CN108376730A - 发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种发光装置，所述发光装置包括：氮化镓衬底，包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体；第一反射结构，在氮化镓衬底上；发光结构，在第一反射结构上；第二反射结构，在发光结构上。
Description
技术领域
本公开涉及一种发光装置及其制造方法。
背景技术
最近几年，美国的加州大学圣芭芭拉分校和日本的SONY、SUMITOMO等一些氮化镓(GaN)的研究机构和公司成功地在一些特殊的GaN半极性晶面上制备了高功率、高效率的蓝、绿光发光二极管和激光二极管等。这些GaN的特殊晶面(诸如(2021)、(3031)的晶面)在高效率、低效率衰退(efficiency droop)的发光二极管(LED)以及高功率长波长激光二极管(LD)上有着极大的潜力和优势。
现在已经有少量报道在C面GaN上成功制备了垂直腔面出光的激光器(VCSEL)。在传统的VCSEL中的布拉格反射镜主要采用的是AlGaN/GaN超晶格层或者不导电的介质层SiO2/Ti2O5组成的反射层。对于AlGaN层，由于AlGaN的折射率与GaN的折射率差异小(最大的折射率差异只有0.15)，因此需要生长很多对AlGaN/GaN超晶格层来实现高的反射率。然而由于AlGaN和GaN的晶格失配，生长太多的AlGaN/GaN超晶格层会导致AlGaN外延生长困难，在AlGaN层中容易产生裂痕。这些裂纹会严重影响其器件的性能。而对于SiO2/Ti2O5介质层，由于其绝缘性，使得其在作为N型导电层的布拉格反射层时需要将VCSEL结构从衬底上线剥离了再通过溅射镀膜的方式获得，因而导致工艺复杂。
因此如何提供一种既能够实现晶格匹配，避免生长的困难，又能提高折射率的氮化镓衬底制备方法和其产品成为业内所需。
发明内容
本发明旨在解决上述和/或其他技术问题并提供一种基于半极性氮化镓衬底的发光装置及其制造方法。
根据示例性实施例，一种发光装置包括：氮化镓衬底，包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体；第一反射结构，在氮化镓衬底上；发光结构，在第一反射结构上；第二反射结构，在发光结构上。
氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶。氮化镓衬底的层错的数量为0。
第一反射结构包括第一分布布拉格反射结构。第一分布布拉格反射结构包括具有第一折射率的多个第一介质层和具有与第一折射率不同的第二折射率的多个第二介质层，其中，第一介质层在氮化镓衬底上或在第二介质层上，第二介质层在第一介质层上。第一介质层为n++型GaN层，第二介质层为n型GaN层。
第一介质层包括纳米孔。第一介质层包括的纳米孔的密度为10％至80％，或者纳米孔的孔径为5～100nm，优选值为10至20nm。第一介质层的第一折射率为0至2.5nm，优选值为1.5～2。
通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔。所述发光装置还包括在氮化镓衬底和第一反射结构之间的导电层和隔离层，其中，导电层在氮化镓衬底上，以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的介质(这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层)；隔离层在导电层上并位于导电层和第一反射结构之间，以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。
发光结构包括：有源层，在第一反射结构上；电子阻挡层，在有源层上；隧道结层，在电子阻挡层上。
第二反射结构包括第二分布布拉格反射结构。第二分布布拉格反射结构包括具有第三折射率的多个第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的多个第四介质层，其中，第三介质层在发光结构上或在第四介质层上，第四介质层在第三介质层上。第三介质层为SiO2层，第四介质层为Ti2O5层。
根据另一示例性实施例，一种发光装置的制造方法包括：在包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体的氮化镓衬底上形成第一反射结构；在第一反射结构上形成发光结构；在发光结构上形成第二反射结构。
氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶体。氮化镓衬底的层错的数量为0。
形成第一反射结构的步骤包括：在氮化镓衬底上形成包括多个第一介质层对的第一分布布拉格反射结构，其中，第一介质层对包括具有第一折射率的第一介质层和具有与第一折射率不同的第二折射率的第二介质层，第一介质层形成在氮化镓衬底上或形成在第二介质层上，第二介质层形成在第一介质层上。
所述方法还包括：在第一介质层中形成纳米孔。通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔，其中，在形成第一反射结构的步骤之前，所述方法还包括：在氮化镓衬底上形成导电层，并在导电层上形成隔离层，其中，在电化学蚀刻中，将导电层用作传输电子的媒介(这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层)，并通过隔离层将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。
