CN103474549B - 半导体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体结构，其包括：一第一半导体层；一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述第一半导体层的一表面；以及一金属陶瓷层，其设置于所述第二半导体层远离第一半导体层的表面并接触设置。所述半导体结构在应用中具有良好的发光效果。

Description

半导体结构
技术领域
本发明涉及一种半导体结构。
背景技术
由氮化镓半导体材料制成的高效蓝光、绿光和白光半导体结构具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明、交通信号、多媒体显示和光通讯等领域，特别是在照明领域具有广阔的发展潜力。
传统的半导体结构通常包括一基底、N型半导体层、P型半导体层、设置在N型半导体层与P型半导体层之间的活性层、设置在P型半导体层上的P型电极(通常为透明电极)以及设置在N型半导体层上的N型电极。所述N型半导体层、活性层以及P型半导体层依次层叠设置在基底表面。所述P型半导体层远离基底的表面作为半导体结构的出光面。半导体结构处于工作状态时，在P型半导体层与N型半导体层上分别施加正、负电压，这样，存在于P型半导体层中的空穴与存在于N型半导体层中的电子在活性层中发生复合而产生光，光从半导体结构中射出。然而，来自活性层的近场倏逝光波(衰减距离小于20纳米的波)在向外辐射的过程中均由于迅速衰减而无法出射，从而被限制在半导体结构的内部，被半导体结构内的材料完全吸收，影响了半导体结构的出光率。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种光取出效率较高的半导体结构。
一种半导体结构，其包括：依次层叠设置的一第一半导体层；一活性层以及一第二半导体层；以及一金属陶瓷层，其设置于所述第二半导体层远离第一半导体层的表面并接触设置。
与现有技术相比，本发明提供的半导体结构具有以下有益效果：虽然活性层产生的近场倏逝波中的大部分会在传播过程中衰减，但是仍有少量的近场倏逝波会传播至金属陶瓷层，由活性层产生的微量近场倏逝波到达金属陶瓷层后，在金属陶瓷层的作用下近场倏逝波被放大并转换成为金属等离子体，金属等离子体被金属陶瓷层散射，从而向周围传播，金属等离子体由基底一侧出射并耦合成为可见光，如此，可使活性层中产生的金属等离子体被提取。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的半导体结构的结构示意图。
图2为本发明第二实施例提供的半导体结构的结构示意图。
图3为本发明第三实施例提供的半导体结构的结构示意图。
图4为本发明第四实施例提供的半导体结构的结构示意图。
图5为图4中的半导体结构中形成有三维纳米结构的第二半导体层的结构示意图。
图6为图4中的半导体结构中形成有三维纳米结构的第二半导体层的扫描电镜示意图。
图7为本发明第五实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图8为本发明第六实施例提供的制备图7中的发光二极管的工艺流程图。
图9为本发明第七实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图10为本发明第八实施例提供的制备图9中的发光二极管的工艺流程图。
图11为本发明第九实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图12为本发明第十一实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图13为本发明第十二实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图14为本发明第十三实施例提供的波导管的结构示意图。
图15为本发明第一实施例提供的发光二极管的增强因子和频率的关系图。
主要元件符号说明
10 半导体结构
20 发光二极管
30 太阳能电池
32 第一收集电极
34 第二收集电极
40 波导管
110 基底
112 外延生长面
116 缓冲层
120 第一半导体层
124 第一电极
126 第一硅层
130 活性层
136 光电转换层
140 第二半导体层
140a 本体部分
140b 凸起部分
143 三维纳米结构
144 第二电极
146 第二硅层
150 保护层
160 金属陶瓷层
161 金属陶瓷层的第一侧面
162 金属陶瓷层的第二侧面
170 反射元件
310 入光端面
320 出光端面
1132 第一凸棱
1134 第二凸棱
1136 第一凹槽
1138 第二凹槽
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的半导体结构、发光二极管及其制备方法的实施例以及具体实施例。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种半导体结构10，其包括一基底110、一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150以及一金属陶瓷层160。所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述基底110的一外延生长表面112，所述缓冲层116靠近所述基底110的一外延生长表面112设置。可以理解，所述半导体结构10可仅包括所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160。
所述基底110为一透明材料，其提供了用于生长第一半导体层120的一外延生长面112。所述基底110的外延生长面112是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等杂质。所述基底110可为单层或多层结构。当所述基底110为单层结构时，该基底110可为一单晶结构体，且具有一晶面作为第一半导体层120的外延生长面112。所述单层结构的基底110的材料可以SOI(silicon oninsulator，绝缘基底上的硅)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn或GaP:N等。当所述基底110为多层结构时，其需要包括至少一层上述单晶结构体，且该单晶结构体具有一晶面作为第一半导体层120的外延生长面112。所述基底110的材料可以根据所要生长的第一半导体层120来选择，优选地，使所述基底110与第一半导体层120具有相近的晶格常数以及热膨胀系数。所述基底110的厚度、大小和形状不限，可以根据实际需要选择。所述基底110不限于上述列举的材料，只要具有支持第一半导体层120生长的外延生长面112的透明基底110均属于本发明的保护范围。本发明第一实施例中，基底110的材料为蓝宝石。可以理解地，本发明中所述述基底110的远离活性层130的表面作为出光面，因此，可对所述基底110的远离活性层130的表面进行抛光，使该表面具有一定的粗糙度，从而可使活性层130中产生的光更好的出射。
所述缓冲层116设置于基底110和第一半导体层120之间，并与基底110和第一半导体层120分别接触，此时第一半导体层120靠近基底110的表面与缓冲层116接触。所述缓冲层116有利于提高材料的外延生长质量，减少晶格失配，使所述第一半导体层120的生长质量较好。所述缓冲层116的厚度为10纳米至300纳米，其材料为低温氮化镓或低温氮化铝等。优选地，所述缓冲层116的厚度为20纳米至50纳米。本实施例中，所述缓冲层116的材料为低温氮化镓，其厚度为20纳米。
所述第一半导体层120的厚度可以根据需要制备。具体地，所述第一半导体层120的生长的厚度可为1微米至15微米。所述第一半导体层120为一掺杂的半导体层，该掺杂的半导体层可为N型半导体层或P型半导体层两种类型，所述N型半导体层的材料包括N型氮化镓、N型砷化镓及N型磷化铜等中的一种，所述P型半导体层的材料包括P型氮化镓、P型砷化镓及P型磷化铜等材料中的一种。所述N型半导体层具有提供电子移动场所的作用，所述P型半导体层具有提供空穴移动场所的作用。本实施例中，所述第一半导体层120为Si掺杂的N型氮化镓，其厚度为1460纳米。
