专利名称：光子晶体发光二极管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光二极管及其制作方法，具体地说，是一种利用光子晶
体提高出光效率的光子晶体发光二极管及其制作方法。
背景技术：
在普通GaN基发光二极管结构中，由于空气、外延层材料(包含发光层)和衬底 材料之间的折射率差异，三者两两界面间均有全反射现象出现，因此，发光层发射的光可分 为三部分6%的光经上表面发射进入空气(假如在蓝宝石衬底背面放置一个反射镜，出光 量可再翻一番)；22%的光受全反射作用局限在蓝宝石衬底内传播，称这部分光为衬底光 (substrate light);受双重全反射的作用，66%的光滞留在GaN外延材料层中，称这部分 光为导光(guided light)。可以看出，发光二极管的绝大部分光以导波模形式在器件内部 传播，因此如何采取有效的方式使这部分光逃逸出来，是发光二极管固态照明光源得到推 广应用的关键所在。 光子晶体是折射率在光波长的尺度上成周期分布的一种结构材料，它不仅能够用 来大幅度提高发光二极管的出光效率，而且还能够很好地控制器件的空间发光分布，用于 投影显示器、背光模组及汽车头灯等对光强分布有着特殊需求的光源。根据其介电系数周 期性排列的不同，光子晶体可以分为一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)的结构。在光子晶 体中，由于介电常数在空间的周期性变化，也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场。当 介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时，介质的布拉格散射也会产生 带隙。其作用主要表现在频率落在禁带范围内的光子被禁止传播。如果发光二极管上集 成了光子晶体结构，当发光二极管发光的频率落在光子晶体的禁带频率内时，导波模式将 被直接耦合成自由空间中的辐射模式，理论上提取光的效率可以接近100%。另一方面，如 果发光频率位于光子晶体禁带频率之上，光子晶体可以通过布拉格散射使这些模式耦合成 为辐射模式。 现有较高出光效率的GaN基发光二极管结构主要有以下三种，一种是表面粗化的 薄膜发光二极管结构；另外两种分别是光子晶体位于P型和n型GaN表层的发光二极管结 构。表面粗化的薄膜发光二极管结构的制作方法需要对衬底进行剥离和对P型GaN表层进 行粗化。同理光子晶体位于n型GaN表层的GaN基发光二极管结构，也需要对衬底进行剥 离，且主要基于利用光子晶体的布拉格散射效应来达到提高出光效率的目的。
在利用光子晶体结构提高GaN基发光二极管出光效率的研究中，光子晶体主要位 于p型GaN的表层。由于在p型GaN表层上形成的光子晶体，会退化p型GaN层和金属的 欧姆接触特性，此外，P型GaN层的厚度由于受结晶质量(掺杂难易程度)的控制，一般小 于200nm，而且为防止生成光子晶体时刻蚀引起的对活性发光层的伤害，光子晶体的厚度通 常小于p型GaN层的厚度，而光子晶体结构的最佳厚度应为作用光的一半波长(蓝光波长 为450nm-480nm)。
发明内容
本发明要解决的问题是通过设置一维光子晶体和二维光子晶体，改变出射光的方 向以达到提高出光效率的目的，并提供一种光子晶体发光二极管及其制备方法。
实现本发明的一种光子晶体发光二极管，包括基底；n型掺杂半导体层，在其上部 内含二维光子晶体；活性发光层，设置于n型掺杂半导体层上；P型掺杂半导体层，设置于该 活性发光层上；透明导电层设置于P型掺杂半导体层上；一维光子晶体设置于透明导电层 上；其特征在于一维光子晶体是包裹于透明导电层、P型掺杂半导体层和活性发光层的凸 体部分，二维光子晶体是位于n型掺杂半导体层内上方靠近活性发光层的位置。
本发明上述光子晶体发光二极管的技术方案中，所述二维光子晶体位于活性发光 层的距离是50-1000nm ;可以进一步选为100-300nm ;所述二维光子晶体由作为背景材料的 高折射率材料和作为散射体材料的低折射率材料构成，高折射率材料是n型掺杂半导体层 材料，低折射率材料是介电常数在0-2. 