CN111628057A - 一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,包括:由上而下依次设置的衬底、AlN成核层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、AlxGa(1‑x)N/AlyGa(1‑y)N多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层、在p型AlGaN层下方设置p型欧姆电极,并在p型AlGaN层的其余位置刻蚀亚波长光栅反射镜,在n型AlGaN层下方设置n型欧姆电极,在p型欧姆电极和n型欧姆电极正下方分别设置两个凸点,在两个凸点下设置基座。本发明其结构中的亚波长光栅反射镜具有制备工艺简单、成本低廉的优点,通过优化相关参数,反射率可以达到99%以上;能够有效地提高多量子阱有源区发出的原本向下发出的紫外光被反射向上的反射效率,增加衬底测的出光,从而提高紫外LED的发光强度和发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及紫外发光二极管制造技术领域,尤其是一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管。
背景技术
紫外LED与传统的紫外光源相比具有体积小、能耗低、寿命长等优势。特别是波长在200-400nm的紫外LED被广泛地应用于杀菌、照明、印刷、医疗、生化检测、聚合物固化、保密通信、环境保护和高密度信息存储等领域。以AlGaN为代表的III族氮化物半导体材料是制备紫外LED的核心材料。尽管经过科研人员多年的努力,对AlGaN基紫外LED的研究取得了很大进展,但仍存在着极化强度大、缺陷密度高、出光少、高质量AlGaN材料生长困难等科学和技术难题,导致现有技术制备的AlGaN基紫外LED的内量子效率、载流子注入效率和发光效率仍然普遍偏低。
业界普遍采用倒装结构以提高紫外LED的发光强度和发光效率,现有技术通常采用高反射率的金属电极或如图3所示的布拉格反射镜(DBR)结构,以提高多量子阱发出的紫外光的反射效率。但高反射率的金属电极由于通常采用Ag、Al和Rh等作为单层或多层金属反射层,反射率普遍低于90%;而DBR的反射率和带宽依赖于两种组成材料的折射率和每层厚度控制的精度,因此DBR的生长控制是个巨大挑战。实际上,形成高反射率的DBR所需的材料层的总厚度一般会高达数微米,考虑到晶格失配因素,过厚的DBR会造成紫外LED的结构崩溃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,能够显著地提高多量子阱有源区原本向下发出的紫外光被反射向上的反射效率,增加衬底侧的出光,从而提高紫外LED的发光强度和发光效率。
为解决上述技术问题,本发明提供一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,包括:由上而下依次设置的衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层105、AlGaN电子阻挡层106、p型AlGaN层107、在p型AlGaN层107下方设置p型欧姆电极108,并在p型AlGaN层107的其余位置刻蚀亚波长光栅反射镜1071,在n型AlGaN层104下方设置n型欧姆电极109,在p型欧姆电极108和n型欧姆电极109正下方分别设置两个凸点110,在两个凸点110下设置基座111。
优选的,所述衬底101为可外延生长GaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓衬底中的任意一种。
优选的,所述AlN成核层102的厚度为5~30nm;所述非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为50~5000nm;所述n型AlGaN层104的厚度为200~5000nm;所述AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层105具有3~50对量子阱,量子阱的阱厚度为1~10nm,量子阱的势垒厚度为5~30nm;所述AlGaN电子阻挡层106的厚度为2~30nm;所述p型AlGaN层107的厚度为200~2000nm。
优选的,所述的在p型AlGaN层107下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜1071是一维条形光栅或者二维矩形光栅结构;一维条形光栅结构图形深度为400~700nm,条形宽度为50~200nm,周期长度为100~300nm;二维矩形光栅结构图形深度为400~700nm,矩形的边长为50~200nm,周期长度为100~300nm,且光栅周期长度小于多量子阱发射的紫外光波长,而具体数值需依据严格的耦合波理论,通过仿真优化相关参数得到。
优选的,所述p型欧姆电极108和n型欧姆电极109的材料为Ni、Al、In、Au或Ti中的任何一种金属或上述金属中任意几种金属组成的合金材料,凸点110的材料选择Au,基座111的材料选择二维陶瓷基板。
本发明的有益效果为:本发明提供一种具有亚波长光栅反射镜的倒装型紫外LED,其结构中的亚波长光栅反射镜具有制备工艺简单、成本低廉的优点,通过优化相关参数,反射率可以达到99%;能够有效地提高多量子阱有源区发出的原本向下发出的紫外光被反射向上的反射效率,增加衬底测的出光,从而提高紫外LED的发光强度和发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有亚波长光栅反射镜的倒装型紫外LED的断面结构示意图。
图2(a)为本发明在p型AlGaN层107下表面刻蚀形成的一维条形结构亚波长光栅反射镜1071的水平面截图。
图2(b)为本发明在p型AlGaN层107下表面刻蚀形成的二维矩形结构亚波长光栅反射镜1071的水平面截图。
图3为现有技术制备的具有DBR反射镜的倒装型紫外LED的断面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,包括:由上而下依次设置的衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层105、AlGaN电子阻挡层106、p型AlGaN层107、在p型AlGaN层107下方设置p型欧姆电极108,并在p型AlGaN层107的其余位置刻蚀亚波长光栅反射镜1071,在n型AlGaN层104下方设置n型欧姆电极109,在p型欧姆电极108和n型欧姆电极109正下方分别设置两个凸点110,在两个凸点110下设置基座111。
图2(a)和图2(b)为在p型AlGaN层107下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜1071的水平横截面图,其中,图2(a)是一维条形结构亚波长光栅反射镜结构示意图;图2(b)是二维矩形结构亚波长光栅反射镜结构示意图,1070是光栅间隙。
