CN104576864A - 一种新型出光结构的GaN基发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括在生长面设有多个凹形结构的衬底，衬底生长面依次生长有第一半导体载流子注入层、发光结构和第二半导体载流子注入层，同时还公开了该GaN基发光二极管的制作方法，先通过湿刻或干刻法在衬底生长面上形成有序分布的直径为5-10um凹形结构阵列，再采用MOCVD方法在衬底上依次生长第一半导体载流子注入层、多量子阱结构和第二半导体载流子注入层。本发明制作出的发光二极管，性能可靠，发光效率高，且能显著改善器件尤其是大功率输入时的散热效率，明显降低结温。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管领域，具体涉及一种新型出光结构的GaN基发光二极管及其制作方法。
背景技术
当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，以LED（发光二极管）为代表的半导体发光产品，具有节能、环保，以及光源寿命长、体积小等优点，正吸引着世人的目光。对于GaN基LED来说，GaN为2.5与空气的折射系数相差很大，全反射角为24.5度左右。发光区产生的光在出光面大部分被反射回来，光线的多次反射，由于材料的吸收及非出光面逸光作用，正面出光的比例非常小，只占4%。即使采用图形衬底结构，出光比例也只有12%左右。
目前人们已采用了多种出光技术改善正面出光，其中出光面粗化技术是其中很重要的一类。一种现行方法是直接降低温度生长粗糙的P型材料（US2006007272Al）。然而，生长温度降低导致材料质量劣化，对LED器件的光电性能和可靠性影响很大。另外，通过调整生长参数来控制样品表面的粗糙程度，在外延工艺上不稳定，以及P面粗化引起的黑白电极问题给芯片工艺也造成了复杂性。第二种方法是采用P面刻蚀的办法。但是在GaN基LED结构的P层非常薄，只有几百纳米的厚度，无论是干刻工艺和湿刻工艺都很难精确控制深度，而且对材料也会造成损伤。另一种可行方法是采用粗化透明电极层的办法。目前已经报道的类似工艺有采用单层镍纳米粒子作为掩膜刻蚀透明电极层（CN101702419A），采用ZnO纳米球作为掩膜沉积在透明电极层同时刻蚀ZnO和透明电极层形成粗化出光面（CN101740702A），采用SiO2纳米球作为掩膜刻蚀ITO透明电极表面形成无序粗化的出光窗口（CN202616283）。但这些方法存在掩膜材料不易获得，没有实现商业化和工艺后处理比较复杂等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种新型出光结构的GaN基发光二极管及其制作方法，该发光二极管不仅能够提高器件的出光效率，而且能够改善器件尤其是大功率输入时的散热效率，明显降低结温。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括在生长面设有多个凹形结构的衬底，衬底生长面依次生长有第一半导体载流子注入层、发光结构和第二半导体载流子注入层。
所述衬底为蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底。
所述衬底为平面衬底或图形化衬底（即加工出具有图形化结构的衬底）。
所述第二半导体载流子注入层上形成有与衬底对应的凹形结构。
所述凹形结构为呈阵列分布的圆孔或凹槽，优选为呈阵列分布的圆孔。
一种新型出光结构的GaN基发光二极管制作方法，包括如下两个步骤：
1、凹形结构加工步骤：通过湿刻或干刻法在衬底生长面上形成有序分布的直径为5-10um凹形结构阵列；
2、外延层生长步骤：采用MOCVD(Metal-organiC、Chemical Vapor Deposition)方法在衬底上依次生长第一半导体载流子注入层、多量子阱结构和第二半导体载流子注入层。
所述外延层生长步骤包括如下三个步骤：
1、第一半导体载流子注入层生长步骤：先在400-600℃下在衬底上生长15-50nm的GaN缓冲层或在600-1000℃下在衬底上生长10-60nm的AlN缓冲层，再在900-1200℃下生长1.5-4um的本征GaN层（非掺杂或低掺杂浓度GaN层），然后在900-1200℃下生长1.5-4um的Si掺杂GaN层。
2、多量子阱结构生长步骤：该步骤包括如下子步骤：
A、生长GaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；
B、生长InGaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；
C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱。
3、第二半导体载流子注入层生长步骤：将生长温度设定在800-1200℃，先生长10-200nm的镁掺杂AlGaN层或AlInGaN层，再生长50-500nm的镁掺杂GaN层。
上述所有外延层的表面均形成与衬底一致排列的凹形结构阵列。
本发明的有益效果为：能通过简单的步骤制作出性能可靠、发光效率高的发光二极管，在衬底的出光面形成阵列分布的圆孔或凹槽能更有利于出光和散热，提高出光效率，尤其能够改善器件尤其是大功率输入时的散热效率，明显降低结温。
附图说明
图1为本发明提供的新型出光结构的GaN基发光二极管的剖面示意图。
图2为本发明提供的新型出光结构的GaN基发光二极管的俯视图；
图中，1-衬底，2-第一半导体载流子注入层，3-多量子阱结构，4-第二半导体载流子注入层，5-圆孔。
具体实施方式
为了更具体地说明本发明，现给出若干实施例，但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。
实施例1： 如图1和图2所示，一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括设有多个阵列式分布圆孔（5）的蓝宝石图形化衬底（1），在蓝宝石衬底（1）生长面依次生长的第一半导体载流子注入层（2）、发光结构和第二半导体载流子注入层（4），生长时各层所形成的圆孔（5）图案相同。
实施例1的制作方法为：
1、通过湿刻法在PSS衬底（1）生长面上形成有序分布的直径为5-10um圆孔（5）阵列；
2、用MOCVD法生长第一半导体载流子注入层（2）：在衬底（1）上500℃生长15-50nm的GaN缓冲层，接着1000℃生长1.5-4um厚的本征GaN层和在1000℃下生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层；
3、用MOCVD法生长多量子阱结构（3）：A、生长GaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；B、生长InGaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