所述第二半导体层140可为N型半导体层或P型半导体层两种类型，并且所述第二半导体层140与第一半导体层120中的掺杂的半导体层分属两种不同类型的半导体层。所述第二半导体层140设置于金属陶瓷层160和活性层130之间。所述第二半导体层140的厚度可以根据需要制备。优选地，所述第二半导体层140的厚度为5纳米至20纳米。优选地，所述第二半导体层140的厚度为10纳米至20纳米。优选地，所述第二半导体层140的厚度为10纳米至30纳米。具体地，所述第二半导体层140的厚度可为10纳米、15纳米、20纳米或30纳米。本实施例中，所述第二半导体层140为镁(Mg)掺杂的P型氮化镓，其厚度为10纳米。
所述活性层130的厚度为0.01微米至0.6微米。所述活性层130为包含一层或多层量子阱层的量子阱结构(Quantum Well)。量子阱层的材料为氮化铟镓、氮化铟镓铝、砷化镓、砷化铝镓、磷化铟镓、磷化铟砷或砷化铟镓中的一种或多种。本实施例中，所述活性层130为InGaN/GaN的复合结构，其厚度为10纳米。所述活性层130为光子激发层，为电子与空穴相结合产生光子的场所。在使用所述半导体结构10的过程中，给P型半导体层和N型半导体层施加一电压，则P型半导体层产生的空穴和N型半导体层产生的电子在活性层130相结合产生光子。
所述金属陶瓷层160设置于所述第二半导体层140远离所述基底110的表面设置，且可以覆盖所述第二半导体层140的整个表面。该金属陶瓷层160的材料为任何可在光子作用下产生金属等离子体的材料，即，该金属陶瓷层160的材料在光学上为金属性的材料。进一步，该金属陶瓷层160的材料满足下述两个条件：第一，金属陶瓷层160的材料的折射率为一复数，且该复数的虚部大于零或者小于零；第二，金属陶瓷层160的材料的介质常数为一复数，且该复数的实部为一个负数。当所述金属陶瓷层160的材料同时满足上述两个条件时，所述金属陶瓷层160即可在光子的作用下产生金属等离子体。具体地，所述金属陶瓷层160为金属复合材料，例如，金属陶瓷。金属复合材料对于活性层130中产生的长波长的光的出射效果较好。所述金属陶瓷层160为金属材料和电介质材料的复合材料层。所述电介质材料即为不导电材料，所述电介质材料可为二氧化硅、硅或者陶瓷材料等。所述金属材料可为纯金属或合金。所述金属材料可为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金或银铝合金。单质银对紫光和蓝光的出射效果较好，单质铝对波长比紫光更短的光的出射效果较好，单质金对红光和绿光的出射效果比较好。金银合金、金铝合金或银铝合金依据其中所含金属的百分比不同，对介于合金所包含的两个金属所对应的波长的光之间的光的出射效果较好。混合后的金属陶瓷层160对于波长为500纳米至700纳米波长的光的出射性能较好。当活性层产生的光为500纳米至600纳米时，金属陶瓷层的材料适合为银和二氧化硅，当活性层产生的光为600纳米至700纳米时，金属陶瓷层的材料选择为金和二氧化硅比较合适。所述金属材料和电介质材料的比例不限，只需确保复合后的金属复合材料可满足上述两个条件，即只需确保复合后的金属复合材料在光学上仍为金属性的材料即可。具体地，所述金属陶瓷中，电介质材料的质量百分比小于等于40％、小于等于35％、小于等于30％、小于等于25％、小于等于20％、小于等于15％、小于等于10％或小于等于5％。具体地，所述电介质材料的质量百分比为40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％。本实施例中，所述金属陶瓷层160的材料为银和二氧化硅复合形成的金属陶瓷层。在银和二氧化硅复合形成的金属陶瓷层160中，二氧化硅的质量百分比小于等于40％时即可确保该金属陶瓷层160可产生金属等离子体。优选地，二氧化硅的质量百分比小于等于30％，小于等于20％或小于等于10％。当活性层130中产生的为510纳米的绿光时，选用银和二氧化硅复合形成的金属陶瓷层较为合适，其中，当二氧化硅的百合含量介于20％到30％之间时，可以较好的使活性层130中的光出射。本实施例中，所述银和二氧化硅复合形成的金属陶瓷层160中，二氧化硅的质量百分比为20％，此时该种金属陶瓷对于活性层130中产生的波长为510纳米的绿光的出射效果较好。所述金属陶瓷层160的厚度的范围为大于等于50纳米。优选地，金属陶瓷层160的厚度为50纳米。优选地，所述金属陶瓷层160的厚度的范围为50纳米至100纳米。所述金属陶瓷层160的厚度等于50纳米时，即可使得几乎没有光线从金属陶瓷层160的表面出射。
所述金属陶瓷层160的作用为：第一，虽然活性层130产生的近场倏逝波中的大部分会在传播过程中衰减，但是仍有少量的近场倏逝波会传播至金属陶瓷层160，由活性层130产生的少量近场倏逝波到达金属陶瓷层160后，在金属陶瓷层160的作用下近场倏逝波被放大并与金属陶瓷层160相互作用产生金属等离子体，金属等离子体被金属陶瓷层160散射，从而向周围传播，且金属等离子体在穿透金属陶瓷层160时会剧烈衰减，只有向基底110方向传播的金属等离子体才可耦合成可见光并出射，如此，可使活性层130中产生的金属等离子体被提取，从而提高发光二极管20的出光率；第二，所述金属陶瓷层160的厚度大于等于50纳米，可使得来自活性层130的小角度光完全被金属陶瓷层160反射，从而使得活性层130中产生的小角度光全部从基底110的表面出射，且金属等离子体在穿透金属陶瓷层时会剧烈衰减，只有向基底方向传播的金属等离子体才可耦合成可见光并出射，进而由基底110表面出射的光强较大；第三，所述半导体结构10在使用过程中，由活性层130产生的近场倏逝波传播至金属陶瓷层160后，金属陶瓷层160在近场倏逝波的作用下，产生金属等离子体，金属等离子体传播至活性层130中，活性层130在金属等离子体的作用下产生更多的光子，活性层130与金属陶瓷层160相互作用，从而使半导体结构10的发光效率提高；第四，通过选择合适厚度的第二半导体层140，可使金属陶瓷层160与活性层130之间距离较近，从而金属陶瓷层160和活性层130的相互作用较强，还可保证电流在所述第二半导体层140中分布均匀；以及第五，所述金属陶瓷层160在活性层130产生的500纳米至700纳米的光的作用下可以产生更多的金属等离子体，因此，所述金属陶瓷层160可以使500纳米至700纳米波长的光的更好的地从基底110的表面出射。
所述保护层150设置于第二半导体层140和金属陶瓷层160之间。所述保护层150与所述第二半导体层140远离基底110的表面和金属陶瓷层160靠近基底110的表面直接接触。所述保护层150的作用为保护金属等离子体产生层160产生的金属等离子体不被转换成热。由于金属等离子体的等效折射率为一复数，其包括一实部和一虚部。当金属等离子体的虚部较大时，金属等离子体较容易转化成热。通过选用低折射率材料作为保护层150，可使金属等离子体的等效折射率的实部和虚部同时减少，从而使金属等离子体的热损耗减少，并且传播的路程更远，进而提高半导体结构10的出光率。优选地，所述保护层150的材料的折射率的范围为1.2至1.5。优选地，所述保护层150的材料的折射率的范围为1.3至1.4。优选地，所述保护层150的材料的折射率的范围为1.4至1.5。所述保护层150的材料可为二氧化硅、氟化镁(MgF2)或氟化锂(LiF)。本实施例中，所述保护层150的材料为二氧化硅，折射率为1.5。
所述保护层150的厚度依据实际应用选择。所述保护层150的厚度范围为5纳米到40纳米。优选地，所述保护层150的厚度范围为5纳米到10纳米。优选地，所述保护层150的厚度范围为10纳米到20纳米。优选地，所述保护层150的厚度范围为20纳米到30纳米。优选地，所述保护层150的厚度范围为30纳米到40纳米。通过选择合适厚度的所述保护层150，可使金属陶瓷层160和活性层130之间的距离较近，金属陶瓷层160和活性层130之间的相互作用较强，使活性层130产生较多的光子。本实施例中所述保护层150的厚度为20纳米。
