CN112038459A - 一种光子晶体led结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光子晶体LED结构及制作方法，包括：衬底；设置在所述衬底一侧的外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；位于所述第一中间区域的第一凹槽，以及位于所述第一周边区域的多个第一孔槽；设置在所述GaP窗口层背离所述衬底一侧的ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。该光子晶体LED结构通过多个第一孔槽形成光子晶体结构，结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，提高了LED结构的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，更具体地说，涉及一种光子晶体LED结构及制作方法。
背景技术
随着LED技术的发展，LED的应用越来越普遍，已逐渐成为照明、显示等领域必不可少的发光元件。具体的，LED芯片是LED的核心组件，用于在电压的控制下，通过电子和空穴的复合释放能量，将电能转换为光能。
但是，目前LED结构的外量子效率较低，无法满足市场需求。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种光子晶体LED结构及制作方法，技术方案如下：
一种光子晶体LED结构，所述光子晶体LED结构包括：
衬底；
设置在所述衬底一侧的外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；
位于所述第一中间区域的第一凹槽，以及位于所述第一周边区域的多个第一孔槽；
设置在所述GaP窗口层背离所述衬底一侧的ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；
其中，所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述ITO层背离所述GaP窗口层的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底方向上的正投影重合；
所述光子晶体LED结构还包括：
位于所述第二周边区域的多个第二孔槽。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，多个所述第一孔槽和多个第二孔槽呈正方周期排列。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，多个所述第一孔槽和多个第二孔槽呈六角周期排列。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述光子晶体LED结构还包括：
设置在所述ITO层背离所述衬底一侧的P电极。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述光子晶体LED结构还包括：
设置在所述衬底背离所述外延层结构一侧的N电极。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述外延层结构还包括：
依次设置在所述衬底和所述GaP窗口层之间的GaAs缓冲层、N型半导体层、MQW层和P型半导体层。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度相同。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度为50nm-200nm。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述ITO层的厚度为50nm-500nm。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述GaP窗口层通过所述第一凹槽暴露出的区域为低掺杂区域，掺杂浓度为1×1018cm-3。
可选的，在上述光子晶体LED结构中，所述GaP窗口层设置所述第一孔槽的区域为高掺杂区域，掺杂浓度为2×1019cm-3。
一种光子晶体LED结构的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的一侧形成外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；
对所述第一中间区域进行刻蚀形成第一凹槽，以及对所述第一周边区域进行刻蚀形成多个第一孔槽；
在所述GaP窗口层背离所述衬底的一侧形成ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；
其中，所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。
可选的，在上述制作方法中，所述ITO层背离所述GaP窗口层的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底方向上的正投影重合；
所述制作方法还包括：
对所述第二周边其区域进行刻蚀形成多个所述第二孔槽；
其中，所述第二孔槽和所述第一孔槽交错设置。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种光子晶体LED结构包括：衬底；设置在所述衬底一侧的外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；位于所述第一中间区域的第一凹槽，以及位于所述第一周边区域的多个第一孔槽；设置在所述GaP窗口层背离所述衬底一侧的ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；其中，所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。该光子晶体LED结构通过多个第一孔槽形成光子晶体结构，并且结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，进一步提高了LED结构的光电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光子晶体LED结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第一孔槽的排布方式示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种第一孔槽的排布方式示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种第一孔槽的排布方式示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种第一孔槽的排布方式示意图；
图6为本发明实施例提供的一种测试结果示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图；
图9-图12为图8所示制作方法相对应的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的另一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图；
图14为图13所示制作方法相对应的结构示意图；
图15为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图；
图16为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种光子晶体LED结构的示意图。
所述光子晶体LED结构包括：
衬底11。
