CN1877872A - 光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，包括：一蓝宝石衬底；一N型GaN层，该N型GaN层直接生长在蓝宝石衬底上，该N型GaN层的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；一GaN材料有源层，该GaN材料有源层制作在N型GaN层上的大平面上；一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源层上；一P型电极和P型焊盘，该P型电极和P型焊盘铺设在P型GaN层上；一N型电极和N型焊盘，该N型电极和N型焊盘铺设在N型GaN层上的小平面上；一光子晶体区，该光子晶体区刻蚀形成在有源层和P型GaN层内，甚至直到N型GaN层内，即刻蚀周期性圆孔结构；在该光子晶体区的中心形成一光子晶体空白区。

Description

光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构及制作方法

技术领域

本技术属于白光照明工程中提高白光发光二极管发光效率领域。尤其涉及利用光子晶体结构提高白光LED出光效率技术。

背景技术

半导体照明光源的诞生被誉为照明领域的一次革命，其标志是半导体发光二极管(LED)作为新型光源从特殊照明市场逐渐进入普通照明市场，市场前景极为广阔。作为特殊照明光源的应用，白光LED已经显示出巨大的性能优势、强劲的发展势头和迅速增长的市场需求。与目前常用的照明光源的发光效率相比较可以看出，提高氮化镓基LED的发光功率是目前的首要任务。在利用微结构提高出光效率方面，世界各国也在进行着激烈的竞争。日本、英国已采用微盘、纳米颗粒、不同形状的mesa等方法制作具有高发光效率的微结构LED。在众多的微结构方案中，光子晶体微结构法是提高出光效率最高的方法。目前，国际上有许多关于光子晶体结构的文献报道(见文献[1]Shanhui Fan，Pierre R.Villeneuve，J.D.Joannopoulos，E.F.Schubert，High Extraction Efficiency of SpontaneousEmission from Slabs of Photonic Crystals，PHYSICAL REVIEW LETTERS，vol 78，no 17，1997，3294-3297.[2]M.Boroditsky，T.F.Krauss，R.Coccioli，R.Vrijen，R.Bhat，and E.Yablonovitch，Light extraction from optically pumpedlight-emitting diode by thin-slab photonic crystals，Applied Physics Letters，vol75，no8，1999，1036-1038.[3]Alexei A.Erchak，Daniel J.Ripin，Shanhui Fan，Peter Rakich，John D.Joannopoulos，Erich P.Ippen，Gale S.Petrich and LeslieA.Kolodziejski，Enhanced coupling to vertical radiation using a two-dimensional photonic crystal in a semiconductor light-emitting diode，APPLIED PHYSICS LETTERS，vol 78，no 5，2001，563-565.)在光子晶体微结构的实验方面，英国研究小组在平板结构的带DBR的AlInGaP LED表面刻蚀一维光子晶体，结果发现总的出光效率达到34％左右。韩国研究小组研究了近红外的InGaAsP LED，在其上加上二维光子晶体后，实验和理论模拟发现其出光效率都有约8-13倍的提高。Fan S.H.等人通过数值模拟计算得出光子晶体结构可以将LED对出光效率提高到94％。其中，光子晶体结构的主要作用是抑制板内的传导模并将传导模提取出板外从而达到出光效率的提高。目前将光子晶体应用到篮光和白光LED上并且利用光子晶体平板波导的传导模耦合为泄漏模的原理并采用光刻方法还没有见过报道。本专利即是涉及这方面的技术方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、制作简便、能大面积制作光子晶体结构的GaN LED及其制作方法，以达到利用光子晶体结构实现高效率功率型白光LED的目的。

本发明的内容是提供一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，包括：

一蓝宝石衬底；

一N型GaN层，该N型GaN层直接生长在蓝宝石衬底上，该N型GaN层的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

一GaN材料有源层，该GaN材料有源层制作在N型GaN层上的大平面上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源层上；

一P型电极和P型焊盘，该P型电极和P型焊盘铺设在P型GaN层上；

一N型电极和N型焊盘，该N型电极和N型焊盘铺设在N型GaN层上的小平面上；

一光子晶体区，该光子晶体区刻蚀形成在有源层和P型GaN层内，甚至直到N型GaN层内，即刻蚀周期性圆孔结构；在该光子晶体区的中心形成一光子晶体空白区。

其中所述的电极是透明电极；该电极铺设在GaN层的上面的一侧或铺设在整个GaN层上，电极是方形电极或是环形电极。

其中光子晶体区的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝1μm-4μm，r/a＝0.25-0.45。

