專利名稱：一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明的核心器件——發(fā)光二極管(LED)的制造技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及具有交叉光柵的倒裝LED結(jié)構(gòu)及其制備方法，是一種能夠應(yīng)用于各種類型的襯底材料和發(fā)光波段、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)簡便、可顯著提高LED光提取效率的制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前LED仍存在成本高、發(fā)光效率低、可靠性差等問題，而且白光LED的發(fā)光功率還不高，這些問題均限制了 LED在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。LED的電光轉(zhuǎn)換效率由內(nèi)量子效率和光提取效率決定，現(xiàn)在的LED工藝已經(jīng)可以將LED的內(nèi)量子效率提高到一個很高的水平，而光提取效率則不然，還有很大的提升空間。所以現(xiàn)階段，LED研究人員的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。理論2]和實(shí)驗(yàn)[3~5]均證明，在LED的表面或內(nèi)部制備光子晶體結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)所特有的光子禁帶效應(yīng)顯著地提高LED的光提取效率。但光子晶體結(jié)構(gòu)的制備需要對LED的外延層或者襯底進(jìn)行一定深度的刻蝕，易破壞LED器件的層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加電阻率，而且光子晶體的制造工藝較復(fù)雜，成本因此也較高。本發(fā)明所提供的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED，一方面光柵的制作工藝較光子晶體簡單，刻蝕深度一般也較淺，不容易影響LED的電學(xué)性質(zhì)；另一方面二組光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以分別靈活地進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且僅需在鍵合時調(diào)整二組光柵的相互夾角，就可以獲得具有(Γ90°之間任意交叉角度的交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED，實(shí)現(xiàn)將原本射向襯底(非出光面)的某種波段的光反射回LED，從而有效提高LED的出光效率。參考文獻(xiàn)
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發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對上述目前存在的問題和不足，本發(fā)明的目的主要是為了解決現(xiàn)有LED器件的光提取效率不高，以及二維光子晶體結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜等問題。本發(fā)明提供了一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制備方法，顯著地增加光提取效率的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED及其制備方法。本發(fā)明提供的、構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)的二組光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以分別獨(dú)立地自由調(diào)節(jié)，可應(yīng)用于各種類型的襯底材料和發(fā)光波段。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括襯底，生長在襯底上的具有第一光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜層，與介質(zhì)薄膜層鍵合在一起的具有第二光柵結(jié)構(gòu)的P型GaN外延層，生長在P型GaN外延層上的InGaN多量子阱有源發(fā)光層和生長在InGaN多量子阱有源發(fā)光層上的η型GaN外延層，其中，第一光柵結(jié)構(gòu)與第二光柵結(jié)構(gòu)以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)。 優(yōu)選的，所述交叉光柵結(jié)構(gòu)的周期范圍為100 1000 nm，刻蝕深度為10 200nm0
優(yōu)選的，所述交叉光柵結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期性排列的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制備方法，該方法包括如下步驟
步驟I :在氮化鎵基二極管的P型GaN外延層或銦錫氧化物透明電極層上制備一層具有第一周期和第一刻蝕深度的光柵結(jié)構(gòu)，然后將氮化鎵基發(fā)光二極管的襯底剝離掉；
步驟2 :在第二襯底上直接制備，或者先在第二襯底上生長一層介質(zhì)薄膜層，再在介質(zhì)薄膜層上制備具有第二周期和第二刻蝕深度的光柵結(jié)構(gòu)；
步驟3 :將上述分別帶有光柵結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管和第二襯底，以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，在二者的鍵合界面處形成具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的倒裝發(fā)光二級管。優(yōu)選的，步驟2中，介質(zhì)薄膜層為適用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管中介質(zhì)層的任何一種介質(zhì)材料。有益效果本發(fā)明引入了交叉光柵結(jié)構(gòu)，通過分別調(diào)整二組光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)或者鍵合交叉角度，可以實(shí)現(xiàn)對原本射向襯底(非出光面)的某種波段的光的反射，顯著地提高LED的光提取效率。且相較于二維光子晶體，交叉光柵結(jié)構(gòu)的制作工藝簡單、成本較低。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)下藍(lán)寶石襯底的LED基本結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明帶有光柵結(jié)構(gòu)的LED晶圓示意 圖3為本發(fā)明帶有光柵結(jié)構(gòu)的襯底結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的倒裝LED結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明LED中交叉光柵結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的目的主要是為了解決現(xiàn)有LED器件的光提取效率不高，以及二維光子晶體結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜等問題。本發(fā)明提供了一種可替代光子晶體結(jié)構(gòu)，顯著地增加光提取效率的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED及其制備方法。本發(fā)明提供的、構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)的二組光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以分別獨(dú)立地自由調(diào)節(jié)，可應(yīng)用于各種類型的襯底材料和發(fā)光波段。本發(fā)明提供的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED是由在LED的頂部(銦錫氧化物層或者P型氮化鎵層)預(yù)先制備有光柵結(jié)構(gòu)的LED晶圓，與同樣預(yù)先制備有同種或者異種光柵結(jié)構(gòu)的某種襯底，以O(shè) 90°之間的任一交叉角度進(jìn)行鍵合來實(shí)現(xiàn)的。