形成发光结构的步骤包括：在第一反射结构上形成有源层；在有源层上形成电子阻挡层；在电子阻挡层上形成隧道结层。
形成第二反射结构的步骤包括：在发光结构上形成包括多个第二介质层对的第二分布布拉格反射结构，其中，第二介质层对包括具有第三折射率的第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的第四介质层，第三介质层形成在发光结构上或形成在第四介质层上，第四介质层形成在第三介质层上。
由于本公开的技术方案采用纳米孔洞状(nanoporous)的GaN替代AlGaN作为来制备布拉格反射层，一方面可以同GaN衬底实现晶格匹配，避免生长的困难；另一方面，纳米孔状的GaN薄膜的光学折射率理论上可以调节控制介于1～2.55之间，因为可以与GaN薄膜实现更大的折射率差异，因此只需要少量的纳米孔状的GaN层就可以实现非常高的反射率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是示出根据示例性实施例的发光装置的示意性剖视图；
图2所示是(2021)GaN模板n++-GaN/n-GaN组成的周期结构立体示意图；
图3示出根据示例性实施例的发光装置的电子显微镜照片；
图4所示是采用电化学刻蚀的方法将高N型掺杂的n++-GaN刻蚀成纳米孔状结构的立体示意图；
图5(a)所示的是在电化学刻蚀之后的纳米孔状GaN和未被刻蚀GaN形成的周期结构的电子扫描显微镜图；
图5(b)所示的是图5(a)所示的周期结构的反射谱；
图6是示出根据另一示例性实施例的发光装置的示意性剖视图；
图7是示出根据示例性实施例的发光装置的制造方法的流程图；
图8是示出根据另一示例性实施例的发光装置的制造方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一也可以被称为第二，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。
为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1是示出根据示例性实施例的发光装置的示意性剖视图。图2(2021)GaN模板n++-GaN/n-GaN组成的周期结构立体示意图。
如图1中所示，所述发光装置包括：氮化镓衬底110、第一反射结构130、发光结构150和第二反射结构170。
氮化镓(GaN)衬底110可以包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体，例如，沿半极性晶相(2021)或(3031)生长的半极性氮化镓晶体。氮化镓衬底110的层错的数量可以为0。这样的氮化镓衬底110可以通过在蓝宝石衬底100上进行外延生长而得到。这里，可以使用Saphlux公司的大尺寸(4英寸)无层错的半极性(2021)GaN衬底作为氮化镓衬底110。
第一反射结构130可以在氮化镓衬底110上。根据示例性实施例，第一反射结构130和下面将要描述的第二反射结构170可以为分布布拉格反射结构。例如，第一反射结构130可以包括由第一介质层131和第二介质层133构成的第一介质层对。
如图1中所示，第一介质层131可以在氮化镓衬底110上或在第二介质层133上。第二介质层133可以在第一介质131上。第一介质层131可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第二介质层133上，或在中间存在导电层111和隔离层113(将在下面进行详细描述)的情况下形成在氮化镓基底110上。第一介质层131可以为高掺杂的n++型GaN层。这样的第一介质层131的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为2E19cm-3。第二介质层133可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第一介质层131上。第二介质层133可以为低掺杂的n型GaN层。这样的第二介质层133的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为1E18cm-3。
虽然附图中示出了第一反射结构130包括3.5个第一介质层对，但是示例性实施例不限于此，例如，第一反射结构130可以包括10-20个第一介质层对。此外，第一介质层131和第二介质层133的厚度均可以等于发光装置所期望发射的光的波长的1/4。
第一介质层131的折射率可以与第二介质层133的折射率不同，第二介质层133的折射率为2.4～2.6；第一介质层的131的折射率为0～2.5，其有优选值为1.5～2。为此，第一介质层131可以包括纳米孔。
图3示出根据示例性实施例的发光装置的电子显微镜照片。如图3中所示，第一介质层131中的纳米孔的密度可以为10％-80％，纳米孔的孔径可以为5～100nm，优选值为10至20nm。因为纳米孔中可以填充有空气，从而通过在第一介质层131中形成预定孔径的纳米孔可以改变第一介质层131的光的折射率。简单直接的计算公式是：第一介质层的折射率＝第二介质层的折射率×纳米孔的截面占空比+1×(1-纳米孔的截面占空比)。
可以通过电化学蚀刻来形成第一介质层131中的纳米孔。为此，根据示例性实施例的发光装置还可以包括在氮化镓衬底110和第一反射结构130之间的导电层111和隔离层113。