其中光子晶体区的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。

其中光子晶体区的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区的形状是圆形或是方形或其他各种形状。

其中所刻蚀的光子晶体区的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。

其中光子晶体区采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

本发明一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤包括：

步骤1：取一蓝宝石衬底；

步骤2：在蓝宝石衬底上生长N型GaN层，在该N型GaN层的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

步骤3：在该N型GaN层上的大平面上生长有一层GaN材料有源层；

步骤4：在有源层上生长一P型GaN层；

步骤5：采用电子束蒸发的方法在P型GaN层上铺设一P型电极，在电极上制作P型焊盘；

步骤6：采用电子束蒸发的方法在N型GaN层上的小平面上铺设一N型电极，在N型电极上制作N型焊盘；

步骤7：采用高分辨率的光刻技术和干法刻蚀技术结合在有源层，P型GaN层，甚至直到N型GaN层内，刻蚀形成一光子晶体区，该光子晶体区，即刻蚀周期性圆孔结构，光子晶体区的光子晶体的晶格常数为500nm以上；在该光子晶体区的中心形成一光子晶体空白区。

其中所述的电极是透明电极；该电极铺设在GaN层的上面的一侧或铺设在整个GaN层上，电极是方形电极或是环形电极。

其中光子晶体区的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝0.5μm-4μm，r/a＝0.25-0.45。

其中光子晶体区的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。

其中光子晶体区的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区的形状是圆形或是方形或其他各种形状。

其中所刻蚀的光子晶体区的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。

其中光子晶体区采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

其中还可以在制作完成GaN层后先刻蚀光子晶体区再制作电极。

所述光子晶体结构的GaN LED结构，其是利用光子晶体结构平板波导可以将传导模耦合为泄漏模，将自发辐射全部耦合到自由空间的泄漏模的原理，从而极大的提高了LED的出光效率。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是光子晶体结构GaN LED的结构侧向示意图。1其中：1.蓝宝石衬底，2.n型GaN，直接生长在蓝宝石衬底上，3.GaN材料有源层，制作在N型GaN上，4.P型GaN，5.P型电极，6.P型焊盘，7.N型电极，8.N型焊盘，9.光子晶体区。

图2是光子晶体结构GaN LED的俯视图。5.P型电极区，6.P型焊盘区，7.N型电极区(N型台面区)，8.N型焊盘区，9.光子晶体区，10.光子晶体空白区。

具体实施方式

请参阅图1、图2，本发明一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，包括：

一蓝宝石衬底1；

一N型GaN层2，该N型GaN层2直接生长在蓝宝石衬底1上，该N型GaN层2的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

一GaN材料有源层3，该GaN材料有源层3制作在N型GaN层2上的大平面上；

一P型GaN层4，该P型GaN层4制作在有源层3上；

一P型电极5和P型焊盘6，该P型电极5和P型焊盘6铺设在P型GaN层4上；其中所述的电极5是透明电极；该电极5铺设在GaN层4的上面的一侧或铺设在整个GaN层4上，电极5是方形电极或是环形电极；

一N型电极7和N型焊盘8，该N型电极7和N型焊盘8铺设在N型GaN层2上的小平面上；

一光子晶体区9，该光子晶体区9刻蚀形成在有源层3和P型GaN层4内，甚至直到N型GaN层内，即刻蚀周期性圆孔结构；在该光子晶体区9的中心形成一光子晶体空白区10；该光子晶体区9的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝1μm-4μm，r/a＝0.25-0.45；该光子晶体区9的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构；该光子晶体区9的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区10的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区10的形状是圆形或是方形或其他各种形状；其中所刻蚀的光子晶体区9的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围；该光子晶体区9采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

请再参阅图1、图2本发明一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤包括：

步骤1：取一蓝宝石衬底1；

步骤2：在蓝宝石衬底1上生长N型GaN层2，在该N型GaN层2的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

步骤3：在该N型GaN层2上的大平面上生长有一GaN材料有源层3；

步骤4：在有源层3上生长一P型GaN层4；

步骤5：采用电子束蒸发的方法在P型GaN层4上铺设一P型电极5，在电极5上制作P型焊盘6；其中所述的电极5是透明电极；该电极5铺设在GaN层4的上面的一侧或铺设在整个GaN层4上，电极5是方形电极或是环形电极；

