CN104393127A - 一种倒装结构发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种倒装结构发光二极管及其制作方法。所述发光二极管包括：衬底、缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；其中，所述衬底与活性发光层之间具有多孔状或者柱状的纳米结构层。本发明中所述发光二极管用于倒装结构芯片制作，且在衬底和活性发光层之间制作有利于透光的纳米结构层。

Description

一种倒装结构发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种高出光效率的倒装结构发光二极管及其制作方法。
背景技术
目前红绿蓝包括其他各色LED因其广阔的应用市场已经成为光电子行业研究的热点。评价LED最重要的参数就是发光效率，而影响LED发光效率的关键因素包括内量子效率和出光效率两个方面。为提高内量子效率，目前研究的热点包括衬底的选择与制备，外延质量的改善以及结构优化等等。目前常用的手段是采用衬底图形化处理，一方面改善外延质量，另一方面提高光提取。LED的出光效率主要取决于芯片结构的设计。目前LED的结构包括正装结构、倒装结构与垂直结构三种。其中正装结构因其结构简单是目前最广泛采用的芯片结构；垂直结构由于正负电极在上下两个面，出光面积大且电流扩展性好是制备大功率LED的首选。但其制作工艺复杂，成本高，很难推广使用。倒装结构一方面由于其衬底朝上，易于制作表面微结构提高光提取；另一方面正负电极都在下方易于与大规模集成电路集成，成为目前及下一阶段LED研究的热点。图形衬底的设计正是基于正装结构，由于外延材料本身折射率较高，造成出光角较小，绝大部分的光无法直接输出。采用图形衬底后，原本那些处于临界角以外的光通过衬底图形的散射机制改变输出光的角度从而增加光输出的几率。但是当芯片结构采用倒装结构以后，输出光从衬底一侧发出。此时我们希望图形衬底能够起到增加投射而不是增加反射的作用。由于当前普遍采用的图形衬底适宜于正装结构的光输出，因此本发明提供一种有利于倒装结构光输出的LED制作方法。而且采用该方法，可以省去后续在衬底表面进行微纳结构的复杂工艺，在缩短工艺时间的同时，提高外延质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高出光效率的纳米结构的倒装结构发光二极管及其制作方法。
根据本发明一方面，其通过了一种倒装结构发光二极管，其包括：衬底、缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；其中，所述衬底与活性发光层之间具有多孔状或者柱状的纳米结构层。
根据本发明另一方面，其还提供了一种倒装结构发光二极管的制作方法，其包括：
在衬底上依次制备缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；
其特征在于，该方法还包括，在所述衬底与活性发光层之间制作纳米结构层。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明，其中：
图1是本发明提供的利用聚苯乙烯球在材料表面制备纳米结构层的工艺流程示意图。
图2是本发明提供的利用纳米压印方法在材料内部制备纳米结构层的工艺流程示意图。
图3是本发明提供的氮化镓系蓝光发光二极管倒装结构的芯片示意图。
图4是本发明提供的在缓冲层内部或上表面制作有纳米结构层的发光二极管芯片示意图。
图5是本发明提供的在n型接触层内部或上表面制作有纳米结构层的发光二极管芯片示意图。
图6是本发明提供的在活性发光层内部或下表面制作有纳米结构层的发光二极管芯片示意图。
具体实施方式
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种倒装结构发光二极管，其包括：衬底、缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；其中，所述衬底与活性发光层之间具有多孔状(或者柱状)纳米结构层。
可选地，所述纳米结构层可以制作在衬底表面，或者制作在缓冲层内部或缓冲层与n型接触层之间界面处，或者n型接触层内部或n型接触层与活性发光层之间的界面处，还可以制作在活性发光层内部。
