CN102867895A - 一种有效提高led侧面出光的外延结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效提高LED侧面出光的外延结构及其制造方法，其包括采用GaN/AlGaN超晶格结构来替代普通GaN外延层，该半导体外延器件外延层由下往上依次为蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、发光层、GaN/AlGaN超晶格和P型层，其中GaN/AlGaN超晶格紧挨着多量子阱(MQW)的最后一个量子垒。本发明的LED器件是基于ICP刻蚀对GaN与AlGaN刻蚀速度不同的原理，实现LED芯片侧面锯齿状的轮廓。该结构增加了芯片侧壁的出光面积，改变了芯片的出光角度，从而能有效提高光子从GaN/AlGaN超晶格层侧面出光的效率。本发明通过侧壁微结构工艺技术，能提高芯片的出光效率10%以上。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体器件领域，尤其是涉及一种可以有效提高侧面出光的LED芯片结构。
背景技术
发光二极管(LED)的固态照明光源因其功耗低、寿命长、体积小及可靠性高而受到人们的追捧。而然，GaN基 LED有非常大的一个缺陷就是其发光效率较低。GaN基 LED 的内量子效率已经达到90%，而普通LED的外量子效率由于受到全反射的影响仅为5%。外量子效率为内量子效率与提取效率的乘积，发光效率主要受外量子效率限制。从LED 有源层发出的光子，需要透过器件内部才能到达空气中。GaN材料的折射为2.4，空气的折射率为1. 0，全反射角24. 5，大于全反射角的光子将被反射回去（Hao M, Egawa T, Ishikawa H. Highly efficient GaNbased light emitting diodes with micro pits [ J] . Appl. Phys. Lett. , 2006, 89: 241907）。
对于传统矩形腔结构LED，其结构如附图1所示，大于全反射角的光子会在器件内部来回多次反射，在多次反射过程中，有一部分光子会到达器件的侧面，通过侧面出射，一部分光子则在多次反射过程始终无法出射而最终被吸收，理论上大约只有20%的光子能从器件出射（Windisch R, Dutta B, Kuijk M, et al. 40% efficient thin film surface textured light emitting diodes by optimization of natural lithography [ J ] . Electron Devices, 2000, 47: 1492-1498）。为了能使更多的光子逃逸出去，可以对器件表面进行粗化（Fujii T, Gao Y, Nakamur a S, et al. Increase in the extraction efficiency of GaN based light emitting diodes via surface roughening [ J] . Appl. Phy s. Lett. , 2004, 84( 6) : 855-857）。针对传统的GaA s 基等LED 器件，通过自然光刻和ICP刻蚀方法（邓彪，刘宝林. 侧面粗化提高GaN基LED出光效率研究[J].半导体光电，2011，32（3）：352-354），可以有效地对表面进行粗化。然而对于GaN基LED 来说，由于p型层很薄，且刻蚀深度不易控制，刻蚀后对器件造成很大的损伤，实现商业化应用很困难（李芬. GaN基LED表面粗化结构制备技术研究[D];西安电子科技大学;2011年）。因此，对器件的侧面进行粗化来达到提高出光效率不惜是一个较好的方法。
在不考虑光被吸收的情况下，有源区产生的光子向器件表面出光时，当入射角大于全反射角（约24.5°）时，光子由于全反射将会在器件内部来回反射，并被GaN材料的多次吸光，最终衰减到零，一部分光子始终无法透过器件表面。其中一部分光子会由芯片表面及内部经多次反射最终将会从芯片的侧面出。对于这些到达器件侧面的光子来说，此时的侧面等效于器件的表面，同样存在全反射问题，所以，对侧面进行粗化可以达到与表面粗化相同的效果，从而提高LED 的出光效率（魏伟. 侧面倾斜于粗糙化提高GaN基LED出光效率的研究[D];长春理工大学;2007年）。在传统GaN基LED 制备工艺过程中，在进行台面刻蚀的时候，利用ICP刻蚀对GaN与AlGaN刻蚀速度不同的原理，实现刻蚀后LED芯片侧面锯齿状的侧面，这种方法在工艺实现上非常简便，不用增加任何芯片工艺流程，实用价值非常高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的LED芯片侧出光率低的问题，提供一种增加侧面出光率的LED芯片结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种有效提高LED侧面出光的外延结构，该结构位于生长衬底上，包括N型层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层，以及p型层，其中，所述的GaN/AlGaN超晶格层横截面的侧面边缘具有锯齿形或波浪形的轮廓，通过侧壁微结构工艺技术，能提高芯片的出光效率10%以上。
作为进一步优化方案，所述生长衬底包括Si衬底、SiC衬底、平面或图形化蓝宝石衬底。
作为进一步优化方案，所述GaN/AlGaN超晶格层的总厚度小于等于30 nm。
根据本发明的另一方面，提供了一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，在磊晶过程中，依次在生长衬底上生成N型层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层、p型层，所述的GaN/AlGaN超晶格层在相同气压、温度、气体氛围下生长生成；在ICP刻蚀过程中，调整ICP刻蚀功率和刻蚀速度以区分AlGaN和GaN层的速度达到侧面粗化的目的，通过调节激光源的脉冲频率将所述的GaN/AlGaN超晶格层的侧面边缘划成锯齿形或波浪形的轮廓，通过侧壁微结构工艺技术，能提高芯片的出光效率10%以上。