4之间的介电材料，其在n型掺杂半导体层中呈立方 形排列或六边形排列；所述二维光子晶体的低折射率材料立方形排列的参数是晶格常数 a :220-235nm，孔径d :118-127nm，深度100-250nm ;所述二维光子晶体的低折射率材料六 边形排列的参数是晶格常数a :168-200nm，孔径d :100-120nm，深度100-250nm ;所述一 维光子晶体是低折射率材料和高折射率材料交替镀膜构成，所述低折射率材料是Si02 ;所 述高折射率材料是T叫、TaA或Zi^ ;所述一维光子晶体的晶格常数a值是120-150nm ;所 述一维光子晶体的膜层周期数n是5-50间；所述基底是蓝宝石、碳化硅或氮化镓材料；n型 掺杂半导体层和P型掺杂半导体层的基体是氮化镓材料。 实施本发明上述一种光子晶体发光二极管的制备方法，其具体方法是按下列步骤 进行 (1)用金属化学有机气相沉积装置在基底材料上进行n型掺杂半导体层的生长； (2)在n型掺杂半导体层上采用掩膜法，用感应耦合等离子体装置、电子回旋共
振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀出呈立方形或六方形排列的二维周期性分布的圆柱型结 构； (3)用等离子体加强化学气相沉积装置，在圆柱型结构内沉积不同低介电常数的 材料，完成二维光子晶体结构的制备； (4)将上述步骤所生成的结构再置入金属化学有机气相沉积装置内，继续n型掺 杂半导体层的生长； (5)在上述第(4)步的基础上，进行活性发光层和p型掺杂半导体层的生长；
(6)采用感应耦合等离子体装置、电子回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀掉 部分活性发光层和部分P型掺杂半导体层，裸露出n型掺杂半导体层，形成台面结构；
(7)采用掩膜法，用电子束蒸发台，在p型掺杂半导体层上蒸镀透明导电层；
(8)采用掩膜法，用等离子体加强化学气相沉积装置，在透明导电层、p型掺杂半 导体层和活性发光层的凸体部分包裹一维光子晶体； (9)对一维光子晶体层采用掩膜法进行光刻和湿法刻蚀，裸露出透明导电层，并在 其上部用电子束蒸发台蒸镀P型电极； (10)在n型掺杂半导体层的台面上用光刻和电子束蒸发台蒸镀n型电极。
本发明上述发光二极管的技术方案具有一维光子晶体结构和二维光子晶体结构。
5二维光子晶体位于n型GaN层内，与活性发光层保持较近的距离。活性发光层发出的射向 二维光子晶体的光波由于被禁止在二维光子晶体的平面内传播(光子禁带效应)，使光的 能量发生重新分布，更多的光波能量在通过二维光子晶体后以垂直于基底的方向射出，克 服了全反射现象的影响。向P型GaN层射去的活性发光层发出的光，受一维光子晶体的全 方位反射作用，发生全反射，向衬底方向射去，经二维光子晶体的禁带效应作用，以垂直于 基底的方向射出。因此该结构的光子晶体发光二极管能明显提高出光效率和改善出光的方 向分布。 本发明上述发光二极管的制备方法，通过将一维光子晶体包覆于透明导电层、p型 掺杂半导体层和活性发光层的凸体上；将二维光子晶体是设置于n型掺杂半导体层内上方 靠近活性发光层的位置，使的光子晶体改变了出射光的方向，达到并提高了出光的效率，而 且本发明方法步骤简捷，操作易实现。 与p型GaN表层上形成的光子晶体相比，该光子晶体发光二极管结构采用衬底方 向出光，有效增加了出光面积；与粗化的薄膜发光二极管结构相比，该光子晶体发光二极管 结构省去对衬底的剥离和对p型GaN表层的粗化工艺。
图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明一维光子晶体截面结构示意图； 图3是本发明二维光子晶体立方形排列的平面结构示意图； 图4是本发明二维光子晶体六边形排列的平面结构示意图。 图中101 :基底；102 :n型掺杂半导体层；103 :二维光子晶体；104 :活性发光层； 105 :p型半导体层；106 :透明导电层；107 :—维光子晶体；108 :p型电极；109 :n型电极；L : 一维光子晶体的低折射率材料；H : —维光子晶体的高折射率材料；a :晶格常数；d :孔径； 110 :二维光子晶体的低折射率材料。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作出进一步的详细描述，本领域的技术人 员在阅读了本具体实施方式
后，能够实现本发明所述的技术方案，本发明的优点与积极效
果也同时能够得到体现。
实施例1 如图1、图2、图3和图4，本发明实施一种光子晶体发光二极管的结构如下