优选地，所述倒装结构发光二极管中正电极制作在p型层表面，负电极制作在通过刻蚀工艺形成的裸露的n型层表面。
可选地，所述纳米结构层可以是通过电子束曝光、激光全息曝光干涉、纳米压印或者纳米掩膜版等方法制作。
可选地，所述纳米结构层的纳米结构可以呈三方、六方、立方排布，也可以是非对称排布。纳米结构周期值为活性发光层发射光波长(λ)与活性发光材料折射率(n)比值(λ/n)的整数倍。纳米孔(或者纳米柱)的刻蚀深度为纳米结构周期值的整数倍。
可选地，纳米孔(或者纳米柱)结构沿刻蚀方向既可以是等径分布，也可以呈梯度渐变或台阶状分布。
可选地，所述活性发光层所发出的光可以是从红外到紫外光中的任意一种。
可选地，所述纳米结构的材料可以是III-V族或II-VI族，也可以是其中任意二元、三元或四元材料的一种或几种的组合。
可选地，衬底由氧化铝单晶、SiC、氧化物或者其他对活性发光层的发光无吸收的材料所制成。
本发明还提供了一种倒装结构发光二极管的制备方法，其包括：
在衬底上依次制备缓冲层、n型层、活性发光层、电子阻挡层和p型层；其还包括，在所述衬底与活性发光层之间制作纳米结构层。
其中，所述纳米结构层可以制作在衬底表面，或者制作在缓冲层内部或缓冲层与n型接触层之间界面处，或者n型接触层内部或n型接触层与活性发光层之间的界面处，还可以制作在活性发光层内部。
可选地，如图1所示，采用聚苯乙烯(ps)球作纳米掩膜版，在材料表面制作纳米结构层的制备方法，具体包括：
在待制备层11上通过旋涂法淀积一层光刻胶12，所述待制备层为衬底、缓冲层、n型接触层或活性发光层之一；
固胶后采用悬浮聚合法在光刻胶表面铺一层聚苯乙烯(ps)球13；其中ps球的直径为活性发光层发射光波长(λ)与活性发光材料折射率(n)比值(λ/n)的整数倍。如图1(a)所示；
通过紫外曝光，在光刻胶上形成纳米图案，并在曝光后将ps球去除；
通过显影及漂洗在光刻胶上形成纳米尺度微孔图案，如图1(b)所示；
以光刻胶为模板，通过刻蚀工艺刻蚀衬底；去除光刻胶，最后得到需要的纳米结构层，如图1(c)所示。
本发明另一实施例中，如图2所示，以纳米压印技术为例在材料内部作纳米结构层的制作方法，具体包括：
在待制备层23上通过旋涂法淀积一层光刻胶24(如图2(a)所示)，所述待制备层为成核层、缓冲层或n型接触层之一；
通过纳米压印模板在光刻胶表面形成所需要的纳米微结构(如图2(b)所示)，其中纳米压印模板周期值为活性发光层发射光波长(λ)与活性发光材料折射率(n)比值(λ/n)的整数倍；
光刻胶通过升温固胶后采用感应耦合等离子体(ICP)进行刻蚀，一直刻蚀到待制备层23内部。且在待制备层23内部刻蚀的深度为纳米结构周期值的整数倍(如图2(c)所示)；
去掉表层未被刻蚀的光刻胶，在待制备层23表面形成所需要的纳米结构层(如图2(d)所示)；
之后将带有纳米结构层的材料放置外延设备当中，继续生长待制备层23，如图2(e)所示，完成在待制备层内部获得纳米结构层的制作。
图3示出了本发明实施例中倒装结构的氮化镓系蓝光发光二极管的结构示意图。如图3所示，其包括：
一衬底31，以(0001)向蓝宝石(Al2O3)为衬底31，其他可用于衬底31的材质还包括R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。制备中采用高纯NH3作N源，高纯H2和N2的混合气体作载气；三甲基镓或三乙基镓作Ga源，三甲基铟作In源，三甲基铝作Al源；n型掺杂剂为硅烷，p型掺杂剂为二茂镁。
一纳米结构层32，该纳米结构层32制作在蓝宝石衬底31上。
一氮化镓成核层33，该氮化镓成核层33制作在纳米结构层32的表面。
一缓冲层34，该缓冲层34制作在成核层33上。
一n型接触层35，该n型接触层35制作在缓冲层34上，该n型接触层35由n型氮化镓构成。
一活性发光层36，该活性发光层36制作在n型接触层35上并覆盖所述n型接触层35的部分表面，所述活性发光层36是由铟镓氮薄层361和氮化镓薄层362交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。
一p型电子阻挡层37，该p型电子阻挡层37制作在p活性发光层36上，该p型电子阻挡层37由铝镓氮构成。
一p型接触层38，该p型接触层38制作在p型电子阻挡层37上，该p型接触层38由p型氮化镓构成。