因此以這種方法制備的、具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED為倒裝結(jié)構(gòu)LED，即η型半導(dǎo)體層和η型電極位于LED的上部，而ρ型半導(dǎo)體層和P型電極位于LED的下部，靠近襯底處，ρ型半導(dǎo)體層和襯底的交界處則為鍵合而成的交叉光柵。本發(fā)明提供的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED之所以能夠提高LED的光提取效率是因?yàn)?，交叉光柵本身具有對某種光波段(與偏振無關(guān))在較大角度范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)寬帶高反射等優(yōu)良特性。參見圖4，本發(fā)明提供的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括襯底 1，生長在襯底I上的具有第一光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜層2，與介質(zhì)薄膜層2鍵合在一起的具有第二光柵結(jié)構(gòu)的P型GaN外延層3，生長在ρ型GaN外延層3上的InGaN多量子阱有源發(fā)光層4和生長在InGaN多量子講有源發(fā)光層4上的η型GaN外延層5,其中，第一光柵結(jié)構(gòu)與第二光柵結(jié)構(gòu)以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)。所述交叉光柵結(jié)構(gòu)的周期范圍為100 1000 nm，刻蝕深度為10 200 nm。
所述交叉光柵結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期性排列的結(jié)構(gòu)。所述交叉光柵結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期性排列的結(jié)構(gòu)。所述具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的LED為倒裝結(jié)構(gòu)，即η型半導(dǎo)體層和η型電極位于LED的上部，而P型半導(dǎo)體層和P型電極位于LED的下部，靠近襯底處。本發(fā)明提供的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制備方法，參見圖f 5，該方法包括如下步驟
步驟I :如圖f 2所示，在普通的氮化鎵基二極管的ρ型GaN外延層或銦錫氧化物透明電極層上制備一層具有周期和刻蝕深度的第一光柵結(jié)構(gòu)，然后將氮化鎵基發(fā)光二極管的襯底剝離掉；
步驟2 :如圖3所示，在第二襯底上直接制備，或者先在第二襯底上生長一層介質(zhì)薄膜層2，再在介質(zhì)薄膜層2上制備具有另一種周期和刻蝕深度的第二光柵結(jié)構(gòu)；
步驟3 :如圖4所示，將上述分別帶有光柵結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管和襯底，以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，在二者的鍵合界面處形成具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的倒裝發(fā)光二級管。圖5為倒裝LED中交叉光柵結(jié)構(gòu)的示意圖，其中二組光柵鍵合角度β的范圍為O 90°，可以根據(jù)出射波段合理選擇β值。步驟2中，介質(zhì)薄膜層2為適用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管中介質(zhì)層的任何一種介質(zhì)材料(例如二氧化硅、碳化硅、二氧化鈦)。本發(fā)明中的襯底材料可以選擇具有良好導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的材料(例如硅、碳化硅)，則倒裝后的LED可以采用垂直結(jié)構(gòu)，這樣可以明顯改善器件的電流分布和散熱性能，從而可延長器件的使用壽命。本發(fā)明中的氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)為倒裝結(jié)構(gòu)，通過在普通的氮化鎵基LED的ρ型GaN層制備一層光柵結(jié)構(gòu)然后再鍵合的方法，實(shí)現(xiàn)了具有交叉光柵結(jié)構(gòu)LED的制備，其制備工藝簡單易行，光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)簡便。更重要的是，本發(fā)明所提供的交叉光柵結(jié)構(gòu)，不僅具有對某種波段光的高反射性，而且還擁有其特有的寬平面反射帶效應(yīng)。無論是二種光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還是二種光柵的鍵合交叉角度，均能根據(jù)LED出射光的對應(yīng)波段的要求分別獨(dú)立自由調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)將原本射向襯底(非出光面)的光反射回LED，從而有效提高LED的出光效率。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管包括襯底(I)，生長在襯底(I)上的具有第一光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜層(2)，與介質(zhì)薄膜層(2)鍵合在一起的具有第二光柵結(jié)構(gòu)的P型GaN外延層(3)，生長在P型GaN外延層(3)上的InGaN多量子阱有源發(fā)光層(4)和生長在InGaN多量子阱有源發(fā)光層(4)上的η型GaN外延層(5)，其中，第一光柵結(jié)構(gòu)與第二光柵結(jié)構(gòu)以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述交叉光柵結(jié)構(gòu)的周期范圍為100 1000 nm，刻蝕深度為10 200 nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述交叉光柵結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期性排列的結(jié)構(gòu)。
4.一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟I :在氮化鎵基二極管的P型GaN外延層或銦錫氧化物透明電極層上制備一層具有第一周期和第一刻蝕深度的光柵結(jié)構(gòu)，然后將氮化鎵基發(fā)光二極管的襯底剝離掉； 步驟2 :在第二襯底上直接制備，或者先在第二襯底上生長一層介質(zhì)薄膜層(2)，再在介質(zhì)薄膜層(2)上制備具有第二周期和第二刻蝕深度的光柵結(jié)構(gòu)； 步驟3 :將上述分別帶有光柵結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管和第二襯底，以O(shè) 90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，在二者的鍵合界面處形成具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的倒裝發(fā)光二級管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，步驟2中，介質(zhì)薄膜層(2)為適用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管中介質(zhì)層的任何一種介質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有交叉光柵結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及其制備方法，該發(fā)光二極管包括襯底(1)，生長在襯底(1)上的具有第一光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜層(2)，與介質(zhì)薄膜層(2)鍵合在一起的具有第二光柵結(jié)構(gòu)的p型GaN外延層(3)，生長在p型GaN外延層(3)上的InGaN多量子阱有源發(fā)光層(4)和生長在InGaN多量子阱有源發(fā)光層(4)上的n型GaN外延層(5)，其中，第一光柵結(jié)構(gòu)與第二光柵結(jié)構(gòu)以0～90°之間的任一交叉角度鍵合在一起，構(gòu)成交叉光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有效提高發(fā)光二極管的出光效率，有利于進(jìn)一步提高發(fā)光二級管的光提取效率和導(dǎo)熱性能。
文檔編號H01L33/10GK102709419SQ20121016997
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月29日
發(fā)明者崔一平, 張 雄, 郭浩, 韓樂 申請人:東南大學(xué)