4、用MOCVD法生长第二半导体载流子注入层（4）：将生长温度设定在1000℃，先生长10-200nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例2： 如图1和图2所示，一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括设有多个阵列式分布圆孔（5）的蓝宝石平面衬底（1），在蓝宝石衬底（1）生长面依次生长的第一半导体载流子注入层（2）、发光结构和第二半导体载流子注入层（4），生长时各层所形成的圆孔（5）图案相同。
实施例2的制作方法为：
1、通过湿刻法在平面衬底（1）生长面上形成有序分布的直径为5-10um圆孔（5）阵列；
2、用MOCVD法生长第一半导体载流子注入层（2）：在衬底（1）上550℃生长15-50nm的GaN缓冲层，接着1100℃生长1.5-4um厚的本征GaN层和在1100℃下生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层；
3、用MOCVD法生长多量子阱结构（3）：A、生长GaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；B、生长InGaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
4、用MOCVD法生长第二半导体载流子注入层（4）：将生长温度设定在1100℃，先生长10-200nm厚的镁掺杂AlInGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例3： 如图1和图2所示，一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括设有多个阵列式分布圆孔（5）的Si平面衬底（1），在Si衬底（1）生长面依次生长的第一半导体载流子注入层（2）、发光结构和第二半导体载流子注入层（4），生长时各层所形成的圆孔（5）图案相同。
实施例3的制作方法为：
1、通过湿刻法在平面衬底（1）生长面上形成有序分布的直径为5-10um圆孔（5）阵列；
2、用MOCVD法生长第一半导体载流子注入层（2）：在衬底（1）上650℃生长15-50nm的AlN缓冲层，接着1000℃生长1.5-4um厚的本征GaN层和在1000℃下生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层；
3、用MOCVD法生长多量子阱结构（3）：A、生长GaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；B、生长InGaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
4、用MOCVD法生长第二半导体载流子注入层（4）：将生长温度设定在950℃，先生长10-200nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例4： 如图1和图2所示，一种新型出光结构的GaN基发光二极管，包括设有多个阵列式分布圆孔（5）的SiC平面衬底（1），在SiC平面衬底（1）生长面依次生长的第一半导体载流子注入层（2）、发光结构和第二半导体载流子注入层（4），生长时各层所形成的圆孔（5）图案相同。
实施例4的制作方法为：
1、通过湿刻法在平面衬底（1）生长面上形成有序分布的直径为5-10um圆孔（5）阵列；
2、用MOCVD法生长第一半导体载流子注入层（2）：在衬底（1）上900℃生长15-50nm的AlN缓冲层，接着1100℃生长1.5-4um厚的本征GaN层和在1100℃下生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层；
3、用MOCVD法生长多量子阱结构（3）：A、生长GaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；B、生长InGaN层：将生长温度设定在800℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
4、用MOCVD法生长第二半导体载流子注入层（4）：将生长温度设定在1100℃，先生长10-200nm厚的镁掺杂AlInGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。
Claims (9)
1.一种新型出光结构的GaN基发光二极管，其特征在于：包括在生长面设有多个凹形结构的衬底，衬底生长面依次生长有第一半导体载流子注入层、发光结构和第二半导体载流子注入层。
2.根据权利要求1所述的新型出光结构的GaN基发光二极管，其特征在于：所述衬底为蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底。
3.根据权利要求1或2所述的新型出光结构的GaN基发光二极管，其特征在于：所述衬底为平面衬底或图形化衬底。
4.根据权利要求1所述的新型出光结构的GaN基发光二极管，其特征在于：所述第二半导体载流子注入层上形成有与衬底对应的凹形结构。
5.根据权利要求1或4所述的新型出光结构的GaN基发光二极管，其特征在于：所述凹形结构为呈阵列分布的圆孔或凹槽。
6.一种新型出光结构的GaN基发光二极管制作方法，其特征在于：包括如下两个步骤：
（1）凹形结构加工步骤：通过湿刻或干刻法在衬底生长面上形成有序分布的直径为5-10um凹形结构阵列；
（2）外延层生长步骤：采用MOCVD方法在衬底上依次生长第一半导体载流子注入层、多量子阱结构和第二半导体载流子注入层。
7.根据权利要求6所述的新型出光结构的GaN基发光二极管制作方法，其特征在于：所述外延层生长步骤包括如下三个步骤：
（1）第一半导体载流子注入层生长步骤：先在400-600℃下在衬底上生长15-50nm的GaN缓冲层或在600-1000℃下在衬底上生长10-60nm的AlN缓冲层，再在900-1200℃下生长1.5-4um的本征GaN层，然后在900-1200℃下生长1.5-4um的Si掺杂GaN层；
（2）多量子阱结构生长步骤：该步骤包括如下子步骤：
A、生长GaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，生长时间为20-600s；
B、生长InGaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，还通入流量为10-600sccm的三甲基铟，生长时间为20-600s；
C、重复A和B子步骤形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
（3）第二半导体载流子注入层生长步骤：将生长温度设定在800-1200℃，先生长10-200nm的镁掺杂AlGaN层或AlInGaN层，再生长50-500nm的镁掺杂GaN层。
8.根据权利要求6所述的新型出光结构的GaN基发光二极管制作方法，其特征在于：所述第二半导体载流子注入层上形成有与衬底对应的凹形结构。
9.根据权利要求6或8所述的新型出光结构的GaN基发光二极管制作方法，其特征在于：所述凹形结构为呈阵列分布的圆孔或凹槽。
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