CN103904175A - 具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，包含：在衬底上依次外延形核层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和p型氮化镓层；在p型氮化镓层的表面旋涂第一光刻胶；在第一光刻胶上制作第一单层纳米球薄膜；光刻，在第一光刻胶上形成图形；以第一光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在p型氮化镓层上形成多孔状或柱状的光子晶体；在多孔状的光子晶体表面旋涂第二光刻胶；在第二光刻胶上制作第二单层纳米球薄膜；光刻，在第二光刻胶上形成图形；以第二光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在多孔状的光子晶体上形成具有波导结构的光子晶体；制作电极，完成正装结构的制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法。
背景技术
发光二极管具有节能环保等优点受到广泛重视。尤其大功率白光二极管作为第三代照明光源已经由室外装饰、工程照明逐渐走进家庭室内照明，在未来几年有可能取代白炽灯、荧光灯。
发光效率是发光二极管的一个重要参数，表示二极管把电转换为光的能力。影响发光二极管光效的主要因素有电注入效率、内量子阱效率、光提取效率。通过芯片结构和外延技术的优化和改进电注入效率和内量子阱效率都已达到较高值，其中氮化镓基发光二极管内量子阱效率已普遍达到70％以上。而目前发光二极管光提取效率依然较低，成为限制发光二极管光效的主要因素，平面衬底发光二极管光提取效率只有21％。发光二极管光提取效率较低主要是因为芯片材料折射率一般较大，光在芯片与空气的界面处发生全反射，而全反射角较小，只有很少一部分(1／4n2)光能被提取出去。波长为460nm的光在氮化镓中的折射率为2.4，空气界面处全反射临界角较小只有23.5°，理论上只有约4％的光能被提取出去，其余被反射的光在芯片内部以波导形式存在直至被吸收。
目前，提高发光二极管光提取效率的方法主要包含三类：一、通过几何光学原理，减小出射光的入射角使其小于全反射临界角，提高发光二极管光提取效率，如表面粗化、倒梯形芯片等。表面粗化技术工艺简单、成本低，目前已被普遍使用。由于氮化镓材料硬度大，将芯片加工成倒梯形较困难，目前使用此方法的产品较少，只有Cree公司在碳化硅衬底芯片上使用此方法。二、通过波动光学原理，利用周期性光子晶体结构将波导模式光散射到辐射模式，提高发光二极管的光提取效率。光子晶体具有很强的设计性，不仅能有效提高发光二极管的光提取效率，还能控制发光二极管的光场分布，有效控制发光方向性。三、在芯片表面制作波导结构，减小界面处光损失。波导结构是基于光子晶体的一种改进方法。传统光子晶体为直径上下均一的多孔状结构或柱状结构，在光子晶体内部其有效折射率为一恒定值。波导结构是改变光子晶体表层或底层占空比，使光子晶体表层有效折射率较小、底层有效折射率较大，形成波导层。这样的波导结构在保留了光子晶体对波导模式光的散射作用的同时减小了光在界面处的损失，进一步提高了发光二极管的光提取效率。
波导结构光子晶体发光二极管是一个全新的概念，目前还没有成熟的波导结构光子晶体制备方法，能改变光子晶体占空比的方法主要有以下两种：
通过光刻等工艺制作出倒梯形光刻胶掩膜，再通过感应耦合等离子刻蚀(ICP)工艺将图形转移到芯片。
主要缺点：光刻工艺受光波长限制，普通光刻特征尺寸较大，不能满足最优晶格尺寸要求；倒梯形掩膜制作困难，角度很难控制。
用聚苯乙烯纳米球、SiO2纳米球做掩膜，通过感应耦合等离子体刻蚀锥形光子晶体。
主要缺点：掩膜制作困难，均一性差，刻蚀深度受掩膜、晶格尺寸影响较大，不能产业化推广。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其是将光子晶体和波导层分开制作，使光子晶体层和波导层的制备不相互限制，制作工艺简单，波导结构导光效果更好。
本发明提供一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：
步骤1：在衬底上依次外延形核层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和p型氮化镓层；
步骤2：在p型氮化镓层的表面旋涂第一光刻胶；
步骤3：在第一光刻胶上制作第一单层纳米球薄膜；
步骤4：光刻，在第一光刻胶上形成图形；
步骤5：以第一光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在p型氮化镓层上形成多孔状或柱状的光子晶体；
步骤6：在多孔状的光子晶体表面旋涂第二光刻胶；
步骤7：在第二光刻胶上制作第二单层纳米球薄膜；
步骤8：光刻，在第二光刻胶上形成图形；
步骤9：以第二光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在多孔状的光子晶体上形成具有波导结构的光子晶体；
步骤10：制作电极，完成正装结构的制作。
本发明的有益效果是，其是将光子晶体和波导层分开制作，使光子晶体层和波导层的制备不相互限制，制作工艺简单，波导结构导光效果更好。
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是本发明的制作方法流程图；
图2-图9是本发明的制作结构流程图。
具体实施方式
所述发光二极管可以是正装结构、倒装结构或垂直结构。在正装结构中，波导结构光子晶体制作在p型接触层、透明电极或同时制作在p型接触层和透明电极这两层；在倒装结构中，波导结构光子晶体制作在表层衬底中；在垂直结构中，波导结构光子晶体制作在n型接触层。
所述波导层制作在光子晶体底层或表层，厚度可为小于光子晶体厚度的任意值。所述波导层是通过改变光子晶体底层或表层占空比，从而改变光子晶体底层或表层有效折射率获得波导结构。如所述光子晶体为多孔状光子晶体，当波导层在所述光子晶体底层时，所述波导层占空比应小于光子晶体结构的占空比；当波导结构在所述光子晶体表层时，所述波导表层占空比应大于光子晶体结构的占空比。如所述光子晶体为柱状光子晶体，当波导层在所述光子晶体底层时，所述波导层占空比应大于光子晶体结构的占空比；当波导结构在所述光子晶体表层时，所述波导层占空比应小于光子晶体结构的占空比。