所述衬底101为可外延生长GaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓衬底中的任意一种。
所述非掺杂AlN成核层102的厚度为5~30nm;所述非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为50~5000nm;所述n型AlGaN层104的厚度为200~5000nm;所述AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层105具有3~50对量子阱,量子阱的阱厚度为1~10nm,量子阱的势垒厚度为5~30nm;所述AlGaN电子阻挡层106的厚度为2~30nm;所述p型AlGaN层107的厚度为200~2000nm。
所述的在p型AlGaN层下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜1071是一维条形光栅或者二维矩形光栅结构。一维条形光栅结构图形深度为400~700nm,条形宽度为50~200nm,周期长度为100~300nm;二维矩形光栅结构图形深度为400~700nm,矩形的边长为50~200nm,周期长度为100~300nm,且光栅周期长度小于多量子阱发射的紫外光波长,而具体数值需依据严格的耦合波理论,通过仿真优化相关参数得到。
所述p型欧姆电极108和n型欧姆电极109的材料为Ni、Al、In、Au或Ti中的任何一种金属或上述金属中任意几种金属组成的合金材料,凸点110的材料选择Au,基座111的材料选择二维陶瓷基板。
实施例1:
一种具有亚波长光栅反射镜的倒装型紫外LED,其断面结构如图1所示,由上至下依次设置的蓝宝石衬底101、AlN成核层102、非掺杂Al0.4Ga0.6N缓冲层103、n型Al0.5Ga0.5N层104、Al0.5Ga0.5N/Al0.35Ga0.65N多量子阱层105、AlGaN电子阻挡层106、p型Al0.6Ga0.4N层107、在p型Al0.6Ga0.4N层下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜1071和设置的p型欧姆电极108、在n型Al0.5Ga0.5N层下方设置的n型欧姆电极109、凸点110、基座111。
其中:
所述非掺杂AlN成核层102的厚度为20nm;所述非掺杂Al0.4Ga0.6N缓冲层103的厚度为1000nm;所述n型Al0.5Ga0.5N层104的厚度为2000nm;所述Al0.5Ga0.5N/Al0.35Ga0.65N多量子阱层105具有6对量子阱,Al0.35Ga0.65N量子阱的阱厚度为3nm,Al0.5Ga0.5N势垒的厚度为10nm;所述Al0.65Ga0.35N电子阻挡层106的厚度为5nm;所述p型Al0.6Ga0.4N层107的厚度为600nm。
所述的在p型Al0.6Ga0.4N层107下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜1071的水平横截面如图2(a)所示为一维条形光栅结构。一维条形光栅结构的图形深度为475nm,条形宽度为152nm,周期长度为220nm。
所述p型欧姆电极108和n型欧姆电极109的材料选用Ni-Au合金材料,凸点110的材料选择Au,基座111的材料选择二维陶瓷基板。
本发明提供的亚波长光栅是一种重要的二元光学元件,由于其特征尺寸小于入射光的波长,其反射率、透射率、偏振性质和光谱结构都与常规的二元光学元件截然不同。通过合理的参数设计和优化,其反射率可以高于99%,且相对于高反射率的金属电极或DBR,亚波长光栅具有制备工艺简单、成本低廉、反射效率高等优势。
Claims (5)
1.一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,其特征在于,包括:由上而下依次设置的衬底(101)、AlN成核层(102)、非掺杂AlGaN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层(105)、AlGaN电子阻挡层(106)、p型AlGaN层(107),在p型AlGaN层(107)下方设置p型欧姆电极(108),并在p型AlGaN层(107)的其余位置刻蚀亚波长光栅反射镜(1071),在n型AlGaN层(104)下方设置n型欧姆电极(109),在p型欧姆电极(108)和n型欧姆电极(109)正下方分别设置两个凸点(110),在两个凸点(110)下设置基座(111)。
2.如权利要求1所述的具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,其特征在于,所述衬底(101)为可外延生长GaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓衬底中的任意一种。
3.如权利要求1所述的具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,其特征在于,所述AlN成核层(102)的厚度为5~30nm;所述非掺杂AlGaN缓冲层(103)的厚度为50~5000nm;所述n型AlGaN层(104)的厚度为200~5000nm;所述AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N多量子阱层(105)具有3~50对量子阱,量子阱的阱厚度为1~10nm,量子阱的势垒厚度为5~30nm;所述AlGaN电子阻挡层(106)的厚度为2~30nm;所述p型AlGaN层(107)的厚度为200~2000nm。
4.如权利要求1所述的具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,其特征在于,所述的在p型AlGaN层(107)下表面刻蚀形成的亚波长光栅反射镜(1071)是一维条形光栅或者二维矩形光栅结构;一维条形光栅结构图形深度为400~700nm,条形宽度为50~200nm,周期长度为100~300nm;二维矩形光栅结构图形深度为400~700nm,矩形的边长为50~200nm,周期长度为100~300nm,且光栅周期长度小于多量子阱发射的紫外光波长。
5.如权利要求1所述的具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管,其特征在于,所述p型欧姆电极(108)和n型欧姆电极(109)的材料为Ni、Al、In、Au或Ti中的任何一种金属或上述金属中任意几种金属组成的合金材料,凸点(110)的材料选择Au,基座(111)的材料选择二维陶瓷基板。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200904 |