CN112133801A - 一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体照明、光电子技术领域。本发明公开了一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法，其中，氮化镓基谐振腔发光二极管从底部到顶部依次包括衬底、下反射镜、透明导电层、P型层、有源区、N型层、N电极和上反射镜，下反射镜由介质膜DBR阵列和金属反射镜构成，介质膜DBR阵列由介质膜DBR单元彼此间隔排布构成，金属反射镜设置在介质膜DBR单元之间的间隙中，介质膜DBR单元和金属反射镜的上表面均与透明导电层的下表面接触。本发明能够同时兼顾谐振腔发光二极管晶体质量、下反射镜在全波段的高反射率、良好的电流注入以及良好的器件散热，且制备工艺简单，所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容，满足大规模光电集成的需要。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明、光电子技术领域，具体地涉及一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管(LED)由于其高亮度、低功耗、发光波长随所使用半导体材料可调谐等优异性能，在半导体照明、背光显示、生物医疗、光通信等领域都有着极为广泛的应用。谐振腔发光二极管在普通LED中引入了谐振腔结构，将有源区发光介质限制在上下两个反射镜中，有源区发出的自发辐射光在两个反射镜之间来回反射振荡增强。由于这种谐振腔效应，谐振腔发光二极管往往具有更高的光提取效率以及输出功率。而且由于谐振腔的波长选择性，谐振腔发光二极管的发光光谱也更加纯净，有更好的单色性，同时也能实现更高的调制速率。
现有的氮化镓基谐振腔发光二极管制备技术中，谐振腔的下反射镜通常有外延生长的半导体分布布拉格反射镜(DBR)、沉积制备的介质膜DBR以及金属反射镜等。但是每种下反射镜都有其不足之处，半导体DBR是在材料外延生长时，交替生长多对两种折射率不同的半导体材料，根据所使用的材料系统不同主要有AlN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/GaN DBR等。但是在氮化镓基材料系统中外延生长半导体DBR极为困难，面临着生长工艺复杂、生长时间过长、高反带较窄、紫外波段难以实现高反射率等困难。而且由于半导体DBR中两种不同折射率材料往往存在较大晶格失配，使得DBR晶体质量降低，进而影响在其上后续生长的有源区发光层，会造成整个器件发光性能下降。
与半导体DBR不同，介质膜DBR是通过沉积或者溅射技术来制备的具有多层不同折射率的介质膜材料。常用的介质膜DBR材料有SiO2、SiNx、ZrO2、TiO2、Ta2O5等。由于材料之间折射率差较大，介质膜DBR容易实现较高反射率(>99％)以及较大的高反带宽。但是介质膜DBR热导率很低，会极大影响器件散热性能，限制器件最大输出功率。同时由于DBR具有绝缘性，电流只能绕过DBR进行横向注入，会加剧器件中的电流拥堵效应。
反射镜作为谐振腔发光二极管的下反射镜是指在谐振腔的下部沉积一层特定材料的金属膜作为反射镜，金属镜能够解决介质膜DBR谐振腔发光二极管中电流拥堵问题，但是金属镜本身难以达到很高的反射率，一般反射率小于90％，在紫外波段反射率更低，限制了器件的发光效率。
因此，在实际器件制备中，需要开发一种新的器件结构能够同时解决以上谐振腔发光二极管所面临的技术困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓基谐振腔发光二极管及其制备方法用于解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种氮化镓基谐振腔发光二极管，包括从底部到顶部依次层叠设置的衬底、下反射镜、透明导电层、P型层、有源区和N型层，以及设置在N型层上的N电极和上反射镜，下反射镜由介质膜DBR阵列和金属反射镜构成，介质膜DBR阵列由介质膜DBR单元彼此间隔排布构成，金属反射镜设置在介质膜DBR单元之间的间隙中，介质膜DBR单元和金属反射镜的上表面均与透明导电层的下表面接触。
进一步的，所述介质膜DBR单元的面积为1-10000μm2，介质膜DBR单元之间的间隔为1-100μm。
更进一步的，所述介质膜DBR单元的形状为正方形或圆形。
进一步的，所述衬底为金属衬底。
更进一步的，所述衬底采用高热导率的金属制成。
进一步的，所述上反射镜为介质膜DBR，上反射镜的介质膜DBR的对数小于下反射镜的介质膜DBR单元的对数。
进一步的，所述金属反射镜还覆盖在介质膜DBR单元的下表面，形成为一连续的金属反射镜膜层。
本发明还提供了一种氮化镓基谐振腔发光二极管的制备方法，用于制备上述的氮化镓基谐振腔发光二极管，包括如下步骤：
S1，在原始衬底上生长pin结构的半导体外延层，进入步骤S2；
S2，在半导体外延层外表面沉积透明导电层，进入步骤S3；
S3，在透明导电层表面制备介质膜DBR阵列，进入步骤S4；
S4，在步骤S3之后的样品表面制备金属反射镜，覆盖整个表面，进入S5；
S5，在样品表面制备衬底，进入S6；
S6，将样品倒置，去除原始衬底，进入S7；
S7，制备N型电极，进入S8；