作为进一步优化方案，所述生长衬底包括Si衬底、SiC衬底、平面或图形化蓝宝石衬底。
作为进一步优化方案，所述GaN/AlGaN超晶格层的总厚度小于等于30 nm。
作为进一步优化方案，所述的GaN/AlGaN超晶格层中的GaN层为不掺杂层，AlGaN层Al组分为15%，以达到ICP刻蚀过程中对两层刻蚀速度不一致的要求。
作为进一步优化方案，所述AlGaN层掺有In材料以调整晶格应力。
作为进一步优化方案，所述AlGaN层中In组分为5%-8%。
与现有技术相比，本发明通过超晶格结构的加入，利用ICP刻蚀对两种材料的刻蚀速度不一致，实现芯片侧面粗化的目的，从而提高LED芯片的侧面出光效率，可有效提升芯片的外量子效率；由于仅引入了超晶格层，从而无需另外增加任何芯片工艺，与现有的芯片工艺完全兼容。
附图说明
附图1是传统LED外延片的剖面结构示意图；
附图2是本发明实施例的具有GaN/AlGaN超晶格的LED外延片的剖面结构示意图；
附图3是本发明实施例的具有GaN/AlGaN超晶格的LED正装芯片的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见附图2和附图3所示，一种有效提高LED侧面出光的外延结构，该结构位于生长衬底上，包括N型GaN层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层，以及p型GaN层，其中，GaN/AlGaN超晶格紧挨着多量子阱(MQW)的最后一个量子垒，该超晶格层需要在同一气压，同一温度、同一氛围下生长的薄膜，其横截面的侧面边缘具有锯齿形或波浪形的轮廓。GaN/AlGaN超晶格层的总厚度小于等于30 nm。
此外，需要指出的是生长衬底包括Si衬底、SiC衬底、平面或图形化蓝宝石衬底，而N型层的下方还可以设置有一缓冲层。
以下详述该外延结构的制造工艺。
首先，在磊晶过程中，依次在生长衬底上生成N型GaN层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层、p型GaN层， GaN/AlGaN超晶格层在相同气压、温度、气体氛围下生长生成，即在有源层和pGaN之间插入一GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlGaN超晶格紧挨着多量子阱(MQW)的最后一个量子垒，GaN/AlGaN超晶格总厚度不超过30 nm，GaN为不掺杂层，AlGaN层Al组分约15%，以达到ICP对两层刻蚀速度不一致的要求，其中AlGaN层中需要掺入少量的In，调整晶格应力，In组分5%-8%。
其次，在ICP刻蚀过程中，调整ICP刻蚀功率和刻蚀速度以区分AlGaN和GaN层的速度达到侧面粗化的目的，通过调节激光源的脉冲频率将所述的GaN/AlGaN超晶格层的侧面边缘划成锯齿形或波浪形的轮廓，该微结构增加了芯片侧壁的出光面积，改变了芯片的出光角度，从而能有效提高光子从GaN/AlGaN超晶格层侧面出光的效率。
最后，在半导体外延层上制备电极以及后续其余工艺。
与现有技术相比，本发明通过超晶格结构的加入，利用ICP刻蚀对两种材料的刻蚀速度不一致，实现芯片侧面粗化的目的，从而提高LED芯片的侧面出光效率，可有效提升芯片的外量子效率；由于仅引入了超晶格层，从而无需另外增加任何芯片工艺，与现有的芯片工艺完全兼容。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种有效提高LED侧面出光的外延结构，其特征在于：该结构位于生长衬底上，包括N型层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层，以及p型层，其中，所述的GaN/AlGaN超晶格层横截面的侧面边缘具有锯齿形或波浪形的轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构，其特征在于：所述生长衬底包括Si衬底、SiC衬底、平面或图形化蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构，其特征在于：所述GaN/AlGaN超晶格层的总厚度小于等于30 nm。
4.一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：在磊晶过程中，依次在生长衬底上生成N型层、有源层、GaN/AlGaN超晶格层、p型层，所述的GaN/AlGaN超晶格层在相同气压、温度、气体氛围下生长生成；在ICP刻蚀过程中，调整ICP刻蚀功率和刻蚀速度以区分AlGaN和GaN层的速度，通过调节激光源的脉冲频率将所述的GaN/AlGaN超晶格层的侧面边缘划成锯齿形或波浪形的轮廓。
5.根据权利要求4所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：所述生长衬底包括Si衬底、SiC衬底、平面或图形化蓝宝石衬底。
6.根据权利要求4所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：所述GaN/AlGaN超晶格层的总厚度小于等于30 nm。
7.根据权利要求4所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：所述的GaN/AlGaN超晶格层中的GaN层为不掺杂层，AlGaN层Al组分为15%，以达到ICP刻蚀过程中对两层刻蚀速度不一致的要求。
8.根据权利要求7所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：所述AlGaN层掺有In材料以调整晶格应力。
9.根据权利要求8所述的一种有效提高LED侧面出光的外延结构的制造方法，其特征在于：所述AlGaN层中In的组分为5%-8%。
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