CN102931308B - 渐变半径光子晶体发光二极管制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，包括：取一氮化镓基发光二极管外延片；在外延片的P型GaN接触层上生长ITO层；在ITO层上淀积一层SiO2层，在SiO2层上制作掩膜板图形；根据掩膜板图形腐蚀去掉外延片一侧的部分SiO2层、P型GaN接触层、有源层和N型GaN接触层，腐蚀深度至N型GaN接触层内；在ITO层上向下刻蚀制作第一层光子晶体结构；在第一层光子晶体结构的基础上向下刻蚀制作与第一层光子晶体结构晶格常数相同的第二层光子晶体结构；在GaN接触层一侧形成的台面上制作N电极；在ITO层上第一层光子晶体结构的一侧制作P电极，完成器件的制作。本发明增加了发光二极管的光提取效率。

Description

渐变半径光子晶体发光二极管制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种可以提高光提取效率的渐变半径光子晶体发光二极管制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管具有寿命长、亮度高、体积小、节能、抗震动冲击等优点，它是制造白光发光二极管的核心部分，在指示灯、景观照明显示屏、背光照明特别是照明光源上有广泛的应用前景，最近国家发改委发布了关于禁止销售和出口白炽灯的报告，很多部门和地方政府开始大力推广发光二极管照明，其中2012年国务院安排22亿元支持推广节能灯和发光二极管灯。
然而，发光二极管与外界空气界面处全内反射使得发光二极管的外量子效率很低，大部分有源区发出的光被限制在发光二极管内部，较低的光提取效率极大制约了发光二极管的发展。因此，提高发光二极管的光提取效率对于发光二极管的发展和推广是刻不容缓的。之前关于在发光二极管表面刻蚀合适结构的光子晶体的研究，集中在使发光二极管发光落在泄漏模区域，减小发光二极管表面对光的反射，可以提高发光二极管的光提取效率。Jong Kyu Kim等在其文章[Light-Extraction Enhancement of GaInNLight-Emitting Diodes by Graded-Refractive-Index Indium Tin OxideAnti-ReflectionContact]中在发光二极管采用倾斜沉积方法生长六层渐变折射率的ITO，与常规ITO型的发光二极管相比，出光效率提高了24.3％。
我们希望通过在发光二极管表面ITO层刻蚀渐变半径的光子晶体达到与采用倾斜沉积方法生长渐变折射率的ITO类似的效果，同时结合光子晶体泄漏模特性，获得更高的光提取效率。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种提高光提取效率的渐变半径光子晶体发光二极管制备方法。通过在ITO层上刻蚀两层光子晶体，有源区发出的光经过两次衍射使光提取到发光二极管的外面，同时两层光子晶体由于空气孔直径不同，第一层光子晶体层的有效折射率较低，第二层光子晶体层的有效折射率较高，渐变折射率使得有源区的光出射的反射率降低，增加了发光二极管的光提取效率。
本发明提供一种渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取一氮化镓基发光二极管外延片，该外延片包括在衬底基片上依次生长的GaN缓冲层、N型GaN接触层、有源层和P型GaN接触层；
步骤2：在外延片的P型GaN接触层上生长ITO层；
步骤3：在ITO层上淀积一层SiO2层，在SiO2层上制作掩膜板图形；
步骤4：根据掩膜板图形腐蚀去掉外延片一侧的部分SiO2层、P型GaN接触层、有源层和N型GaN接触层，腐蚀深度至N型GaN接触层内，使暴露的N型GaN接触层的一侧形成台面；
步骤5：在ITO层上向下刻蚀制作第一层光子晶体结构；
步骤6：在第一层光子晶体结构的基础上向下刻蚀制作与第一层光子晶体结构晶格常数相同的第二层光子晶体结构；
步骤7：在GaN接触层一侧形成的台面上制作N电极；
步骤8：在ITO层上第一层光子晶体结构的一侧制作P电极，完成器件的制作。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明的制备流程图；
图2至图5为本发明渐变半径光子晶体发光二极管制备过程的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1并结合参阅图2-图5所示，本发明提供一种渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，包括以下步骤(参阅图1)：
步骤1：取一氮化镓基发光二极管外延片10，该外延片10包括在衬底基片11上采用有机金属化学气相沉积或者悬空外延片技术依次生长的GaN缓冲层12、N型GaN接触层13、有源层14和P型GaN接触层15，该外延片10中的衬底基片11的材料为蓝宝石、硅、ZnO或SiC(参阅图2)；