第一实施例提供的所述半导体结构10具备以下有益效果：第一，虽然活性层130产生的近场倏逝波中的大部分会在传播过程中衰减，但是仍有微量的近场倏逝波会传播至金属陶瓷层160，由活性层130产生的微量近场倏逝波到达金属陶瓷层160后，在金属陶瓷层160的作用下近场倏逝波被放大并与金属陶瓷层160相互作用产生金属等离子体，金属等离子体被金属陶瓷层160的表面粗糙所散射，从而向周围传播，且金属等离子体在穿透金属陶瓷层时会剧烈衰减，只有向基底方向传播的金属等离子体才可耦合成可见光并出射，如此，可使活性层130中产生的金属等离子体被提取，从而提高发光二极管20的出光率；第二，所述半导体结构10在使用过程中，给第一半导体层120和第二半导体层140分别施加电压，第一半导体层120和第二半导体层140将分别产生电子和空穴，该电子和空穴在活性层130中结合产生近场倏逝波，由活性层130产生的近场倏逝波传播至金属陶瓷层160后，金属陶瓷层160在光子的作用下产生金属等离子体，金属等离子体向周围传播，当金属等离子体传播到达活性层130之后，与活性层130中的量子阱相互作用，使活性层130激发出更多的二次光子。活性层130中产生的二次光子到达金属陶瓷层160，使金属陶瓷层160产生出更多的金属等离子体。如此，在金属陶瓷层160和活性层130的相互作用下，活性层130可以产生出更多的光子，使半导体结构10的发光效率较高；第三，所述金属陶瓷层160可以使活性层130产生的波长为500纳米至700纳米的光较好的出射；以及第四，通过选用低折射率材料作为保护层150，可使金属等离子体的等效折射率的实部和虚部同时减少，从而使金属等离子体的热损耗减少，并且传播的路程更远，进而提高半导体结构10的出光率。
请参阅图2，本发明第二实施例提供一种半导体结构10，其包括一基底110、一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140以及一金属陶瓷层160。所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述基底110的表面，所述缓冲层116靠近基底110的一外延生长面112设置。可以理解地，所述半导体结构10仅包括所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140以及金属陶瓷层160。
本发明第二实施例提供的半导体结构10与第一实施例提供的半导体结构10的结构相似，其区别在于，第二实施例提供的半导体结构10与第一实施例提供的半导体结构10相比不包括保护层150，此时所述金属陶瓷层160直接设置在第二半导体层140的表面。此时，金属陶瓷层160和活性层130之间的距离较近，金属陶瓷层160和活性层130之间的相互作用较强，可使活性层130产生较多的光子，金属陶瓷层160产生较多的金属等离子体。
请参阅图3，本发明第三实施例提供一种半导体结构10，其包括一基底110、一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150以及一金属陶瓷层160。所述第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述基底110的表面。所述第一半导体层120靠近基底110设置。可以理解地，所述半导体结构10仅包括所述第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160。
本发明第三实施例提供的半导体结构10与第一实施例提供的半导体结构10的结构相似，其区别在于，第三实施例提供的半导体结构10与第一实施例提供的半导体结构10相比不包括缓冲层116，此时所述第一半导体层120直接设置在基底110的外延生长面112。
请参阅图4，本发明第四实施例提供一种半导体结构10，其包括一基底110、一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150以及一金属陶瓷层160。所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述基底110的一外延生长面112。所述半导体结构10进一步包括多个三维纳米结构。可以理解地，所述半导体结构10可仅包括所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160。
本发明第四实施例所提供的半导体结构10的结构与第一实施例提供的半导体结构10的结构相似，其区别在于，所述半导体结构10进一步包括多个三维纳米结构。本实施例中，多个三维纳米结构形成于所述第二半导体层140远离基底110的表面，设置于第二半导体层140之上的保护层150以及金属陶瓷层160也随着形成于第二半导体层140远离基底110的表面的三维纳米结构的起伏而起伏。
可以理解地，所述三维纳米结构还可形成于所述基底110的靠近活性层130、基底110远离活性层130的表面、缓冲层116的远离基底110的表面、所述第一半导体层120的远离基底110的表面、活性层130远离基底110的表面、第二半导体层140的远离基底110的表面、保护层150的远离基底110的表面或者金属陶瓷层160的远离基底110的表面，此时形成于三维纳米结构之上的各层也随着三维纳米结构的起伏而起伏，进而三维纳米结构之上的各层的靠近基底110的表面和远离基底110的表面均形成有三维纳米结构。
所述设置于第二半导体层140远离基底110表面的多个三维纳米结构并排延伸形成图案化的表面，每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形。请参阅图5，为了便于描述，将该第二半导体层140区分为一本体部分140a及一由该本体部分140a向远离该本体部分140a方向延伸的一凸起部分140b，所述本体部分140a与该凸起部分140b通过一“界面”整体分开，所述界面形成所述本体部分140a的表面。可以理解，所述“界面”是为方便描述而假设的平面，该平面可平行于所述第二半导体层140的靠近基底110的表面。所述三维纳米结构143为一凸起结构，所述凸起结构为从所述第二半导体层140的本体部分140a向远离所述本体部分140a的方向突出的凸起实体。所述三维纳米结构143与所述第二半导体层140的本体部分140a为一体成型结构，即所述三维纳米结构143与所述第二半导体层140的本体部分140a之间无间隔的形成一体结构。在平行于所述基底110表面的水平面内，所述多个三维纳米结构143的延伸方向相同，且在所述三维纳米结构143的延伸的方向上，所述三维纳米结构143的横截面为一M形。换个角度说，所述多个三维纳米结构143为形成于本体部分140a上的多个条形凸起结构，该多个条形凸起结构向同一方向延伸，在沿所述延伸方向的横截面为M形。
所述多个三维纳米结构143可在第二半导体层140的本体部分140a上以直线、折线或曲线的形式并排延伸，延伸方向平行于所述本体部分140a的表面。所述“并排”是指所述相邻的两个三维纳米结构143在延伸方向的任一相对位置具有相同的间距，该间距范围为0纳米至200纳米。请一并参阅图6，在本实施例中，所述三维纳米结构143为一条形凸起结构，所述多个三维纳米结构143在第二半导体层140的本体部分140a上以阵列形式分布，形成所述第二半导体层140的远离基底110的表面，该表面具有一纳米图形，为一图案化的表面。所述多个条形凸起结构基本沿同一方向延伸且彼此平行设置于所述本体部分140a。定义该多个条形凸起结构的延伸方向为X方向，垂直于所述凸起结构的延伸方向为Y方向。则在X方向上，所述条形凸起结构的两端分别延伸至所述第二半导体层140的本体部分140a相对的两边缘，具体的，所述多个条形凸起可在第二半导体层140的本体部分140a以直线、折线或曲线的形式沿X方向延伸；在Y方向上，所述三维纳米结构143为一双峰凸棱结构，所述多个条形凸起并排排列，且所述条形凸起的横截面的形状为M形，即所述三维纳米结构143为一M形三维纳米结构143。所述三维纳米结构143包括一第一凸棱1132及一第二凸棱1134，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134并排延伸，相邻的第一凸棱1132与第二凸棱1134之间具有一第一凹槽1136，相邻的三维纳米结构143之间形成第二凹槽1138，所述第一凹槽1136的深度小于第二凹槽1138的深度。