所述光子晶体的制作方法包括，纳米压印、电子束曝光、激光全息曝光干涉、阳极氧化铝模板合成法或纳米球球自组装；所述光子晶体图形可为三角形、方形、六角形分布或其他任意形状排布。
实施例1
请参阅图1及图2-图9所示，本发明提供一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：
步骤1：在衬底10上依次外延氮化镓成核层11、非掺杂氮化镓层12、n型氮化镓层13、有源层14、P型电子阻挡层15和p型氮化镓层16，所述衬底10的材料可为(0001)晶向蓝宝石(Al2O3)、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近氮化物半导体的单晶氧化物(参阅图2)；
步骤2：在p型氮化镓层16的表面旋涂第一光刻胶17(参阅图3)；
步骤3：在第一光刻胶17上制作第一单层纳米球薄膜18(参阅图3)；
步骤4：光刻，在第一光刻胶17上形成图形，所述图形的其它制作方法包括，纳米压印、电子束曝光、激光全息干涉曝光、阳极氧化铝模板合成法或纳米球自组装(参阅图4)；
步骤5：以第一光刻胶17作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层16，在p型氮化镓层16上形成多孔状或柱状的光子晶体(参阅图5)；
步骤6：在多孔状的光子晶体16表面旋涂第二光刻胶19(参阅图6)；
其中所述波导结构光子晶体的晶格常数为100-10000纳米，孔的深度或柱高度为20-2000纳米，孔或柱的排布为三角形、方形、六角形分布或其他任意形状排布(参阅图6)。
步骤7：在第二光刻胶19上制作第二单层纳米球薄膜20(参阅图7)；
步骤8：光刻，在第二光刻胶19上形成图形(参阅图8)；
步骤9：以第二光刻胶19作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层16，在多孔状的光子晶体上形成具有波导结构的光子晶体(参阅图9)；
步骤10：制作电极，完成正装结构发光二极管的制作。
其中在所述步骤2之前，还可以在p型氮化镓层16上生长透明电极，所述光子晶体制作在透明电极上。
实施例2
本实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于，其中所述光子晶体是制作在衬底10上，再在制作有光子晶体的衬底上依次外延形核层11、非掺杂氮化镓层12、n型氮化镓层13、有源层14、电子阻挡层15和p型氮化镓层16，形成倒装结构的发光二极管。
实施例3
本实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于，其中在步骤1之后，再在p型氮化镓层16上制作一层上衬底，该上衬底的材料为铜或硅，剥离掉衬底10，在形核层11和非掺杂氮化镓层12上制作光子晶体，形成垂直结构的发光二极管。
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 (8)
1.一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：
步骤1：在衬底上依次外延形核层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和p型氮化镓层；
步骤2：在p型氮化镓层的表面旋涂第一光刻胶；
步骤3：在第一光刻胶上制作第一单层纳米球薄膜；
步骤4：光刻，在第一光刻胶上形成图形；
步骤5：以第一光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在p型氮化镓层上形成多孔状或柱状的光子晶体；
步骤6：在多孔状的光子晶体表面旋涂第二光刻胶；
步骤7：在第二光刻胶上制作第二单层纳米球薄膜；
步骤8：光刻，在第二光刻胶上形成图形；
步骤9：以第二光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在多孔状的光子晶体上形成具有波导结构的光子晶体；
步骤10：制作电极，完成正装结构的制作。
2.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中在所述步骤2之前，在p型氮化镓层上生长透明电极，所述光子晶体制作在透明电极上。
3.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中所述光子晶体是制作在衬底上，再在制作有光子晶体的衬底上依次外延形核层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和p型氮化镓层，形成倒装结构的发光二极管。
4.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中在步骤1之后，再在p型氮化镓层上制作一层上衬底，剥离掉衬底，在形核层和非掺杂氮化镓层上制作光子晶体，形成垂直结构的发光二极管。
5.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中衬底的材料为(0001)晶向蓝宝石(Al2O3)、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近氮化物半导体的单晶氧化物。
6.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中上衬底的材料为铜或硅。
7.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中所述波导结构光子晶体的晶格常数为100-10000纳米，孔的深度或柱高度为20-2000纳米，孔或柱的排布为三角形、方形、六角形分布或其他任意形状排布。
8.如权利要求1所述具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其中所述图形的制作方法包括，纳米压印、电子束曝光、激光全息干涉曝光、阳极氧化铝模板合成法或纳米球自组装。
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