S8，制备上反射镜，完成器件制备。
进一步的，在步骤S1中，采用MOCVD或者MBE方式生长pin结构的半导体外延层。
进一步的，在步骤S5中，衬底为金属衬底，使用电镀或者金属键合的方式来制备。
本发明的有益技术效果：
本发明由于介质膜DBR阵列的存在，能够保证下反射镜有着比单层金属反射镜更高的反射率，同时介质膜DBR阵列间隙中的金属反射镜除了起到反射镜作用外，还能起到电流注入的效果，解决了介质膜DBR的电流注入难题，使得器件具有垂直电流注入结构，解决了普通谐振腔发光二极管中的电流拥堵问题，此外，器件内部产生热量能够通过金属反射镜顺利传导至衬底，有更为优异的散热性能。
本发明可以实现高效氮化镓基谐振腔发光二极管的制备，所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容，满足大规模光电器件制备与集成的需要，有着广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的氮化镓基谐振腔发光二极管的结构示意图；
图2为本发明的下反射镜的俯视结构示意图一；
图3为本发明的下反射镜的俯视结构示意图二；
图4为本发明具体实施例的制备方法流程图；
图5为外延生长后的样品结构示意图；
图6为在外延片上沉积透明导电层后的样品结构示意图；
图7为制备介质膜DBR阵列后的结构示意图；
图8为制备金属反射镜后的样品结构示意图；
图9为制备金属支撑衬底之后的样品结构示意图；
图10将样品倒置并去除原始衬底之后的样品结构示意图；
图11为制备N型电极后的样品结构示意图；
图12为制备上反射镜之后的样品结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种氮化镓基谐振腔发光二极管，包括从底部到顶部依次层叠设置的衬底8、下反射镜67、透明导电层5、P型层4、有源区3和N型层2，以及设置在N型层2上的N电极9和上反射镜10，下反射镜67由介质膜DBR阵列和金属反射镜7构成，介质膜DBR阵列由多个介质膜DBR单元6彼此间隔排布构成，金属反射镜7设置在介质膜DBR单元6之间的间隙中，介质膜DBR单元6和金属反射镜7的上表面均与透明导电层5的下表面接触，金属反射镜7与衬底8接触。
本具体实施例中，介质膜DBR单元6中的高折射率材料可以为TiO2、Ti3O5、Ta2O5、ZrO2、HfO2等材料中的一种，低折射率材料可以为SiO2、Al2O3、MgO等材料中的一种，每一层光学厚度都为有源区3发光波长的1/4。
优选的，本实施例中，所述介质膜DBR单元6的面积为1-10000μm2，介质膜DBR单元6之间的间隔为1-100μm，既保证有较高的反射率，有保证电流注入的效果。
本具体实施例中，所述介质膜DBR单元6的形状优选为正方形(如图2所示)或圆形(如图3所示)，对称性更好，且易于制备。但并不限于此，在一些实施例中，介质膜DBR单元6也可以是其它的几何形状。
本具体实施例中，金属反射镜7可以是Al层、Ag层、Cr层、Ni层或者这些金属层的任意堆叠组合构成。
优选的，本具体实施例中，所述衬底8为金属衬底，提高散热性能，也同时起到了P型电极的作用。
进一步的，所述衬底8采用高热导率的金属制成，进一步提高散热性能。高热导率的金属可以是铜、铝或者其他导热性良好的金属材料。
本具体实施例中，透明导电层5可以为氧化铟锡(ITO)、石墨烯、氧化锌等透明导电材料中的一种。
本具体实施例中，N电极9的材料可以为Cr、Au、Ni、Au、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
本具体实施例中，上反射镜10为介质膜DBR，上反射镜10的介质膜DBR的对数小于下反射镜的介质膜DBR单元6的对数，以提高出光功率。上反射镜10的介质膜DBR材料可以与下反射镜的介质膜DBR单元6的材料相同，便于制备，降低成本。
当然，在其它实施例中，上反射镜10也可为金属反射镜。
本具体实施例中，P型层4、有源区3和N型层2均可以采用现有的P型层、有源区和N型层结构，此已是非常成熟的现有技术，不再细说。
本具体实施例中，所述金属反射镜7还覆盖在介质膜DBR单元6的下表面，以形成为一连续的金属反射镜膜层，便于制备。
如图4所示，本发明还提供了一种氮化镓基谐振腔发光二极管的制备方法，用于制备上述的氮化镓基谐振腔发光二极管，包括如下步骤：
S1，在原始衬底1上生长pin结构的半导体外延层，进入步骤S2。
具体的，如图5所示，使用MOCVD或者MBE方法在原始衬底1上生长pin结构半导体外延层，具体为：在原始衬底1上依次生长N型层2、有源区3、以及P型层4，形成半导体外延片。原始衬底1的材料一般使用GaN、蓝宝石、Si、SiC等衬底。
S2，在半导体外延层外表面沉积透明导电层，进入步骤S3。
具体的，如图6所示，使用磁控溅射的方式在外延片表面沉积氧化铟锡(ITO)层形成透明导电层5，也可使用石墨烯、氧化锌等其他透明导电材料。
S3，在透明导电层表面制备介质膜DBR阵列，进入步骤S4。
具体的，如图7所示，使用光刻以及溅射、蒸镀等工艺在透明导电层5的上表面制备图形化的介质膜DBR阵列。本实施例中，介质膜DBR阵列的介质膜DBR单元6为SiO2/TiO2的介质膜DBR，对数为10-20对(当然，在其它实施例中，介质膜DBR单元6也可使用Ti3O5、Ta2O5、ZrO2、HfO2或者Al2O3、MgO等材料)。介质膜DBR单元6的形状可为正方形、圆形或者其他几何图形。介质膜DBR单元6的尺寸可以为几至几百微米，介质膜DBR单元6之间的间隔可以为几至几百微米。