设置在所述衬底11一侧的外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层12；所述GaP窗口层12上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域。
位于所述第一中间区域的第一凹槽，以及位于所述第一周边区域的多个第一孔槽。
设置在所述GaP窗口层12背离所述衬底11一侧的ITO层13，所述ITO层13填充所述第一凹槽和所述第一孔槽。
其中，所述GaP窗口层12和所述ITO层13通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。
在该实施例中，该光子晶体LED结构通过多个第一孔槽形成光子晶体结构，并且结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，进一步提高了LED结构的光电性能。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度相同。
在该实施例中，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度为所述GaP窗口层厚度的一半。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度为50nm-200nm。
在该实施例中，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度为60nm或100nm或120nm等。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述GaP窗口层12通过所述第一凹槽暴露出的区域为低掺杂区域，掺杂浓度为1×1018cm-3。
在该实施例中，该低掺杂区域使所述GaP窗口层12和所述ITO层13通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面，阻挡P电极下方电流。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述GaP窗口层12设置所述第一孔槽的区域为高掺杂区域，掺杂浓度为2×1019cm-3。
在该实施例中，该高掺杂区域与ITO层13可以形成良好的欧姆接触。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述外延层结构还包括：
依次设置在所述衬底11和所述GaP窗口层12之间的GaAs缓冲层14、N型半导体层15、MQW层16和P型半导体层17。
在该实施例中，所述N型半导体层15包括但不限定于N型AlGaInP层、所述P型半导体层17包括但不限定于P型AlGaInP层。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述光子晶体LED结构还包括：
设置在所述ITO层13背离所述衬底11一侧的P电极18。
在该实施例中，所述P电极18所处区域在垂直于所述衬底11方向上的正投影，位于所述第一中间区域内。
所述P电极18为Cr和Au双层结构的电极结构。
其中，Cr层的厚度为30nm，Au层的厚度为3000nm。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述光子晶体LED结构还包括：
设置在所述衬底11背离所述外延层结构一侧的N电极19。
在该实施例中，所述N电极19为Au、AuGe和Au结构层的电极结构。
其中，第一Au层的厚度为20nm，AuGe的厚度为150nm，第二Au层的厚度为100nm。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种第一孔槽的排布方式示意图。参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种第一孔槽的排布方式示意图。参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种第一孔槽的排布方式示意图。参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种第一孔槽的排布方式示意图。
如图2所示，多个所述第一孔槽呈正方周期排列。即，多个所述第一孔槽在行方向上和列方向上是阵列排布的。
如图3-图5所示，多个所述第一孔槽呈六角周期排列。即，多个第一孔槽是插缝排列的，例如，在行方向上，第二行的第一孔槽位于第一行的间隙之间；在列方向上，第二列的第一孔槽位于第一列的间隙之间。
其中，图3-图5中所示第一孔槽的排布密度不同。
并且，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种测试结果示意图。
通过设置不同占空比的第一孔槽，即不同密度的的第一孔槽，以及不同排列方式的第一孔槽，可以将光子晶体LED结构的亮度提高9％左右。
通过上述描述可知，该光子晶体LED结构通过多个第一孔槽形成光子晶体结构，并且结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，进一步提高了LED结构的光电性能。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图7，图7为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的示意图。
所述ITO层13背离所述GaP窗口层12的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底11方向上的正投影重合；
所述光子晶体LED结构还包括：
位于所述第二周边区域的多个第二孔槽。
在该实施例中，所述第二中间区域用于设置所述P电极18，所述第二孔槽和所述第一孔槽的位置设置还可以极大程度的降低LED结构的全反射现象，增加出光量。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述ITO层13的厚度为50nm-500nm。
在该实施例中，所述ITO层13的厚度为250nm。
需要说明的是，所述第二孔槽的深度小于所述ITO层13的厚度，用于在不破坏ITO横向扩展能力的前提下，形成光子晶体结构。
在本发明实施例中，所述ITO层13的厚度定义为：位于所述GaP窗口层上的厚度。
进一步的，基于本发明上述实施例，多个所述第二孔槽呈正方周期排列。即，多个所述第一孔槽在行方向上和列方向上是阵列排布的。
多个所述第二孔槽呈六角周期排列。即，多个第二孔槽是插缝排列的，例如，在行方向上，第二行的第二孔槽位于第一行的间隙之间；在列方向上，第二列的第二孔槽位于第一列的间隙之间。
通过上述描述可知，本发明通过在ITO层和GaP窗口层上形成双光子晶体结构，并且结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，进一步提高了LED结构的光电性能。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种光子晶体LED结构的制作方法，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S101：如图9所示，提供一衬底11。
在该步骤中，所述衬底11包括但不限于GaAs衬底。
S102：如图10所示，在所述衬底11的一侧形成外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层12；所述GaP窗口层12上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域。
在该步骤中，包括但不限定于采用MOCVD在衬底11上沉积外延层结构，其中，所述外延层结构包括：GaAs缓冲层14、N型半导体层15、MQW层16、P型半导体层17和P型GaP窗口层12。