实施基底101材料可以选为蓝宝石、碳化硅或氮化镓，其中，本发明在实验中最 多的是选用蓝宝石作为试验材料，n型掺杂半导体层102为n型氮化镓，二维光子晶体 103是位于n型氮化镓层内上方靠近活性发光层104的位置，距离活性发光层104可以是 50-1000nm之间，以活性发光层104的生长质量为评判依据，也可以进一步选为100-300nm， 其最佳值优选为200nm;二维光子晶体(103)由高折射率的材料和低折射率材料构成，作 为背景材料的高折射率材料是n型掺杂半导体层(102)材料，作为散射体材料的低折射率
材料(110)在背景材料中呈立方形排列或六边形排列；立方形排列的参数是晶格常数a :
220-235nm，孔径d :118-127nm，深度100-250nm ;六边形排列排列的参数是:晶格常数a :168-200nm，孔径d : 100-120nm，深度100-250nm ;二维光子晶体103的低折射率材料(110) 为二氧化硅、氮化硅或者是空气，也可以是其它介电常数在0-2. 4之间的介电材料；活性发 光层104材料为铟镓氮化合物，生长于n型氮化镓上；p型掺杂半导体层105为p型氮化镓， 生长于该铟镓氮化合物上；透明导电层106材料为氧化铟锡，生长于p型氮化镓上；一维光 子晶体107包裹于透明导电层106、 p型掺杂半导体层105和活性发光层104的凸体部分， 其结构是由低折射率材料和高折射率材料交替镀膜构成，所述的低折射率材料是Si(^，所 述的高折射率材料是Ti02、 Ta205或Zr02 ;—维光子晶体107的晶格常数a值为单层低折射 率材料和单层高折射率材料厚度之和，是120-150nm，膜层周期数是n = 5-50，由该膜层结 构组成的一维光子晶体对活性发光层发出的光具有全方位反射性，提高了向衬底方向的出 光效率。 实施例2 如图1、图2、图3和图4，本发明实施一种光子晶体发光二极管的制作方法如下
第一步，在金属化学有机气相沉积装置内，对基底进行氢化处理，生长低温形核 层，热处理后继续生长2 i！ m厚的n型GaN层。基底材料为蓝宝石。 第二步，在已生长的n型GaN层上，采用掩膜法，用感应耦合等离子体装置或电子 回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀出呈立方形排列的二维周期性分布的圆柱型结 构，晶格常数为a :225nm，孔径为b :121nm，深度为200nm， 第三步，用等离子体加强化学气相沉积，在圆柱型结构内沉积二氧化硅材料，完成 二维光子晶体结构的制备。 第四步，将上述步骤所生成的结构再置入金属化学有机气相沉积装置内，继续n 型GaN层的生长，生长厚度在50-1000nm左右。其具体数值以不影响活性发光层的生长质 量下保持最短。 第五步，在第四步步骤的基础上，进行活性发光层和p型GaN层的生长，活性发光 层发出的主峰值光波长在460nm。 第六步，采用感应耦合等离子体装置，刻蚀掉部分活性发光层和p型GaN层，裸露 出n型GaN层，形成台面结构。 第七步，采用掩膜法，用电子束蒸发台，在p型GaN层上蒸镀氧化铟锡作透明导电 层，厚度为200nm左右。 第八步，采用掩膜法，用等离子体加强化学气相沉积装置，在氧化铟锡、p型GaN层 和活性发光层的凸体部分包裹一维光子晶体。 一维光子晶体选用二氧化硅和二氧化钛两种 不同介电常数的材料，依次交替沉积呈周期性分布。低折射率材料Si02(折射率1.46)，高 折射率材料Ti02(折射率2.5)，为了获得最佳反射效果，晶格常数a值为127nm。低折射率 材料Si02层厚80nm，高折射率材料Ti02层厚47nm。膜层周期数n为14。
第九步，对一维光子晶体层采用掩膜法进行光刻和湿法刻蚀(HF溶液)，裸露出氧 化铟锡层，在其上方制作P型电极。 第十步，在GaN基发光二极管的台面结构上用光刻和电子束蒸发制作出n型电极。
根据上述具体实施方式
，本领域的专业技术人员结合现有技术，能够实现本发明 所述的一种光子晶体发光二极管及其制备方法，在本说明书中涉及到的其它技术内容以及 技术术语按照本领域的公知常识和贯用技术手段理解和实施，也可以通过合理的分析推理设置实施本发明所述的技术方案'
权利要求
一种光子晶体发光二极管，其含有-基底(101)；-n型掺杂半导体层(102)，在其上部内含二维光子晶体(103)；-活性发光层(104)，设置于n型掺杂半导体层(102)上；-p型掺杂半导体层(105)，设置于该活性发光层(104)上；-透明导电层(106)设置于p型掺杂半导体层(105)上；-一维光子晶体(107)设置于透明导电层(106)上；-其特征在于一维光子晶体(107)是包裹于透明导电层(106)、p型掺杂半导体层(105)和活性发光层(104)的凸体部分，二维光子晶体(103)是位于n型掺杂半导体层(102)内上方靠近活性发光层(104)的位置。