S4，在步骤S3之后的样品表面制备金属反射镜，覆盖整个表面，进入S5。
具体的，如图8所示，使用溅射或者蒸镀的方式制备金属反射镜7，可以是Al层、Ag层、Cr层、Ni层或者这些金属层的堆叠组合，厚度可以为几至几十纳米。
S5，在样品表面制备衬底，进入S6。
具体的，如图9所示，使用电镀或者金属键合的方法在金属反射镜7上表面制备金属衬底8，其厚度可以为几十至几百微米，金属衬底8的材料可以为铜、铝或者其他导热导电性良好的金属材料。
S6，将样品倒置，去除原始衬底，进入S7。
具体的，如图10所示，将步骤S5形成的样品倒置并使用激光剥离、抛光或者刻蚀的方法去除外延生长时原始衬底1。去除原始衬底1后，金属衬底8起到对半导体外延层的支撑作用。
S7，制备N型电极，进入S8。
具体的，如图11所示，使用溅射或者蒸镀等方式在N型层2上表面制备N电极9，其材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
S8，制备上反射镜，完成器件制备。
具体的，如图12所示，使用沉积、蒸镀等方式制备上反射镜10，可采用金属反射镜或者介质膜DBR。本实施列中采用介质膜DBR，对数为5对，反射率小于下反射镜。
本发明由于介质膜DBR阵列的存在，能够保证下反射镜有着比单层金属反射镜更高的反射率，同时介质膜DBR阵列间隙中的金属反射镜除了起到反射镜作用外，还能起到电流注入的效果，解决了介质膜DBR的电流注入难题，使得器件具有垂直电流注入结构，解决了普通谐振腔发光二极管中的电流拥堵问题，此外，器件具有高热导率的金属衬底，内部产生热量能够通过金属反射镜顺利传导至金属衬底，相比于普通谐振腔发光二极管中常用的蓝宝石等衬底，本发明中的器件有着更为优异的散热性能。
本发明使用光刻、刻蚀、电镀、沉积等工艺制备，可实氮化镓基高效谐振腔发光二极管的制备，所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容，满足大规模光电器件制备与集成的需要，有着广泛的应用前景。尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氮化镓基谐振腔发光二极管，包括从底部到顶部依次层叠设置的衬底、下反射镜、透明导电层、P型层、有源区和N型层，以及设置在N型层上的N电极和上反射镜，其特征在于：下反射镜由介质膜DBR阵列和金属反射镜构成，介质膜DBR阵列由介质膜DBR单元彼此间隔排布构成，金属反射镜设置在介质膜DBR单元之间的间隙中，介质膜DBR单元和金属反射镜的上表面均与透明导电层的下表面接触。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述介质膜DBR单元的面积为1-10000μm2，介质膜DBR单元之间的间隔为1-100μm。
3.根据权利要求2所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述介质膜DBR单元的形状为正方形或圆形。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述衬底为金属衬底。
5.根据权利要求4所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述衬底采用高热导率的金属制成。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述上反射镜为介质膜DBR，上反射镜的介质膜DBR的对数小于下反射镜的介质膜DBR单元的对数。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，其特征在于：所述金属反射镜还覆盖在介质膜DBR单元的下表面，形成为一连续的金属反射镜膜层。
8.一种氮化镓基谐振腔发光二极管的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任意一项所述的氮化镓基谐振腔发光二极管，包括如下步骤：
S1，在原始衬底上生长pin结构的半导体外延层，进入步骤S2；
S2，在半导体外延层外表面沉积透明导电层，进入步骤S3；
S3，在透明导电层表面制备介质膜DBR阵列，进入步骤S4；
S4，在步骤S3之后的样品表面制备金属反射镜，覆盖整个表面，进入S5；
S5，在样品表面制备衬底，进入S6；
S6，将样品倒置，去除原始衬底，进入S7；
S7，制备N电极，进入S8；
S8，制备上反射镜，完成器件制备。
9.根据权利要求8所述的氮化镓基谐振腔发光二极管的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，采用MOCVD或者MBE方式生长pin结构的半导体外延层。
10.根据权利要求8所述的氮化镓基谐振腔发光二极管的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，衬底为金属衬底，使用电镀或者金属键合的方式来制备。
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