导电层111可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成在氮化镓衬底110上，例如，直接形成在氮化镓衬底110上。导电层111可以为厚度在500nm-3000nm范围内的n+型GaN层。导电层111可以以约为5E18cm-3的浓度掺杂有Si或者Ge。导电层111可以在用于形成第一介质层131中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的介质(例如，电极)。这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层。
隔离层113可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成在导电层111上，例如，直接形成在导电层111上。隔离层113可以为厚度为500nm的GaN层。可以不掺杂隔离层113。隔离层113可以在用于形成第一介质层131中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层111与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。第一反射结构130可以形成，例如，直接形成在隔离层113上。
这里，在用于形成导电层111、隔离层113、第一介质层131、第二介质层133的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氢气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为900-1100℃，生长室的气氛的压强可以为50-500mbar，生长速率可以为0.5-4μm/h。
参照图1，发光结构150可以包括有源层151、电子阻挡层(EBL)153、隧道结(TunnelJunction)层155。
有源层151可以形成，例如，直接形成在第一反射结构130上。例如，有源层151可以通过MOCVD方法形成在第一反射结构130的第一介质层131上。有源层151可以为厚度为50nm的InGaN/GaN层。这里，在用于形成有源层151的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氮气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为760-850℃，生长室的气氛的压强可以为100-500mbar。
电子阻挡层153可以形成，例如，直接形成在有源层151上。例如，电子阻挡层153可以通过MOCVD方法形成在有源层151上。电子阻挡层153可以为AlGaN层，其中，Al原子数量比可以为15％-20％。这里，在用于形成电子阻挡层153的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氮气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为900-950℃，生长室的气氛的压强可以为100-500mbar。
隧道结层155可以形成，例如，直接形成在电子阻挡层153上。例如，隧道结层155可以通过MOCVD方法形成在电子阻挡层153上。隧道结层155可以具有50nm的厚度，其中，约10～20nm的高P型掺杂的GaN和10～20nm的高N型掺杂的GaN组合成的隧穿结。这里，在用于形成隧道结层155的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氢气作为载气和生长室的气氛。
第二反射结构170可以在发光结构150上。根据示例性实施例，第二反射结构170可以与第一反射结构130的结构相同。即，第二反射结构170可以为分布布拉格反射结构。第二反射结构170可以包括由第三介质层171和第四介质层173构成的第二介质层对。
如图1中所示，第三介质层171可以在发光结构150上或在第四介质层173上。第四介质层173可以在第三介质171上。第三介质层171可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在发光结构150上或直接形成在第四介质层173上。第三介质层171可以为高掺杂的n++型GaN层。这样的第三介质层171的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为2E19cm-3。第四介质层173可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第三介质层171上。第四介质层173可以为低掺杂的n型GaN层。这样的第四介质层173的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为1E18cm-3。
此外，第三介质层171和第四介质层173的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氢气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为900-1100℃，生长室的气氛的压强可以为50-500mbar，生长速率可以为0.5-4μm/h。
虽然附图中示出了第二反射结构170包括3.5个第二介质层对，但是示例性实施例不限于此，例如，第二反射结构170可以包括10-20个第二介质层对。此外，第三介质层171和第四介质层173的厚度均可以等于发光装置所期望发射的光的波长的1/4。
第三介质层171的折射率可以与第四介质层173的折射率不同，第四介质层173的折射率为2.4～2.6；第三介质层的171的折射率为0～2.5，其有优选值为1.5～2。为此，第三介质层171可以包括纳米孔。