2. 如权利要求l所述的光子晶体发光二极管，其所述二维光子晶体(103)位于活性发 光层(104)的距离是50-1000nm ;可以进一步选为100-300nm。
3. 如权利要求l所述的光子晶体发光二极管，其所述二维光子晶体(103)由作为背景 材料的高折射率材料和作为散射体材料的低折射率材料构成，高折射率材料是n型掺杂半 导体层(102)材料，低折射率材料(110)是介电常数在0-2.4之间的介电材料，其在n型掺 杂半导体层(102)中呈立方形排列或六边形排列。
4. 如权利要求3所述的光子晶体发光二极管，其所述二维光子晶体(103)的低折射 率材料(110)立方形排列的参数是:晶格常数a :220-235nm，孔径d :118-127nm，深度: 100-250nm。
5. 如权利要求3所述的光子晶体发光二极管，其所述二维光子晶体(103)的低折射 率材料(110)六边形排列的参数是晶格常数a :168-200nm，孔径d :100-120nm，深度 100-250nm。
6. 如权利要求l所述的光子晶体发光二极管，其所述一维光子晶体(107)是低折射率 材料和高折射率材料交替镀膜构成，所述低折射率材料是Si02 ;所述高折射率材料是Ti02、 Ta205或Zr02。
7. 如权利要求6所述的光子晶体发光二极管，其所述一维光子晶体(107)的晶格常数 a值是120-150nm。
8. 如权利要求6所述的光子晶体发光二极管，其所述一维光子晶体(107)的膜层周期 数n是5-50间。
9. 如权利要求l所述的光子晶体发光二极管，其所述基底(101)是蓝宝石、碳化硅或氮 化镓材料；n型掺杂半导体层(102)和p型掺杂半导体层(104)的基体是氮化镓材料。
10. —种用于权利要求1所述的光子晶体发光二极管的制备方法，其具体方法是按下 列步骤进行(1) 用金属化学有机气相沉积装置在基底(101)材料上进行n型掺杂半导体层(102) 的生长；(2) 在n型掺杂半导体层(102)上采用掩膜法，用感应耦合等离子体装置、电子回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀出呈立方形或六方形排列的二维周期性分布的圆柱型结 构；(3) 用等离子体加强化学气相沉积装置，在圆柱型结构内沉积不同低介电常数的材料，完成二维光子晶体(103)结构的制备；(4) 将上述步骤所生成的结构再置入金属化学有机气相沉积装置内，继续n型掺杂半 导体层(102)的生长；(5) 在上述第(4)步的基础上，进行活性发光层(104)和p型掺杂半导体层(105)的生长；(6) 采用感应耦合等离子体装置、电子回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀掉部分 活性发光层(104)和部分p型掺杂半导体层(105)，裸露出n型掺杂半导体层(102)，形成 台面结构；(7) 采用掩膜法，用电子束蒸发台，在p型掺杂半导体层(105)上蒸镀透明导电层(106);(8) 采用掩膜法，用等离子体加强化学气相沉积装置，在透明导电层(106)、p型掺杂半 导体层(105)和活性发光层(104)的凸体部分包裹一维光子晶体(107);(9) 对一维光子晶体(107)层采用掩膜法进行光刻和湿法刻蚀，裸露出透明导电层 (106)，并在其上部用电子束蒸发台蒸镀p型电极(108);(10) 在n型掺杂半导体层(102)的台面上用光刻和电子束蒸发台蒸镀n型电极(109)。
全文摘要
一种光子晶体发光二极管及其制备方法是将一维光子晶体包裹在透明导电层、p型掺杂半导体层和活性发光层的凸体部分，二维光子晶体置于n型掺杂半导体层内上方靠近活性发光层的位置；通过对n型掺杂半导体材料刻蚀并沉积低折射率材料将二维光子晶体置于n型掺杂半导体层内，继续活性发光层和p型掺杂半导体材料生长，刻蚀并裸露出n型掺杂半导体层台面，在凸体表面蒸镀透明导电层，后将一维光子晶体包裹在透明导电层、p型掺杂半导体层和活性发光层的凸体部分。本发明利用一维光子晶体的全方位反射特性和二维光子晶体的禁带效应，通过设计两者在发光二极管中的位置，改善出光的方向分布，使更多的发射光以垂直于基底的方向射出，提高了出光效率。
文档编号H01L33/16GK101789475SQ20101010141
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者余春燕, 李天保, 梁建, 许并社, 贾伟, 马淑芳 申请人:太原理工大学