步骤2：在外延片10的P型GaN接触层15上采用磁控溅射、蒸发、化学气相沉积或者热喷涂生长ITO层20，该ITO层经过合金化处理，具有低电阻率和高透光率的特性，在ITO上刻蚀光子晶体同时可以避免刻蚀对有源区的损伤。该ITO层20的厚度为0.2-2微米(参阅图3)；
步骤3：在ITO层20上采用等离子体增强化学气相沉积生长或者热氧化生长方式淀积一层SiO2层，在SiO2层上光刻制作掩膜板图形；
步骤4：根据掩膜板图形腐蚀去掉外延片10一侧的部分SiO2层、P型GaN接触层15、有源层14和N型GaN接触层13，腐蚀深度至N型GaN接触层13内，使暴露的N型GaN接触层13的一侧形成台面131(参阅图4)，所述的形成台面131分两步进行，首先将暴露部分的ITO刻蚀掉，ITO刻蚀液为一定比例的HCl、HNO3、H2O配制而成，然后用ICP刻蚀法刻蚀GaN基发光二极管外延片的N型GaN接触层13；
步骤5：在ITO层20上向下刻蚀制作第一层光子晶体结构30，所述的刻蚀第一层光子晶体结构30的方法为激光干涉刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。所述的第一层光子晶体结构30为多个圆形的空气孔，该空气孔为矩阵排列，所述的第一层光子晶体结构30的晶格常数为0.3-3微米，所述的第一层光子晶体结构30的空气孔的直径为0.2-0.9倍的晶格常数；
步骤6：在第一层光子晶体结构30的基础上向下刻蚀制作与第一层光子晶体结构30晶格常数相同的第二层光子晶体结构40。所述的刻蚀第二层光子晶体结构40的方法为激光干涉刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。所述的第二层光子晶体结构40与第一层光子晶体结构重叠，该第二层光子晶体结构40的空气孔的直径小于第一层光子晶体结构30的空气孔的直径，空气孔的直径为0.1-0.8倍的晶格常数。所述的第一层光子晶体结构30和第二层光子晶体结构40的深度之和小于或等于ITO层20的厚度。所述的第一层光子晶体结构30与第二层光子晶体结构40的空气孔为同心圆。
步骤7：在GaN接触层13一侧形成的台面131上制作N电极60(参阅图5)；
步骤8：在ITO层20上第一层光子晶体结构30的一侧制作P电极70，完成器件的制作(参阅图5)。
本发明的最大特点是：提出了一种渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，这种在ITO上刻蚀光子晶体可以避免刻蚀对有源区的损伤，渐变半径光子晶体相对于无光子晶体结构发光二极管有较高的光提取效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取一氮化镓基发光二极管外延片，该外延片包括在衬底基片上依次生长的GaN缓冲层、N型GaN接触层、有源层和P型GaN接触层；
步骤2：在外延片的P型GaN接触层上生长ITO层；
步骤3：在ITO层上淀积一层SiO2层，在SiO2层上制作掩膜板图形；
步骤4：根据掩膜板图形腐蚀去掉外延片一侧的部分SiO2层、P型GaN接触层、有源层和N型GaN接触层，腐蚀深度至N型GaN接触层内，使暴露的N型GaN接触层的一侧形成台面；
步骤5：在ITO层上向下刻蚀制作第一层光子晶体结构，该第一层光子晶体结构为多个圆形的空气孔，该空气孔为矩阵排列，第二层光子晶体结构与第一层光子晶体结构重叠，第一层光子晶体结构与第二层光子晶体结构的空气孔为同心圆；
步骤6：在第一层光子晶体结构的基础上向下刻蚀制作与第一层光子晶体结构晶格常数相同的第二层光子晶体结构，该第二层光子晶体结构的空气孔的直径小于第一层光子晶体结构的空气孔的直径，第一层光子晶体结构和第二层光子晶体结构的深度之和小于或等于ITO层的厚度；
步骤7：在GaN接触层一侧形成的台面上制作N电极；
步骤8：在ITO层上第一层光子晶体结构的一侧制作P电极，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，其中外延片中的衬底基片的材料为蓝宝石、硅、ZnO或SiC。
3.根据权利要求1所述的渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，其中ITO层的厚度为0.2-2微米。
4.根据权利要求1所述的渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，其中第一层光子晶体结构的晶格常数为0.3-3微米；第一层光子晶体结构的空气孔的直径为0.2-0.9倍的晶格常数。
5.根据权利要求1所述的渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，其中第二层光子晶体结构的晶格常数为0.3-3微米；第二层光子晶体结构的空气孔的直径为0.1-0.8倍的晶格常数。
6.根据权利要求1所述的渐变半径光子晶体发光二极管的制备方法，其中刻蚀第一层光子晶体结构和第二层光子晶体结构的方法为激光干涉刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。
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