其中，所述N型半导体层15包括但不限定于N型AlGaInP层、所述P型半导体层17包括但不限定于P型AlGaInP层。
S103：如图11所示，对所述第一中间区域进行刻蚀形成第一凹槽121，以及对所述第一周边区域进行刻蚀形成多个第一孔槽122。
在该步骤中，采用丙酮、异丙酮和去离子水等方式清洗外延层结构的表面，然后沉积SiO2，然后再SiO2上旋涂正性光刻胶，制作第一凹槽和第二孔槽的图形，采用刻蚀方式，蚀刻SiO2形成掩膜，然后刻蚀GaP窗口层12，在所述第一中间区域形成第一凹槽121，以及在所述第一周边区域形成多个第一孔槽122，该第一孔槽122构成光子晶体结构。
需要说明的是，刻蚀GaP窗口层12包括但不限定于采用碱性蚀刻液。
需要说明的是，SiO2只作为掩膜，也可以不采用SiO2，直接用正性光刻胶作为掩膜。
其中，所述第一凹槽121和所述第一孔槽122的深度相同。所述第一凹槽121和所述第一孔槽122的深度为50nm-200nm。
即，对GaP窗口层12的刻蚀深度为50nm-200nm。
需要说明的是，所述GaP窗口层12通过所述第一凹槽121暴露出的区域为低掺杂区域，掺杂浓度为1×1018cm-3。
该低掺杂区域使所述GaP窗口层12和所述ITO层13通过所述第一凹槽121的接触界面为电流阻挡界面，阻挡电极下方电流。
所述GaP窗口层12设置所述第一孔槽122的区域为高掺杂区域，掺杂浓度为2×1019cm-3。
该高掺杂区域与ITO层13可以形成良好的欧姆接触。
S104：如图12所示，在所述GaP窗口层12背离所述衬底11的一侧形成ITO层13，所述ITO层13填充所述第一凹槽121和所述第一孔槽122。
在该步骤中，蒸镀ITO层，ITO层的厚度为50nm-500nm，例如，设置ITO层的厚度为250nm。
进一步的，基于本发明上述实施例，当只需要在GaP窗口层上形成光子晶体结构时，则参考图13，图13为本发明实施例提供的另一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图，所述制作方法还包括：
S105：如图14所示，在所述ITO层13背离所述衬底11的一侧形成P电极18。
在该步骤中，旋涂负性光刻胶，采用电子束蒸镀设备，蒸镀30nm的Cr层和3000nm的Au层作为P电极，然后采用剥离工艺，完成P电极制作。
需要说明的是，所述P电极所处区域在垂直于所述衬底方向上的正投影，位于所述第一中间区域内。
进一步的，基于本发明上述实施例，当只需要在GaP窗口层上形成光子晶体结构时，则参考图15，图15为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图，所述制作方法还包括：
S106：如图1所示，对所述衬底11进行减薄处理，并在所述衬底11背离所述外延层结构的一侧形成N电极19。
在该步骤中，采用机械研磨方式，将衬底减薄至所需厚度，然后采用丙酮、异丙酮或去离子水等方式进行清洗。
在清洗后的衬底一侧蒸镀20nm的Au、150nm的AuGe和100nm的Au，在420℃左右的温度下快速退火15s，使Ge扩散与GaAs衬底背面形成良好的欧姆接触。
进一步的，基于本发明上述实施例，当还需要再ITO层上形成第二个光子晶体结构时，则在步骤S105之前，参考图16，图16为本发明实施例提供的又一种光子晶体LED结构的制作方法的流程示意图。
所述制作方法还包括：
S107：所述ITO层13背离所述GaP窗口层12的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底方向上的正投影重合；
如图7所示，对所述第二周边区域进行刻蚀形成多个所述第二孔槽。
在该步骤中，采用正性光刻胶作为掩膜，刻蚀ITO层，在第二周边区域形成多个第二孔槽，以形成第二个光子晶体结构。
通过上述描述可知，本发明通过在ITO层和GaP窗口层上形成双光子晶体结构，并且结合电流阻挡界面，在提高了LED结构外量子效率的情况下，还同时实现了电流阻挡功能，进一步提高了LED结构的光电性能。
以上对本发明所提供的一种光子晶体LED结构及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种光子晶体LED结构，其特征在于，所述光子晶体LED结构包括：
衬底；
设置在所述衬底一侧的外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；
位于所述第一中间区域的第一凹槽，以及位于所述第一周边区域的多个第一孔槽；
设置在所述GaP窗口层背离所述衬底一侧的ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；
其中，所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。
2.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述ITO层背离所述GaP窗口层的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底方向上的正投影重合；
所述光子晶体LED结构还包括：
位于所述第二周边区域的多个第二孔槽。
3.根据权利要求2所述的光子晶体LED结构，其特征在于，多个所述第一孔槽和多个所述第二孔槽呈正方周期排列。
4.根据权利要求2所述的光子晶体LED结构，其特征在于，多个所述第一孔槽和多个所述第二孔槽呈六角周期排列。
5.根据权利要求2所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述光子晶体LED结构还包括：
设置在所述ITO层背离所述衬底一侧的P电极。
6.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度相同。
7.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述第一凹槽和所述第一孔槽的深度为50nm-200nm。
8.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述ITO层的厚度为50nm-500nm。
9.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述GaP窗口层通过所述第一凹槽暴露出的区域为低掺杂区域，掺杂浓度为1×1018cm-3。
10.根据权利要求1所述的光子晶体LED结构，其特征在于，所述GaP窗口层设置所述第一孔槽的区域为高掺杂区域，掺杂浓度为2×1019cm-3。
11.一种光子晶体LED结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的一侧形成外延层结构，所述外延层结构具有GaP窗口层；所述GaP窗口层上具有第一中间区域和包围所述第一中间区域的第一周边区域；
对所述第一中间区域进行刻蚀形成第一凹槽，以及对所述第一周边区域进行刻蚀形成多个第一孔槽；
在所述GaP窗口层背离所述衬底的一侧形成ITO层，所述ITO层填充所述第一凹槽和所述第一孔槽；
其中，所述GaP窗口层和所述ITO层通过所述第一凹槽的接触界面为电流阻挡界面。
12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述ITO层背离所述GaP窗口层的表面具有第二中间区域和包围所述第二中间区域的第二周边区域；所述第二周边区域和所述第一周边区域在垂直于所述衬底方向上的正投影重合；
所述制作方法还包括：
对所述第二周边其区域进行刻蚀形成多个所述第二孔槽；
其中，所述第二孔槽和所述第一孔槽交错设置。
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