图3示出根据示例性实施例的发光装置的电子显微镜照片。图4所示是采用电化学刻蚀的方法将高N型掺杂的n++-GaN刻蚀成纳米孔状结构的立体示意图。如图3中所示，第三介质层171中的纳米孔的密度可以为10％-80％，纳米孔的孔径可以为5～100nm，优选值为10至20nm。因为纳米孔中可以填充有空气，从而通过在第三介质层171中形成预定孔径的纳米孔可以改变第三介质层171的光的折射率。简单直接的计算公式是：第一介质层的折射率＝第二介质层的折射率×纳米孔的截面占空比+1×(1-纳米孔的截面占空比)。
可以通过电化学蚀刻来形成第三介质层171中的纳米孔。为此，根据示例性实施例的发光装置还可以包括在氮化镓衬底110和第一反射结构130之间的导电层111和隔离层113。如上所述，导电层111可以在用于形成第三介质层171中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的媒介。这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层。隔离层113可以在用于形成第三介质层171中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层111与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。
根据示例性实施例，可以在同一电化学蚀刻工艺中同时在第一介质层131和第三介质层171中形成纳米孔。具体地讲，可以将形成有第一和第二反射结构130和170的结构放入诸如HF溶液、HNO3溶液或者NaCl溶液中。然后，可以以导电层111为电子传输通道并施加1-5V的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型GaN层的第一介质层131和第三介质层171，从而在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小和第一介质层131和第三介质层171中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。
图5(a)所示的是在电化学刻蚀之后的纳米孔状GaN和未被刻蚀GaN形成的周期结构的电子扫描显微镜图。图5(b)所示的是图5(a)所示的周期结构的反射谱。从图5(b)可以看出，其最高反射率可以达到99.6％，并且其反射波长的截止带宽超过100nm。譬如图3(b)中所示的反射波长的截止带宽大约为510nm。
然而，示例性实施例不限于此，在另一示例性实施例中，第三介质层171可以为包含SiO2的层，第四介质层173可以为包含Ti2O5的层。图6是示出根据另一示例性实施例的发光装置的示意性剖视图。除了第二发光结构之外，图6示出的发光装置的特征可以与图1中示出的发光装置的特征相同或相似，并因此将省略对于相同或相似的特征的描述。
如图6所示，在该示例性实施例中，第三介质层171’和第四介质层173’可以不包括纳米孔。例如，可以采用与上面描述的方式形成包括纳米孔的第一介质层131，然后，在发光结构150上形成包括包含SiO2的第三介质层171和包含Ti2O5的第四介质层173的第二发光结构170’。
图7是示出根据示例性实施例的发光装置的制造方法的流程图。根据示例性实施例的发光装置的制造方法可以用于制造上面参照图1-5描述的发光装置，因此，在下文中将省略对于相同特征的重复描述。
如图7中所示，在步骤S410中，可以在包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体的氮化镓衬底上形成第一反射结构。这里，氮化镓衬底可以包括沿半极性晶相(2021)或(3031)生长的半极性氮化镓晶体。氮化镓衬底的层错的数量可以为0。
具体地讲，在步骤S410中，可以在氮化镓衬底上形成包括多个第一介质层对的第一分布布拉格反射结构。这里，第一介质层对可以包括具有第一折射率的第一介质层和具有与第一折射率不同的第二折射率的第二介质层。可以在氮化镓衬底上或在第二介质层上形成第一介质层，可以在第一介质层上形成第二介质层。
第一介质层可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第二介质层上，或在中间存在导电层和隔离层(将在下面进行详细描述)的情况下形成在氮化镓基底上。第一介质层可以为高掺杂的n++型GaN层。这样的第一介质层的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为2E19cm-3。第二介质层可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第一介质层上。第二介质层可以为低掺杂的n型GaN层。这样的第二介质层的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为1E18cm-3。
第一反射结构可以包括3.5个第一介质层对，但是示例性实施例不限于此，例如，第一反射结构可以包括10-20个第一介质层对。此外，第一介质层和第二介质层的厚度均可以等于发光装置所期望发射的光的波长的1/4。
第一介质层的折射率可以与第二介质层的折射率不同，第二介质层的折射率为2.4～2.6；第一介质层的折射率为0～2.5，其有优选值为1.5～2。为此，根据示例性实施例的发光装置的制造方法可以包括在第一介质层中形成纳米孔(S470)。