步骤6：采用电子束蒸发的方法在N型GaN层2上的小平面上铺设一N型电极7，在N型电极7上制作N型焊盘8；

步骤7：采用高分辨率的光刻技术和干法刻蚀技术结合在有源层3，P型GaN层4，甚至直到N型GaN层内，刻蚀形成一光子晶体区9，该光子晶体区9，即刻蚀周期性圆孔结构，光子晶体区9的光子晶体的晶格常数为500nm以上；在该光子晶体区9的中心形成一光子晶体空白区10；该光子晶体区9的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝0.5μm-4μm，r/a＝0.25-0.45；该光子晶体区9的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构；该光子晶体区9的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区10的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区10的形状是圆形或是方形或其他各种形状；其中所刻蚀的光子晶体区9的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围；该光子晶体区9采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

其中还可以选择在制作完成GaN层4后先刻蚀光子晶体区9再制作电极5。

光子晶体是一种低损耗的周期性电介质材料，类似于电子在晶体材料中的行为，光子的电磁场矢量在光子晶体材料中以布洛赫波的形式传播。固体电子能带由通带和禁带组成，类似的，光子晶体材料具有光传播频率的导带和带隙。处于频率导带中的光可以在光子晶体中传播，形成传导模，而处于带隙中的光不能在光子晶体中传播，以辐射模的形式向外出射。显然，带隙中的这部分光对于提高LED外量子效率是有帮助的。另一方面，光子晶体频带图中存在一条泄漏模与传导模的分界线，这条线满足色散关系w＝c|k₀|，k₀是空气中沿平面方向传播的波矢。设k为有源区内沿平面方向传播的波矢，对于分界线以下的模式(k＞k₀)，在空气和半导体界面处受到内反射而不能辐射出去；而对于分界线以上的模式(k＜k₀)，是光子晶体LED发光的重要来源。二者的区别在于，带隙中提取的光主要集中在阵列中心，而泄漏模提取的光更加扩展。因此根据不同的需要，可以设计不同的波导结构，不同晶格类型及常数，选择我们所需要的出光频带。我们可以利用光子晶体结构抑制板内的传导模并将传导模提取出板外从而达到出光效率的提高。本专利为将光子晶体应用到篮光和白光LED上并且利用光子晶体平板波导的传导模耦合为泄漏模的原理。

实施例

请参阅图1及图2，所述光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构包括一蓝宝石衬底1；一N型GaN层2，该N型GaN层2直接生长在蓝宝石衬底1上，该N型GaN层2的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；一GaN材料有源层3，该GaN材料有源层3制作在N型GaN层2上的大平面上；一P型GaN层4，该P型GaN层4制作在有源层3上；一P型电极5和P型焊盘6，该P型电极5和P型焊盘6铺设在P型GaN层4上；其中所述的电极5是透明电极；该电极5铺设在GaN层4的上面的一侧或铺设在整个GaN层4上，电极5是方形电极或是环形电极；一N型电极7和N型焊盘8，该N型电极7和N型焊盘8铺设在N型GaN层2上的小平面上；一光子晶体区9，该光子晶体区9刻蚀形成在有源层3和P型GaN层4内，甚至直到N型GaN层内，即刻蚀周期性圆孔结构；在该光子晶体区9的中心形成一光子晶体空白区10。

光子晶体区9的光子晶体的晶格常数为a，圆孔的半径r，a＝1μm-4μm，r/a＝0.25-0.45。光子晶体晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。其中所刻蚀的光子晶体区9的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。光子晶体区9还可以采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。光子晶体区9的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区10的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区10的形状是圆形或是方形或其他各种形状。

光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的实现方法如下：取一蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底1材料上利用金属汽相沉积法(MOCVD)技术生长约2μm的N型GaN层2，在该N型GaN层2上的大平面上生长有一四对左右GaN量子阱有源层3；在有源层3上生长一约200nm厚度的P型GaN层4；在该N型GaN层2的一侧的平面上利用光刻和干法刻蚀技术刻蚀出一台阶，形成一大平面和一小平面，在形成台面之后，在材料表面生长一层SiO₂，厚度约300nm。然后进行第二次光刻，刻蚀出淀积P透明电极和N型电极需要的窗口，采用电子束蒸发的方法在P型GaN层4上铺设一P型电极5，然后再进行低温退火的方法制作。所述的P型电极5是透明电极，该电极铺设在GaN层4的上面的一侧或铺设在整个GaN层4上，电极5是方形电极或是环形电极。采用电子束蒸发的方法在N型GaN层2上的小平面上铺设一N型电极7。采用PECVD方法在整个台面上，包括大平面和小平面上生长200nm厚度的SiO₂，以光刻胶作为掩模采用高分辨率的光刻技术和干法刻蚀技术将光子晶体结构刻蚀到SiO₂层，然后以SiO₂作掩模利用干法刻蚀技术将光子晶体结构转移到有源层3和P型GaN层4内刻蚀形成一光子晶体区9，该光子晶体区9，即刻蚀周期性圆孔结构。采用湿法腐蚀方法将多余的SiO₂去除。光子晶体区9的光子晶体的晶格常数a为500nm以上，圆孔的半径r，a＝0.5μm-4μm，r/a＝0.25-0.45，所刻蚀的光子晶体区9的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。其中光子晶体区9的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。在该光子晶体区9的中心形成一光子晶体空白区10。其中光子晶体区9的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区10的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区10的形状是圆形或是方形或其他各种形状。另外光子晶体区9采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

