如二氧化硅、碳化硅、二氧化钛）。

本发明中的衬底材料可以选择具有良好导热导电性能的材料（例如硅、碳化硅），则倒装后的LED可以采用垂直结构，这样可以明显改善器件的电流分布和散热性能，从而可延长器件的使用寿命。

本发明中的氮化镓基LED结构为倒装结构，通过在普通的氮化镓基LED的p型GaN层制备一层光栅结构然后再键合的方法，实现了具有交叉光栅结构LED的制备，其制备工艺简单易行，光栅结构参数调节简便。

更重要的是，本发明所提供的交叉光栅结构，不仅具有对某种波段光的高反射性，而且还拥有其特有的宽平面反射带效应。无论是二种光栅的结构参数，还是二种光栅的键合交叉角度，均能根据LED出射光的对应波段的要求分别独立自由调节，以实现将原本射向衬底（非出光面）的光反射回LED，从而有效提高LED的出光效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种具有交叉光栅结构的发光二极管，其特征在于：该发光二极管包括衬底(1)，生长在衬底(1)上的具有第一光栅结构的介质薄膜层(2)，与介质薄膜层(2)键合在一起的具有第二光栅结构的p型GaN外延层(3)，生长在p型GaN外延层(3)上的InGaN多量子阱有源发光层(4)和生长在InGaN多量子阱有源发光层(4)上的n型GaN外延层(5)，其中，第一光栅结构与第二光栅结构以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，构成交叉光栅结构；

所述交叉光栅结构的周期范围为100～1000nm，刻蚀深度为10～200nm；

所述交叉光栅结构是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。

2.一种如权利要求1所述的具有交叉光栅结构的发光二极管的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：在氮化镓基二极管的p型GaN外延层或铟锡氧化物透明电极层上制备一层具有第一周期和第一刻蚀深度的光栅结构，然后将氮化镓基发光二极管的衬底剥离掉；

步骤2：在第二衬底上直接制备，或者先在第二衬底上生长一层介质薄膜层(2)，再在介质薄膜层(2)上制备具有第二周期和第二刻蚀深度的光栅结构；

步骤3：将上述分别带有光栅结构的氮化镓基发光二极管和第二衬底，以0～90°之间的任一交叉角度键合在一起，在二者的键合界面处形成具有交叉光栅结构的倒装发光二级管。