可以通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔。以使得第一介质层中的纳米孔的密度为10％-80％，纳米孔的孔径为5～100nm，优选值为10至20nm。为此，根据示例性实施例的发光装置的制造方法还可以包括在氮化镓衬底和第一反射结构之间形成导电层和隔离层。
可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法在氮化镓衬底上形成导电层。导电层可以为厚度在500nm-3000nm范围内的n+型GaN层。导电层可以以约为5E18cm-3的浓度掺杂有Si或者Ge。导电层可以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作介质或通道(例如，电极)。这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层。
可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法在导电层上形成隔离层。隔离层可以为厚度为500nm的GaN层。可以不掺杂隔离层。隔离层可以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。第一反射结构可以形成在隔离层上。
如此，可以将形成有第一反射结构的结构放入诸如HF溶液、HNO3溶液或者NaCl溶液中。然后，可以以导电层为电子传输通道并施加1-5V的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型GaN层的第一介质层，从而在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小和第一介质层中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。
这里，在用于形成导电层、隔离层、第一介质层、第二介质层的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氢气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为900-1100℃，生长室的气氛的压强可以为50-500mbar，生长速率可以为0.5-4μm/h。
然而，示例性实施例不限于此，如图6中所示，可以在形成了第二反射结构之后进行纳米孔的形成步骤S470，从而同时在第一介质层和第三介质层中形成纳米孔。
参照图7，在步骤S430，可以在第一反射结构上形成发光结构。具体地讲，可以在第一反射结构上形成有源层，然后可以在有源层上形成电子阻挡层，并可以在电子阻挡层上形成隧道结层。
在形成了发光结构之后，可以在发光结构上形成第二反射结构(S450)。可以以上面形成第一反射结构的步骤相同或相似地在发光结构上形成包括多个第二介质层对的第二分布布拉格反射结构。第二介质层对可以包括具有第三折射率的第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的第四介质层。可以在发光结构上或在第四介质层上形成第三介质层，可以在第三介质层上形成第四介质层。
第三介质层可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在发光结构或第四介质层上。第三介质层可以为高掺杂的n++型GaN层。这样的第三介质层的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为2E19cm-3。第四介质层可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法形成，例如，直接形成在第三介质层上。第四介质层可以为低掺杂的n型GaN层。这样的第四介质层的掺杂的杂质可以为Si或者Ge，杂质的浓度可以为
1E18cm-3。
第二反射结构可以包括3.5个第二介质层对，但是示例性实施例不限于此，例如，第二反射结构可以包括10-20个第二介质层对。此外，第三介质层和第四介质层的厚度均可以等于发光装置所期望发射的光的波长的1/4。
与上面描述的第一介质层和第二介质层的折射率彼此不同相似地，第三介质层的折射率可以与第四介质层的折射率不同。为此，可以在第一介质层和第三介质层中形成纳米孔(S470)。
可以通过电化学蚀刻来形成第一介质层和第三介质层中的纳米孔。以使得第一介质层和第三介质层中的纳米孔的密度为10％-80％，纳米孔的孔径为5～100nm，优选值为10至20nm。为此，根据示例性实施例的发光装置的制造方法还可以包括在氮化镓衬底和第一反射结构之间形成导电层和隔离层。
如此，可以将形成有第一反射结构和第二反射结构的结构放入诸如HF溶液、HNO3溶液或者NaCl溶液中。然后，可以以导电层为电子传输通道并施加1-5V的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型GaN层的第一介质层和第三介质层，从而在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小以及第一介质层和第三介质层中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。
然而，示例性实施例不限于此，在另一示例性实施例中，第三介质层可以为包含SiO2的层，第四介质层可以为包含Ti2O5的层，如图8中所示。为此，本发明的另一示例性实施例可以提供一种制造例如如图8中所示的发光装置的方法。图8中示出了根据该示例性实施例的制造发光装置的方法的示意性流程图。图8示出的方法的操作S410和S430可以与图7中示出的相同，并因此将省略对于相同的操作的描述。