光子晶体制作好后，在P型电极5上制作P型焊盘6，在N型电极7上制作N型焊盘8，焊接引线，完成光子晶体结构GaN基LED的制作。在测试装置上，通过N型焊盘6和P型焊盘8引线加上驱动电压，测试出光效率，分别测试没有光子晶体微结构和有光子晶体微结构的GaNLED的发光效率。

还可以选择在生长完成P型GaN层4后先刻蚀光子晶体区9再制作电极5，即电极制作在光子晶体之上，但此时光子晶体刻蚀孔的深度一般不超过P型GaN层4的厚度，为了防止电极材料掉到孔内，造成LED芯片的P型电极和N型电极短路。

Claims (15)

1、一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，包括：

一蓝宝石衬底；

一N型GaN层，该N型GaN层直接生长在蓝宝石衬底上，该N型GaN层的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

一GaN材料有源层，该GaN材料有源层制作在N型GaN层上的大平面上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在有源层上；

一P型电极和P型焊盘，该P型电极和P型焊盘铺设在P型GaN层上；

一N型电极和N型焊盘，该N型电极和N型焊盘铺设在N型GaN层上的小平面上；

一光子晶体区，该光子晶体区刻蚀形成在有源层和P型GaN层内，甚至直到N型GaN层内，即刻蚀周期性圆孔结构；在该光子晶体区的中心形成一光子晶体空白区。

2、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中所述的电极是透明电极；该电极铺设在GaN层的上面的一侧或铺设在整个GaN层上，电极是方形电极或是环形电极。

3、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中光子晶体区的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝1μm-4μm，r/a＝0.25-0.45。

4、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中光子晶体区的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。

5、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中光子晶体区的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区的形状是圆形或是方形或其他各种形状。

6、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中所刻蚀的光子晶体区的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。

7、根据权利要求1所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管结构，其特征在于，其中光子晶体区采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

8、一种光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤包括：

步骤1：取一蓝宝石衬底；

步骤2：在蓝宝石衬底上生长N型GaN层，在该N型GaN层的一侧的平面上刻蚀有一台阶，形成一大平面和一小平面；

步骤3：在该N型GaN层上的大平面上生长有一层GaN材料有源层；

步骤4：在有源层上生长一P型GaN层；

步骤5：采用电子束蒸发的方法在P型GaN层上铺设一P型电极，在电极上制作P型焊盘；

步骤6：采用电子束蒸发的方法在N型GaN层上的小平面上铺设一N型电极，在N型电极上制作N型焊盘；

步骤7：采用高分辨率的光刻技术和干法刻蚀技术结合在有源层，P型GaN层，甚至直到N型GaN层内，刻蚀形成一光子晶体区，该光子晶体区，即刻蚀周期性圆孔结构，光子晶体区的光子晶体的晶格常数为500nm以上；在该光子晶体区的中心形成一光子晶体空白区。

9、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中所述的电极是透明电极；该电极铺设在GaN层的上面的一侧或铺设在整个GaN层上，电极是方形电极或是环形电极。

10、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中光子晶体区的光子晶体的晶格常数a，圆孔的半径r，a＝0.5μm-4μm，r/a＝0.25-0.45。

11、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中光子晶体区的晶格分为正方晶格，三角晶格或其他晶格结构。

12、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中光子晶体区的面积为S，S的范围为10平方微米-1平方厘米，光子晶体空白区的面积范围为0-S/4，光子晶体空白区的形状是圆形或是方形或其他各种形状。

13、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中所刻蚀的光子晶体区的圆孔的深度范围为100nm-2μm范围。

14、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中光子晶体区采用阵列式光子晶体结构，由阵列式光子晶体组成大面积的光子晶体结构GaN LED。

15、根据权利要求8所述的光子晶体结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中还可以在制作完成GaN层后先刻蚀光子晶体区再制作电极。

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