所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的横截面分别为锥形，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134形成一双峰凸棱结构。所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的高度可为150纳米至200纳米。所述第一凹槽1136的深度可为30纳米至120纳米，所述第二凹槽1138的深度可为100纳米至200纳米。本实施例中，所述第一凹槽1136的深度为80纳米，所述第二凹槽1138的深度为180纳米。可以理解地，所述第二半导体层120的厚度应该大于三维纳米结构143的凸棱高度以及凹槽的深度。本实施例中，为了适应该三维纳米结构143的凸棱和凹槽的尺寸，所述第二半导体层140的厚度为210纳米。此时，所述缓冲层116的厚度为20纳米，第一半导体层120的厚度为1260纳米，活性层130的厚度为10纳米，第二半导体层140的厚度为210纳米，因此，四者之和为1500纳米。可以理解地，当所述三维纳米结构143形成于半导体结构10中的任一层的表面时，可通过调整形成有三维纳米结构143的层的厚度或调整三维纳米结构143的尺寸，使形成有三维纳米结构143的层与所述三维纳米结构143的尺寸相配合。
具体的，以所述保护层150和所述第二半导体层140的接触面为例说明形成于相接触的两个表面上的三维纳米结构的位置关系：所述保护层150与所述第二半导体层140接触的表面具有多个三维纳米结构，所述三维纳米结构为向保护层150内部延伸形成的凹进空间，并且该凹进空间与第二半导体层140中所述凸起实体的三维纳米结构143相啮合，进而形成一W形的凹进空间。所述“啮合”是指，所述保护层150表面形成的三维纳米结构同样包括多个凹槽及凸棱，并且，所述凹槽与所述三维纳米结构143中的第一凸棱1132及第二凸棱1134相配合；所述凸棱与所述三维纳米结构143中的第一凹槽1136及第二凹槽1138相配合，从而所述保护层150与所述第二半导体层140具有三维纳米结构143的表面无间隙的复合。因此，所述保护层150远离基底110的表面、所述保护层150靠近基底110的表面、金属陶瓷层160的靠近基底110的表面以及所述金属陶瓷层160的远离基底110的表面均为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面。所述保护层150靠近基底110的表面和金属陶瓷层160的靠近基底110的表面上的每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为W形。所述保护层150和金属陶瓷层160的远离基底110的表面上的每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形。
当所述半导体结构10不包括所述保护层150时，所述金属陶瓷层160直接形成于第二半导体层140远离基底110的表面。此时，所述金属陶瓷层160靠近基底110的表面同第二半导体层140远离基底110的表面相啮合。所述金属陶瓷层160靠近基底110的表面也形成有多个三维纳米结构，所述金属陶瓷层160远离基底110的表面也形成有多个三维纳米结构。故，无论是否存在所述保护层150，所述金属陶瓷层160靠近基底110的表面均形成有多个三维纳米结构。
进一步地，由于所述保护层150和金属陶瓷层160的厚度较薄，因此，保护层150、金属陶瓷层160不易将形成于所述第二半导体层140远离基底110表面的三维纳米结构143填平。
本发明第四实施例提供的半导体结构10的有益效果是：第一，在使用过程中，当光子以大角度入射到该三维纳米结构时，可改变所述光子的出射角度，而使之从出光面射出，进一步提高了所述半导体结构10的出光效率；第二，所述三维纳米结构使得金属陶瓷层160靠近基底110的表面和远离基底110的表面也形成有三维纳米结构，该金属陶瓷层160表面的原有的随机的粗糙被放大为规则的起伏，该起伏的深浅为20纳米至30纳米，使得金属陶瓷层160表面产生更多的散射，从而使得金属陶瓷层160中产生的金属等离子体可以更容易地从金属陶瓷层160中释放出来，从而提高了所述半导体结构10的发光效率；第三，通过在所述活性层130至少一表面形成多个三维纳米结构，因此增大了所述活性层130与第一半导体层120及第二半导体层140之间的接触面积，提高了空穴与电子的复合几率，提高了复合密度，进而提高了所述半导体结构10的发光效率，制备方法简单，效率高；以及第四，当所述三维纳米结构设置于基底110的远离活性层130的表面时，可有助于活性层130中产生的大角度光更好地出射。
基于半导体结构10具有以上有益效果，该种半导体结构10在太阳能电池、波导管以及发光二极管等领域有较好的应用。为了更好地说明该种半导体结构10的应用，下面以发光二极管为例，说明该种半导体结构10的应用。
请参阅图7，本发明第五实施例提供一种垂直结构的发光二极管20，其包括：一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一金属陶瓷层160、一第一电极124以及一第二电极144。所述第一半导体层120具有相对的一第一表面121和一第二表面122。所述活性层130、第二半导体层140、金属陶瓷层160依次层叠设置于所述第一半导体层120的第二表面122。所述第一电极124覆盖所述第一半导体层120的第一表面121。所述第二电极144与所述第二半导体层140电连接。可以理解地，所述发光二极管20可仅包括第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、金属陶瓷层160、第一电极124以及第二电极144。
本发明第五实施例提供的发光二极管20为一种垂直结构。垂直结构的发光二极管20的定义为：发光二极管20具有较高电阻的第二半导体层140的一部分被一电极覆盖，电流垂直流过具有高电阻的P型半导体层，所述第一电极124和第二电极144位于第一半导体层120的两侧。所述第二半导体层140为P型半导体层，所述第一半导体层120为N型半导体层。
本发明第五实施例提供的发光二极管20的结构与第一实施例提供的半导体结构10的结构相似，其区别在于，进一步包括一第一电极124与所述第一半导体层120电连接；进一步包括一第二电极144与所述第二半导体层140电连接；不包括基底110和缓冲层116，所述基底110和缓冲层116被所述第一电极124替代；所述第二半导体层140远离基底110的表面可包括一第一区域和一第二区域，所述金属陶瓷层160设置于所述第二半导体层140的第一区域，从而形成一台阶结构；所述第二电极144设置于第二半导体层140的未被金属陶瓷层160覆盖的第二区域从而与所述第二半导体层140电连接。
第一电极124可为N型电极或P型电极，其与第一半导体层120的类型相同。所述第二电极144设置于第二半导体层140的表面。该第二电极144可为N型电极或P型电极，其与第二半导体层140的类型相同。
所述第一电极124或第二电极144至少为一层结构，它们的厚度为0.01微米至2微米。所述第一电极124、第二电极144的材料包括钛、铝、镍及其合金中的一种或其任意组合。本实施例中，所述第二电极144为P型电极，该第二电极144为两层结构，包括一厚度为150埃的钛层及一厚度为2000埃的金层。所述第一电极124为N型电极，该第一电极124为两层结构，包括一厚度为150埃的镍层及一厚度为1000埃的金层。