参照图8，在操作S470’，可以在第一介质层中形成纳米孔。
可以通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔。以使得第一介质层中的纳米孔的密度为10％-80％，纳米孔的孔径为5～100nm，优选值为10至20nm。为此，根据示例性实施例的发光装置的制造方法还可以包括在氮化镓衬底和第一反射结构之间形成导电层和隔离层。
可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法在氮化镓衬底上形成导电层。导电层可以为厚度在500nm-3000nm范围内的n+型GaN层。导电层可以以约为5E18cm-3的浓度掺杂有Si或者Ge。导电层可以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作介质或通道(例如，电极)。这里，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层。
可以通过金属有机化学气相沉积MOCVD方法在导电层上形成隔离层。隔离层可以为厚度为500nm的GaN层。可以不掺杂隔离层。隔离层可以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。第一反射结构可以形成在隔离层上。
如此，可以将形成有第一反射结构的结构放入诸如HF溶液、HNO3溶液或者NaCl溶液中。然后，可以以导电层为电子传输通道并施加1-5V的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型GaN层的第一介质层，从而在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小和第一介质层中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。
这里，在用于形成导电层、隔离层、第一介质层、第二介质层的金属有机化学气相沉积MOCVD方法中，可以使用氢气作为载气和生长室的气氛，生长室的生长温度可以为900-1100℃，生长室的气氛的压强可以为50-500mbar，生长速率可以为0.5-4μm/h。
然后，参照图8，可以在发光结构上形成第二反射结构(S450’)。第二分布布拉格反射结构可以包括多个第二介质层对的。第二介质层对可以包括具有第三折射率的第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的第四介质层。可以在发光结构上或在第四介质层上形成第三介质层，可以在第三介质层上形成第四介质层。
在该示例性实施例中，第三介质层可以为包含SiO2的层，第四介质层可以为包含Ti2O5的层。并且，第三介质层和第四介质层可以不包括纳米孔。因为形成包括包含SiO2的层的第三介质层和包含Ti2O5的层的第四介质层的第二反射结构的方法可以是已知的，从而这里省略对于已知的技术的详细描述。
如此，可以制造如上面参照图6描述的发光装置。
术语“约”和“大约”可用于意指在一些实施方案中目标尺寸的±20％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±10％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±5％以内，以及还有在一些实施方案中目标尺寸的±2％以内。术语“约”和“大约”可包括目标尺寸。
本文所述的技术方案可实现为方法，其中已经提供了至少一个实施例。作为所述方法的一部分所执行的动作可以以任意合适的方式排序。因此，可以构建实施方案，其中各动作以与所示的次序所不同的次序执行，其可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施方案中被示为顺序动作。此外，方法在一些实施方案中可包括比示出的那些更多的动作，在其他实施方案中包括比示出的那些更少的动作。
虽然在此描述了本发明的至少一个说明性的实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，可容易地进行多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本发明的精神和范围以内。因此，前述说明仅通过举例方式并不旨在作为限制。本发明仅由下列权利要求及其等同物所限定。
Claims (23)
1.一种发光装置，其特征在于，所述发光装置包括：
氮化镓衬底，包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体；
第一反射结构，在氮化镓衬底上；
发光结构，在第一反射结构上；
第二反射结构，在发光结构上。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶。
3.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于，氮化镓衬底的层错的数量为0。
4.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，第一反射结构包括第一分布布拉格反射结构。
5.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，第一分布布拉格反射结构包括具有第一折射率的多个第一介质层和具有与第一折射率不同的第二折射率的多个第二介质层，
其中，第一介质层在氮化镓衬底上或在第二介质层上，第二介质层在第一介质层上。