一正电极39，该正电极39制作在p型接触层38上，由铬铂金或钛铝钛金组成。
一负电极40，该负电极40制作在n型接触层35未被所述活性发光层36覆盖的表面上，由铬铂金或钛铝钛金组成。完成氮化镓系发光二极管的制作。
以上所述纳米结构层制作在衬底表面，此外，该纳米结构层还可以制作在缓冲层内部或上表面(如图4所示)，或者n型接触层内部或上表面(如图5所示)，还可以制作在活性发光层内部或下表面(如图6所示)。纳米结构层可以是通过电子束曝光、激光全息曝光干涉、纳米压印或者纳米掩膜版等方法制作。
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，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 (10)

1.一种倒装结构发光二极管，其包括：衬底、缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；其中，所述衬底与活性发光层之间具有多孔状或者柱状的纳米结构层。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述纳米结构层制作在衬底上表面，或者制作在缓冲层内部或上表面，或者制作在n型接触层内部或上表面，或者制作在活性发光层内部或下表面。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述纳米结构层通过电子束曝光、激光全息曝光干涉、纳米压印或者纳米掩膜版制作。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述纳米结构层呈三方、六方、立方排布或非对称排布，纳米结构的周期值为活性发光层发射光波长与活性发光材料折射率比值的整数倍，所述纳米孔或者纳米柱的刻蚀深度为纳米结构周期值的整数倍。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述纳米结构层中的纳米孔或者纳米柱沿刻蚀方向等径分布、呈梯度渐变或台阶状分布。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述活性发光层所发出的光是从红外到紫外光的任意一种。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述纳米结构层材料为III-V族或II-VI族，或者III-V族或II-VI族中任意二元、三元或四元材料的一种或几种的组合。
8.一种倒装结构发光二极管的制作方法，其包括：
在衬底上依次制备缓冲层、n型接触层、活性发光层、电子阻挡层和p型接触层；
其特征在于，该方法还包括，在所述衬底与活性发光层之间制作纳米结构层。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在所述衬底与活性发光层之间制作纳米结构层具体包括：
在待制备层上通过旋涂法淀积一层光刻胶，所述待制备层为衬底、缓冲层、n型接触层或活性发光层之一；
固胶后采用悬浮聚合法在光刻胶表面铺一层聚苯乙烯球；其中聚苯乙烯球的直径为活性发光层发射光波长与活性发光材料折射率比值的整数倍；
通过紫外曝光，在光刻胶上形成纳米图案，并在曝光后将聚苯乙烯球去除；
通过显影及漂洗在光刻胶上形成纳米结构图案；
以光刻胶为模板，通过刻蚀工艺刻蚀衬底；去除光刻胶，最后得到需要的纳米结构层。
10.如权利要求8所述的方法，其中，在所述衬底与活性发光层之间制作纳米结构层具体包括：
在待制备层上通过旋涂法淀积一层光刻胶，所述待制备层为成核层、缓冲层或n型接触层之一；
通过纳米压印模板在光刻胶表面形成所需要的纳米微结构，其中纳米压印模板周期值为活性发光层发射光波长与活性发光材料折射率比值的整数倍；
光刻胶通过升温固胶后采用感应耦合等离子体进行刻蚀，一直刻蚀到待制备层内部，且在待制备层内部刻蚀的深度为纳米结构周期值的整数倍；
去掉表层未被刻蚀的光刻胶，在待制备层表面形成所需要的纳米结构层；
之后将带有纳米结构层的材料放置外延设备当中，继续生长待制备层，完成在待制备层内部获得纳米结构层的制作。
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