本发明第五实施例提供的垂直结构的发光二极管20具有以下效果：第一，虽然活性层130产生的近场倏逝波中的大部分会在传播过程中衰减，但是仍有微量的近场倏逝波会传播至金属陶瓷层160，由活性层130产生的微量近场倏逝波到达金属陶瓷层160后，在金属陶瓷层160的作用下近场倏逝波被放大并与金属陶瓷层160相互作用产生金属等离子体，金属等离子体被金属陶瓷层160的表面粗糙所散射，从而向周围传播，且金属等离子体在穿透金属陶瓷层160时会剧烈衰减，只有向基底110方向传播的金属等离子体才可耦合成可见光并出射，如此，可使活性层130中产生的金属等离子体被提取，从而提高发光二极管20的出光率；第二，所述发光二极管20在使用过程中，通过第一电极124和第二电极144分别给第一半导体层120和第二半导体层140分别施加电压，第一半导体层120和第二半导体层140将分别产生电子和空穴，该电子和空穴在活性层130中结合产生近场倏逝波，由活性层130产生的近场倏逝波传播至金属陶瓷层160后，金属陶瓷层160在近场倏逝波的作用下产生金属等离子体，金属等离子体向周围传播，当金属等离子体传播到达活性层130之后，与活性层130中的量子阱相互作用，使活性层130激发出更多的二次光子。活性层130中产生的二次光子到达金属陶瓷层160，使金属陶瓷层160产生出更多的金属等离子体。如此，在金属陶瓷层160和活性层130的相互作用下，活性层130可以产生出更多的光子，使发光二极管20的发光效率较高；第三，所述第一电极124和所述第二电极144位于彼此垂直正对的上下方，因此当电流通过第一电极124和第二电极144流入发光二极管20中时，电流垂直流过具有高电阻的P型半导体层，因此，电流在P型半导体层中产生的热量比较少；以及第四，由于基底110的材料多为蓝宝石，然蓝宝石的散热性较差，因此将蓝宝石替换为第一电极124可使发光二极管的20散热效果改进。
请参阅图8，本发明第六实施例提供一种发光二极管20的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S610：提供一基底110，该基底110具有一外延生长面112；
步骤S620：在基底110的外延生长面112依次外延生长一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130以及一第二半导体层140；
步骤S630：形成一金属陶瓷层160于所第二半导体层140远离基底110的表面；
步骤S640：去除所述基底110，暴露出所述第一半导体层120的与基底110接触的表面；以及
步骤S650：在第一半导体层120暴露的表面制备一第一电极124，制备一第二电极144与第二半导体层140电连接。
在步骤S610中，所述基底110的材料及厚度与第一实施例中的基底110的材料及厚度一致。
在步骤S620中，所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130以及第二半导体层140的生长方法可以分别通过分子束外延法(MBE)、化学束外延法(CBE)、减压外延法、低温外延法、选择外延法、液相沉积外延法(LPE)、金属有机气相外延法(MOVPE)、超真空化学气相沉积法(UHVCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)、以及金属有机化学气相沉积法(MOCVD)等中的一种或多种实现。本实施例采用MOCVD工艺制备所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130以及第二半导体层140。
所述制备缓冲层116的过程中，以氨气(NH3)作为氮的源气，采用氢气(H2)作载气，采用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga源在一反应室中低温生长GaN层，该低温GaN层作为缓冲层116。
所述制备第一半导体层120的过程中，采用高纯氨气(NH3)作为氮的源气，采用氢气(H2)作载气，采用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga源，采用硅烷(SiH4)作为Si源在反应室中生长一N型氮化镓层作为第一半导体层120。
所述活性层130的生长方法与第一半导体层120基本相同。在生长完第一半导体层120之后，紧接着生长所述活性层130。具体的，生长所述活性层130时采用三甲基铟作为铟源。
在生长完活性层130之后，采用二茂镁作(Cp2Mg)为镁源生长第二半导体层140。通过控制生长第二半导体层140的时间，使第二半导体层140的厚度为5纳米至60纳米。
可选择地，第二半导体层140的制备方法还可为先通过MOCVD制备较厚的第二半导体层140，之后通过刻蚀或研磨的方法刻蚀所述第二半导体层140，使第二半导体层140的厚度为5纳米至60纳米。通过调整制备参数，控制第二半导体层140的厚度介于5纳米至60纳米，使金属陶瓷层160与活性层130更好的相互作用，产生更多的光子，提高发光二极管20的发光效率。
在步骤S630中，所述金属陶瓷层160的制备方法依据所述金属陶瓷层160的材料而定。具体地，所述金属陶瓷层160的制备方法可为物理气相沉积法，例如蒸镀、溅射等工艺。本实施例中通过蒸镀的方法形成一层银和二氧化硅复合形成的金属陶瓷做为金属陶瓷层160，该金属陶瓷层160的厚度为10纳米。所述制备金属陶瓷层160的步骤包括以下步骤：步骤a，分别提供熔融态的银和二氧化硅；步骤b，混合熔融态的银和熔融态的二氧化硅得到一熔融态合金，其中所述二氧化硅在熔融态合金中所占的质量百分比为20％；以及步骤c，将该熔融态合金加热至蒸发温度并采用蒸镀机将该合金蒸镀至第二半导体层140的表面从而制备得到金属陶瓷层160。
所述第二半导体层140远离基底110的表面包括一第一区域和一第二区域。在制备的过程中，使用光刻胶做掩模使所述金属陶瓷层160仅形成于第二半导体层140的第一区域。所述第二半导体层140的第二区域暴露。如此，在步骤S150中，可使第二电极144直接形成于第二半导体层140的暴露的第二区域。
在步骤S640中，所述基底110的去除方法可为激光照射法、腐蚀法或温差自剥离法(利用基底110与第一半导体层120之间的膨胀系数不同进行剥离)。所述去除方法可根据基底110以及第一半导体层120材料的不同进行选择。本实施例中，所述基底110的去除方法为激光照射法。具体的，所述去除方法包括以下步骤：
S641，将所述基底110中未生长第一半导体层120的表面进行抛光并清洗；
S642，将经过表面清洗的基底110放置于一平台(图未示)上，并利用激光对所述基底110与第一半导体层120进行扫描照射；以及
S643，将经激光照射后的基底110浸入溶液中去除所述基底110。
在步骤S641中，所述抛光方法可为机械抛光法或化学抛光法，使所述基底110的表面平整光滑，以减少后续激光照射中激光的散射。所述清洗可用盐酸、硫酸等冲洗所述基底110的表面，从而去除表面的金属杂质以及油污等。
在步骤S642中，所述激光从基底110抛光后的表面入射，且入射方向基本垂直于所述基底110抛光后的表面，即基本垂直于所述基底110与第一半导体层120的界面。所述激光的波长不限，可根据第一半导体层120以及基底110的材料选择。具体的，所述激光的能量小于基底110的带隙能量，而大于第一半导体层120的带隙能量，从而激光能够穿过基底110到达第一半导体层120，在第一半导体层120与基底110的界面处进行激光剥离。所述界面处第一半导体层120的缓冲层116对激光产生强烈的吸收，从而使得界面处的缓冲层116温度快速升高而分解。本实施例中所述第一半导体层120为GaN，其带隙能量为3.3ev；基底110为蓝宝石，其带隙能量为9.9ev；所述激光器为KrF激光器，发出的激光波长为248nm，其能量为5ev，脉冲宽度为20至40ns，能量密度为400至600mJ/cm2，光斑形状为方形，其聚焦尺寸为0.5mm×0.5mm；扫描位置从所述基底110的边缘位置开始，扫描步长为0.5mm/s。在扫描的过程中，所述GaN开始分解为Ga和N2。可以理解，所述脉冲宽度、能量密度、光斑形状、聚焦尺寸以及扫描步长可根据实际需求进行调整；可根据第一半导体层120对特定波长的激光具有较强的吸收作用选择相应波长的激光。
由于所述第一半导体层120与基底110界面处对上述波长的激光具有很强的吸收作用，因此，所述缓冲层116的温度快速升高而分解；而所述第一半导体层120中其他部分对上述波长的激光吸收较弱，因此所述第一半导体层120并不会被所述激光所破坏。可以理解，对于不同的第一半导体层120可以选择不同波长的激光，使缓冲层116对激光具有很强的吸收作用。
所述激光照射的过程在一真空环境或保护性气体环境进行以防止在激光照射的过程中碳纳米管被氧化而破坏。所述保护性气体可为氮气、氦气或氩气等惰性气体。
在步骤S643中，可将激光照射后的基底110浸入一酸性溶液中进行酸化处理，以去除GaN分解后的Ga，从而实现基底110与第一半导体层120的剥离。所述溶液可为盐酸、硫酸、硝酸等可溶解Ga的溶剂。
请参阅图9，本发明第七实施例提供一种垂直结构的发光二极管20，其包括：一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150、一金属陶瓷层160、一第一电极124以及一第二电极144。所述第一半导体层120具有相对的一第一表面121和一第二表面122。所述活性层130、第二半导体层140、保护层150、金属陶瓷层160依次层叠设置于所述第一半导体层120的第二表面122。所述第一电极124覆盖所述第一半导体层120的第一表面121。所述第二电极144与所述第二半导体层140电连接。可以理解地，所述发光二极管20可仅包括所述第一半导体层120、所述活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160。
本发明第七实施例提供的发光二极管20与本发明第五实施例提供的发光二极管20的结构相似，其区别在于，第七实施例中的发光二极管20进一步包括一保护层150。所述保护层150设置于所述金属陶瓷层160与第二半导体层140之间。
第七实施例提供的发光二极管20的有益效果为：金属陶瓷层160与第二半导体层140之间均设置有保护层150，通过选用低折射率材料作为保护层150，可使金属等离子体的等效折射率的实部和虚部同时减少，从而使金属等离子体的热损耗减少，并且传播的距离更远，进而提高发光二极管20的出光率。
请参阅图10，本发明第八实施例提供一种第七实施例中的发光二极管20的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S810：提供一基底110，该基底110具有一外延生长面112；
步骤S820：在基底110的外延生长面112依次外延生长一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130以及一第二半导体层140；
步骤S830：形成一保护层150于所述第二半导体层140远离基底110的表面；
步骤S840：形成一金属陶瓷层160于所述保护层150远离基底110的表面；
步骤S850：去除所述基底110，暴露出所述第一半导体层120；以及
步骤S860：在第一半导体层120暴露的表面制备一第一电极124，制备一第二电极144与第二半导体层140电连接。
本发明第八实施例提供的发光二极管20的制备方法与本发明第六实施例提供的发光二极管20的制备方法相似，其区别在于，进一步包括一形成一保护层150于所述第二半导体层140远离基底110的表面的步骤S830。
所述制备保护层150的方法依据保护层150具体材料而定，具体地可为电子束蒸发、磁控溅射或化学气相沉积等方法。本实施例中，所述保护层150的材料是二氧化硅。本实施例中，采用化学气相沉积的方法在所述第二半导体层140上沉积一层二氧化硅薄膜。该二氧化硅薄膜用作保护层150。该保护层150的厚度为30纳米。
请参阅图11，本发明第九实施例提供一种垂直结构的发光二极管20，其包括一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150、一金属陶瓷层160、一第一电极124以及一第二电极144。所述第一半导体层120具有相对的一第一表面121和一第二表面122。所述活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述第一半导体层120的第二表面122。所述第一电极124覆盖所述第一半导体层120的第一表面121。所述第二电极144与所述第二半导体层140电连接。所述发光二极管20进一步包括多个三维纳米结构。
本发明第九实施例提供的发光二极管20的结构与本发明第五实施例提供的发光二极管20的结构相似，其区别在于，所述发光二极管20进一步包括多个三维纳米结构。第九实施例提供的发光二极管20中的三维纳米结构的结构与本发明第四实施例提供的三维纳米结构的结构相同。
所述三维纳米结构可形成于第一半导体层120的表面、活性层130的表面、第二半导体层140的表面、第一电极124的表面、保护层150的表面或者金属陶瓷层160的表面。
当三维纳米结构设置在第二半导体层140远离基底110的表面上时，形成于第二半导体层140远离基底110的表面的第二区域的第二电极144的靠近基底110的表面和远离基底110的表面上也形成有三维纳米结构。
本发明第九实施例提供的三维纳米结构具有以下有益效果：第一，在使用过程中，当光子以大角度光入射到该三维纳米结构时，可改变所述光子的出射角度，而使之从出光面射出，进一步提高了所述发光二极管20的出光效率；第二，所述三维纳米结构使得金属陶瓷层160也形成三维纳米结构，该金属陶瓷层160表面的原有的随机的粗糙被放大为具有规则的起伏，该起伏的深浅为20纳米至30纳米，从而使得金属陶瓷层160中产生的金属等离子体可以更容易地从金属陶瓷层160中释放出来，从而提高了所述发光二极管20的发光效率；以及第三，通过在所述活性层130至少一表面形成多个三维纳米结构，因此增大了所述活性层130与第一半导体层120及第二半导体层140之间的接触面积，提高了空穴与电子的复合几率，提高了复合密度，进而提高了所述发光二极管20的发光效率，制备方法简单，效率高；第四，由于第二电极144的靠近基底110的表面和远离基底110的表面上也形成有三维纳米结构，因此，增加了第二电极144和第二半导体层140之间的接触面积，使得电流更好的注入第二半导体层140。
本发明第十实施例提供一种制备第九实施例中的发光二极管20的方法，其包括以下步骤：
步骤S1010：提供一基底110，该基底110具有一外延生长面112；
步骤S1020：在基底110的外延生长面112依次外延生长一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130以及一第二半导体层140；
步骤S1030：形成多个三维纳米结构143于所述第二半导体层140远离基底110的表面；
步骤S1040：形成一保护层150于所述第二半导体层140远离基底110的表面；
步骤S1050：形成一金属陶瓷层160于所述保护层150远离基底110的表面；
步骤S1060：去除所述基底110，暴露出所述第一半导体层120；以及
步骤S1070：在第一半导体层120暴露的表面制备一第一电极124，制备一第二电极144与第二半导体层140电连接。
本发明第十实施例提供的发光二极管20的制备方法与本发明第八实施例提供的发光二极管20的制备方法相似，其区别在于，进一步包括形成三维纳米结构于所述第二半导体层140远离基底110的表面的步骤S1030。所述步骤S1030进一步包括以下步骤：
所述步骤S1030中所述形成多个三维纳米结构于所述第二半导体层140的远离基底110的表面的方法包括以下步骤：
步骤S1031，在所述第二半导体层140的表面设置一掩模层；
步骤S1032，纳米压印并刻蚀所述掩模层，使所述掩模层图形化；
步骤S1033，刻蚀所述第二半导体层140，使所述第二半导体层140的表面图形化，形成多个三维纳米结构预制体；以及
步骤S1034，去除所述掩模层，形成所述多个三维纳米结构。
在步骤S1031中，所述掩模层可为一单层结构或复合层结构。本实施例中，所述掩模层为一复合层结构，所述复合层结构包括一第一掩模层及一第二掩模层，所述第一掩模层及第二掩模层依次层叠设置于所述第二半导体层140表面，所述第一掩模层的材料为ZEP520A，第二掩模层的材料为HSQ(hydrogen silsesquioxane)。
在步骤S1032中，通过纳米压印及刻蚀所述掩模层图形化的方法具体包括以下步骤：
步骤(a)，提供一表面具有纳米图形的模板，所述纳米图形包括多个并排延伸的凸部，相邻的凸部之间具有一凹槽。
步骤(b)，将模板具有纳米图形的表面与所述第二掩模层贴合，并在常温下挤压所述模板与第二半导体层140后，脱模。
步骤(c)，通过刻蚀去除所述凹槽底部的第二掩模层，露出第一掩模层。
步骤(d)，去除与所述第二掩模层的凹槽对应位置处的部分第一掩模层，露出第二半导体层140，形成图形化的所述掩模层。所述“图形化”是指所述掩模层在第二半导体层140的表面形成多个并排延伸的凸起结构，相邻的凸起结构之间形成一沟槽，与沟槽对应区域的第二半导体层140的表面暴露出来，所述凸起结构覆盖此区域之外第二半导体层140的表面。
在步骤S1033中，刻蚀所述第二半导体层140，使所述第二半导体层140的表面图形化，并形成多个三维纳米结构预制体。
所述刻蚀方法可通过将上述第二半导体层140放置在一感应耦合等离子体系统中，利用刻蚀气体对所第二半导体层140进行刻蚀。本实施例中，所述刻蚀气体为混合气体，所述混合气体包括Cl2、BCl3、O2及Ar气体。所述等离子体系统的功率可为10瓦至150瓦，所述混合气体的通入速率可为8sccm至150sccm，形成的气压可为0.5帕至15帕，刻蚀时间可为5秒至5分钟。本实施例中，所述等离子系统的功率为70W，所述等离子体的通入速率为40sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为120秒，其中，所述Cl2的通入速率为26sccm，所述BCl3的通入速率为16sccm，所述O2的通入速率为20sccm，所述Ar的通入速率为10sccm。在刻蚀的过程中，与掩模层中沟槽部分第二半导体层140被气体所刻蚀去除，从而在第二半导体层140的表面形成一凹槽。
本实施例中，所述第二半导体层140的刻蚀主要包括以下步骤：
步骤一，所述刻蚀气体对未被掩模层覆盖的第二半导体层140表面进行刻蚀，在第二半导体层140表面形成多个凹槽，所述凹槽的深度基本相同。
步骤二，在所述等离子体的轰击作用下，所述掩模层中相邻的两个凸起结构逐渐相向倾倒，使所述两个凸起结构的顶端逐渐两两靠在一起而闭合，所述等离子体对该闭合位置内所述第二半导体层140的刻蚀速率逐渐减小，从而在第二半导体层140表面形成所述第一凹槽1136，在未发生闭合的两个凸起结构之间，形成第二凹槽1138，且形成的所述第二凹槽1138的深度大于所述第一凹槽1136的深度。
在第一步骤中，所述刻蚀气体对未被掩模层覆盖的第二半导体层140表面进行刻蚀，在刻蚀的过程中，所述气体会与第二半导体层140反应，从而在刻蚀表面形成一阻碍层，阻碍气体的进一步刻蚀，使得刻蚀面逐渐减小，即形成所述凹槽的宽度沿刻蚀方向逐渐减小。同时，所述刻蚀气体对所述掩模层中所述凸起结构的顶端(即远离第二半导体层140表面的一端)进行刻蚀。并且，由于所述掩模层远离第二半导体层140表面的部分侧面被刻蚀，从而使得所述凸起结构顶端的宽度逐渐变窄。
在第二步骤中，主要包括以下几个过程：
第一过程，在气体刻蚀的过程中，由于所述气体的轰击作用下，相邻的凸起结构之间依次两两闭合，即相邻的两个凸起结构的顶端逐渐两两靠在一起。
第二过程，由于相邻的两个凸起结构逐渐闭合，所述刻蚀气体对该闭合位置内所述第二半导体层140的刻蚀速率逐渐减小，即在该位置处形成凹槽的宽度沿刻蚀深度进一步减小，进而形成一V形结构的凹槽，且该V形凹槽的深度较浅。而未闭合的凸起结构之间，由于所述刻蚀气体可继续以近似相同的刻蚀速率对该位置处的第二半导体层140进行刻蚀，因此该位置处相对于闭合位置处形成的凹槽的深度较深。
第三过程，所述凸起结构两两闭合后，使所述刻蚀气体无法再对该闭合位置处的第二半导体层140进行刻蚀，从而在第二半导体层140的表面形成所述第一凹槽1136。同时，在未发生闭合的两个凸起结构之间，所述刻蚀气体可以继续对所述第二半导体层140进行刻蚀，进而形成第二凹槽1138，因此该位置处第二凹槽1138的深度，大于所述第一凹槽1136的深度，从而形成所述三维纳米结构预制体。
在步骤S1034中，所述掩模层可通过有机溶剂如四氢呋喃(THF)、丙酮、丁酮、环己烷、正己烷、甲醇或无水乙醇等无毒或低毒环保容剂作为剥离剂，溶解所述掩模层等方法去除，从而形成所述多个三维纳米结构。本实施例中，所述有机溶剂为丁酮。
可以理解地，所述三维纳米结构还可形成于第一半导体层120的远离基底110的表面、第一半导体层120的靠近基底110的表面、活性层130远离基底110的表面、第二半导体层140远离基底110的表面、第一电极124的靠近基底110的表面、第一电极124远离基底110的表面、保护层150远离基底110的表面或者金属陶瓷层160远离基底110的表面。
本发明第十实施例提供的所述发光二极管20的制备方法具有以下优点：其一，本发明通过纳米压印及刻蚀的方法在所述第二半导体层140表面设置多个三维纳米结构形成一三维纳米结构阵列，其可在室温下进行压印，且模板无须预先处理，使得该方法工艺简单，成本低；其二，对所述第二半导体层140进行刻蚀并使所述掩模层中的凸起结构两两闭合，可方便的制备大面积周期性的M形三维纳米结构，形成一大面积的三维纳米结构阵列，从而提高了所述发光二极管20的产率；其三，通过在活性层130表面形成多个三维纳米结构，从而使得所述活性层130与该第二半导体层140或者第一半导体层120接触的表面形成一图形化的表面，进而增加了所述活性层130与所述第二半导体层140的接触面积，提高了所述光子的耦合效率，从而提高了所述发光二极管20的发光效率。
请参阅图12，本发明第十一实施例提供一种垂直结构的发光二极管20，其包括一第一半导体层120，一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150、一金属陶瓷层160、一反射元件170、一第一电极124以及一第二电极144。所述第一半导体层120具有相对的一第一表面121和一第二表面122。所述活性层130、第二半导体层140、保护层150、金属陶瓷层160以及所述反射元件170依次层叠设置于所述第一半导体层120的第二表面122。所述第一电极124覆盖所述第一半导体层120的第一表面121。所述第二电极144与所述第二半导体层140电连接。可以理解地，所述发光二极管20仅包括第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150、金属陶瓷层160以及所述反射元件170。
本发明第十一实施例提供一种垂直结构的发光二极管20与本发明第九实施例提供的垂直结构的发光二极管20结构相似，其区别在于，第十一实施例提供的发光二极管20具有一反射元件170设置于金属陶瓷层160的远离活性层130的表面。
该反射元件170可使由活性层130出射且传播至反射元件170处的光线被反射元件170反射，进而从第一电极124的表面出射。如此可使得活性层130中产生的光线全部由第一电极124的表面出射，使得该发光二极管20为单面出光的发光二极管。反射元件170可为一反射层。所述反射层170与所述基底110相互接触设置。所述反射元件170由一连续的具有面状结构的金属材料层构成。该金属材料可为铝、金、铜及银中的一种或上述任意组合的合金。该反射元件170的厚度不限，以尽可能多的反射由金属陶瓷层160出射的光为优。优选地，该反射元件170的厚度大于20微米。本实施例中该反射元件170的材料为银，厚度为20纳米。所述反射层可通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成。
所述反射元件170还可以为设置于金属陶瓷层160的表面的多个微结构。所述微结构为凹槽或凸起。所述微结构的形状为V形、圆柱形、半圆球形、金字塔形以及削去尖端部分的金字塔形中的一种或几种。该微结构在所述金属陶瓷层160的表面均匀分布。进一步地，所述反射元件170还可包括一反射材料，该反射材料设置于所述微结构表面。所述反射材料为铝、金、铜及银中的一种或上述任意组合的合金。所述反射材料可通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成于所述微结构表面。
所述反射元件170设置于所述金属陶瓷层160的表面,可使活性层130中产生的光全部由第一电极124的表面出射。
本发明第十一实施例提供一种发光二极管20具有以下有益效果：该反射元件170可使由活性层130出射且传播至反射元件170处的光线被反射元件170反射，进而从第一电极124的表面出射。如此可使得活性层130中产生的光线全部由第一电极124的表面出射，使得该发光二极管20为单面出光的发光二极管。
请参阅图13，本发明第十二实施例提供一种太阳能电池30，该太阳能电池30包括：一第一收集电极32、一基底110、一缓冲层116、一第一硅层126、一光电转换层136、一第二硅层146、一保护层150、一金属陶瓷层160以及一第二收集电极34。所述第一收集电极32、缓冲层116、第一硅层126、光电转换层136、第二硅层146、保护层150、金属陶瓷层160以及第二收集电极34依次层叠设置。所述第一硅层126、活性层130以及第二硅层146构成太阳能电池30的P-N结。该太阳能电池30中的结构与本发明第一实施例提供的半导体结构10的结构一致。可以理解地，所述太阳能电池30仅包括第一收集电极32、基底110、缓冲层116、第一硅层126、光电转换层136、第二硅层146、保护层150、金属陶瓷层160以及第二收集电极34。
所述第一硅层126为一P型硅层或一N型硅层。所述第二硅层146为一P型硅层或一N型硅层。所述第一硅层126与所述第二硅层146的类型相反。当所述第一硅层126为一P型硅层时，所述第二硅层146为一N型硅层。当所述第一硅层126为一N型硅层时，所述第二硅层146为一P型硅层。本实施例中，所述第一硅层126为一P型硅层，所述第二硅层146为一N型硅层。
所述第一收集电极32和第二收集电极34的材料可以相同或不同。优选为该第一收集电极32和第二收集电极34分别由一连续的具有面状结构的金属材料层构成。所述金属材料可为铝、铜、或银等。该第一收集电极32和第二收集电极34的厚度不限，优选为50纳米至300纳米。本实施例中，所述第一收集电极32和第二收集电极34的材料分别为一厚度约为200纳米的条形铝箔。
所述太阳能电池30具有一入光端面310用于接收太阳光。所述太阳能电池30的入光端面310包括基底110、缓冲层116、第一硅层126、光电转换层136、第二硅层146、保护层150、金属陶瓷层160的每个元件的一侧面。所述太阳能电池30具有一出光端面320用于出射太阳光。所述入光端面310与出光端面320平行且相对设置。
所述太阳能电池30具有如下有益效果：在使用过程中，由入光端面310入射的太阳光入射至金属陶瓷层160，该金属陶瓷层160在太阳光的照射下，产生金属等离子体，该部分金属等离子体被P-N结吸收，从而使P-N结产生更多的电子和空穴，电子向所述第二收集电极34移动，空穴向所述第一收集电极32移动，最终分别被所述第一收集电极32和第二收集电极34收集，形成电流，从而使太阳能电池30的光电转换效率更高。
请参阅图14，本发明第十三实施例提供一种波导管40，其包括一基底110、一缓冲层116、一第一半导体层120、一活性层130、一第二半导体层140、一保护层150以及一金属陶瓷层160。所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160依次层叠设置于所述基底110的表面。所述波导管40与本发明第一实施例提供的半导体结构10的结构一致。可以理解地，所述波导管40仅包括基底110、所述缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层140、保护层150以及金属陶瓷层160。
所述金属陶瓷层160的具有相对的一第一侧面161和一第二侧面162。该第一侧面161和第二侧面162彼此平行并且正对设置。所述第一侧面161作为电磁波的入射面，所述第二侧面162作为电磁波的出射面。
所述波导管40的有益效果是：第一，在使用过程中，所述电磁波由金属陶瓷层160的第一侧面161入射，电磁波进入金属陶瓷层160之后，转换为金属等离子体，金属等离子体携带着电磁波的信息，在金属陶瓷层160中传播，并在第二侧面162，金属等离子体又转换成电磁波，故，所述波导管40实现了传导电磁波的功能；第二，所述基底110、缓冲层116、第一半导体层120、活性层130、第二半导体层141以及保护层150有助于电磁波的传播。
请参阅图15，图15中给出了第一实施例提供的发光二极管中，当金属陶瓷层160中的二氧化硅的比例分别为0％，10％，20％，30％，40％时，所述金属陶瓷层160的增强因子和频率的变化曲线。图中的虚线为光激发强度曲线，只有增强因子和频率的变化曲线靠近光激发强度曲线时，金属陶瓷层160才可产生较多的金属等离子体。由图15可知，当金属陶瓷层160中的二氧化硅的比例分别为20％或30％时，金属陶瓷层160可产生较多的金属等离子体，发光二极管10的发光效率较高。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (17)

1.一种半导体结构，其包括：依次层叠设置的一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层，其特征在于：进一步包括一金属陶瓷层，其设置于所述第二半导体层远离所述活性层的表面且接触设置，所述金属陶瓷层的材料的折射率为一复数，且该复数的虚部大于零或者小于零，所述金属陶瓷层的材料的介质常数为一复数，且该复数的实部为一个负数。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述金属陶瓷层为金属材料和电介质材料构成的复合材料层。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属陶瓷层中所述电介质材料所占的质量百分比小于等于40％。
4.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金或银铝合金。
5.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述电介质材料包括二氧化硅、硅以及陶瓷材料中的一种。
6.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属陶瓷层为二氧化硅和银的复合材料层。
7.如权利要求6所述的半导体结构，其特征在于，所述金属陶瓷层中所述二氧化硅所占的质量百分比为20％。
8.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，进一步包括多个三维纳米结构设置于所述第一半导体层、活性层、第二半导体层、金属陶瓷层的表面。
9.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度。
10.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形。
11.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构为一太阳能电池。
12.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构为一波导管。
13.一种半导体结构，其包括：依次层叠设置的一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层，其特征在于：进一步包括一保护层，该保护层设置于所述第二半导体层远离基底的表面，以及一金属陶瓷层设置于所述保护层远离所述活性层的表面且接触设置，所述金属陶瓷层的材料的折射率为一复数，且该复数的虚部大于零或者小于零，所述金属陶瓷层的材料的介质常数为一复数，且该复数的实部为一个负数。
14.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的材料为二氧化硅、氟化镁或氟化锂。
15.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的厚度为5纳米至40纳米。
16.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的折射率的范围为1.2至1.5。
17.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，进一步包括多个三维纳米结构设置于所述保护层的表面。
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