6.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，第一介质层为n++型GaN层，第二介质层为n型GaN层。
7.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，第一介质层包括纳米孔。
8.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，第一介质层包括的纳米孔的密度为10％至80％，或者纳米孔的孔径为5～100nm，或者纳米孔的孔径为10至20nm。
9.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于，第一介质层的第一折射率为0至2.5nm，或者第一介质层的第一折射率为1.5～2。
10.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔。
11.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括在氮化镓衬底和第一反射结构之间的导电层和隔离层，其中，
导电层在氮化镓衬底上，以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的介质；
隔离层在导电层上并位于导电层和第一反射结构之间，以在用于形成第一介质层中的纳米孔的电化学蚀刻中将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。
12.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，发光结构包括：
有源层，在第一反射结构上；
电子阻挡层，在有源层上；
隧道结层，在电子阻挡层上。
13.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，第二反射结构包括第二分布布拉格反射结构。
14.如权利要求13所述的发光装置，其特征在于，第二分布布拉格反射结构包括具有第三折射率的多个第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的多个第四介质层，
其中，第三介质层在发光结构上或在第四介质层上，第四介质层在第三介质层上。
15.如权利要求14所述的发光装置，其特征在于，第三介质层为SiO2层，第四介质层为Ti2O5层。
16.一种发光装置的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体的氮化镓衬底上形成第一反射结构；
在第一反射结构上形成发光结构；
在发光结构上形成第二反射结构。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶体。
18.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，氮化镓衬底的层错的数量为0。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成第一反射结构的步骤包括：
在氮化镓衬底上形成包括多个第一介质层对的第一分布布拉格反射结构，其中，第一介质层对包括具有第一折射率的第一介质层和具有与第一折射率不同的第二折射率的第二介质层，第一介质层形成在氮化镓衬底上或形成在第二介质层上，第二介质层形成在第一介质层上。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一介质层中形成纳米孔。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔，其中，在形成第一反射结构的步骤之前，所述方法还包括：
在氮化镓衬底上形成导电层，并在导电层上形成隔离层，其中，在电化学蚀刻中，将导电层用作传输电子的介质，并通过隔离层将导电层与电化学蚀刻所采用的溶剂隔离开。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成发光结构的步骤包括：
在第一反射结构上形成有源层；
在有源层上形成电子阻挡层；
在电子阻挡层上形成隧道结层。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成第二反射结构的步骤包括：
在发光结构上形成包括多个第二介质层对的第二分布布拉格反射结构，其中，第二介质层对包括具有第三折射率的第三介质层和具有与第三折射率不同的第四折射率的第四介质层，第三介质层形成在发光结构上或形成在第四介质层上，第四介质层形成在第三介质层上。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20181017 Address after: 710117 room 4, No. 15 Shanglin Yuan Road, Xi'an high tech Zone, Shaanxi, China. Applicant after: Xi'an Sai Ferrostaal Semiconductor Technology Co Ltd Address before: No. 06405, needle rubber road, Brandford, Dick, Connecticut 4 Applicant before: Saifulus Co., Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180807 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |