专利名称：分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电极，尤其是涉及ー种适用于发光二极管(LED)的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电扱。
背景技术：
当前，面对全球不可再生资源濒临枯竭的现状，节约能源已成为21世纪的核心课题。照明在世界能源总消耗中举足轻重，因此，新一代节能光源的研究受到了越来越多的关注。发光二极管(LED)作为新型高效的固态光源，具有长寿命、节能环保、色彩丰富等显著优点，成为了继白炽灯和荧光灯之后的理想的第三代光源。近年来，随着半导体制造技术的不断发展，大功率发光二极管在交通、照明、军事等领域的应用日益广泛。
然而，对于大功率发光二极管而言，其金属电极与半导体基底的接触面积也相应増大，这使得部分LED发出的光被电极所遮挡并吸收，造成光输出功率严重损失，从而制约了 LED出光效率的进ー步提高。于是，人们针对LED出光效率低的问题，从器件结构方面提出了具体的解决方案，如制作倒装芯片结构、阵列结构电极等(I、Chih-Feng Lu et. al.,“InGaN/GaN quantum well interconnected microaisk light emitting diodes，，, AppliedPhysics Letters,77 (2000) 3236 ；2> Chih-Feng Lu et.al., “Reduction in theefficiency droop effect of a light-emitting diode through surface plasmoncoupling”，Applied Physics Letters, 96 (2010) 261104.)。在倒装芯片结构中，利用蓝宝石衬底面为出光窗ロ，从而减少电极对光的遮挡，使得发光效率有所提高；但其以牺牲蓝宝石一侧电流扩展均匀性和另ー侧GaN面的出射光为代价。在阵列电极结构中，通过合理设计阵列分布，可以有效地減少金属与半导体基底的相对接触面积，改善电流扩展的均匀性，但是GaN面对光的吸收仍然严重。因此，如何提高大功率发光二极管的出光效率，并改善其横向电流扩展的均匀性，已成为现今发光二极管研究领域内亟待解决的问题。
发明内容
本发明g在提供ー种可抑制发光二极管金属电极吸收光较强的负面效应，改善发光二极管横向电流扩展均匀性的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极。本发明设有分布式布拉格反射(DBR)结构、小面积金属欧姆接触阵列和半导体基底；所述分布式布拉格反射(DBR)结构设在半导体基底上，所述分布式布拉格反射(DBR)结构为多层介质，所述多层介质由至少I层高折射率介质层和至少I层低折射率介质层交替组成的膜堆；所述小面积金属欧姆接触阵列与分布式布拉格反射(DBR)结构复合并贯穿分布式布拉格反射(DBR)结构再与半导体基底欧姆接触并形成复合三维电极。所述多层介质可设有20个周期的GaN/AIN多层介质膜和10个周期的Hf02/Si02多层介质膜结构，可测得该DBR结构的反射率高达98%。所述小面积金属欧姆接触阵列可通过沉积ー层金属薄膜彼此互连，金属薄膜与电极阵列紧密接触，有助于电流的均匀扩散，改善器件的性能。所述金属薄膜可采用Au膜或Ag膜等。本发明为分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，即分布式布拉格反射(DBR)结构与小面积金属欧姆接触阵列复合成的半导体光电子器件的三维电扱。所述多层膜堆的每层材料的光学厚度为LED有源区发光波长的四分之一，从而形成了针对LED发光波段的高反射镜，能够将射向三维电极的光反射回去，进而最大限度地消除金属扩展层对光的吸收。分布式布拉格反射(DBR)结构的主要特性在于其设计波长的最高反射率和反射带宽。反射率会随着薄膜周期数的增加而増大，理论上能够接近100%;而反射带宽则取决于不同材料的折射率差值，差值越大带宽越宽，此外薄膜周期数増加也会使得反射带带边更为陡峭。最常应用于GaN基蓝光LED和深紫外LED的DBR结构是GaN/AlN、AlxGai_xN/AlN或 者Hf02/Si02材料。本发明生长20个周期的GaN/AIN多层膜和10个周期的Hf02/Si02多层介质膜结构，可测得该DBR结构的反射率高达98%。本发明所述的小面积金属阵列与半导体基底欧姆接触，其贯穿分布式布拉格反射(DBR)结构，从而形成复合三维电极I)金属阵列的间距取决于接触面积和预期电流密度的大小。采用以亚波长尺度为直径的金属阵列可以有效地減少金属与半导体基底的相对接触面积，进而减小电极对光的遮挡及吸收；电极阵列(可呈均匀或非均匀分布)在满足小接触面积的同时彼此相隔一定间距，避免造成电极局部电流密度太大，以期实现横向电流均匀扩展。2)表面等离子体激元可以在光滑或粗糙的金属表面传播，其产生与金属材料的种类和直径密切相关。不同金属与半导体材料界面体系所需的共振能量，即所对应的LED发光波长，各不相同。Al与GaN界面的SPPs共振能量约为5eV (250nm)，使得Al成为深紫外区域产生SPPs的最佳选择，而Ag、Au等多用于可见光波段。3)当接触金属的直径足够小时(亚波长)，周期性凹凸变化的金属纳米结构表面的自由电子将通过与光子的相互作用，激发出SPPs并与入射光发生耦合共振，使电子、空穴对在金属与半导体接触界面处再次发生辐射复合，降低光损耗；另一方面，当小面积金属接触点与LED有源区的距离足够近(几十纳米)时，在SPPs共振频率的能量与量子阱中偶极子的能量相一致的情况下，将直接俘获有源区中的偶极子发生辐射复合并释放出光子，提高电子、空穴对的辐射复合几率，最终提高器件的外量子效率。本发明所述的小面积阵列通过沉积ー层金属薄膜(Au或Ag等)彼此互连，金属薄膜与电极阵列紧密接触，有助于电流的均匀扩散，改善器件的性能。本发明g在利用金属微纳米结构易形成表面等离子体激元这一特性，将被吸收的光能重新以光的形式发射，同时，利用表面等离子体激元(SPPs)与有源区载流子的耦合，提高发光二极管的辐射发光效率。
图I为本发明实施例的剖面结构示意图。图2为本发明实施例从半导体基底一侧俯视的电极阵列(MXN，M > 2，N > 2)分布图。在图2中，结构为10X10阵列。
在图I和2中，各标记为I一分布式布拉格反射(DBR)结构，2—小面积金属阵列，3—半导体基底，4一分布式布拉格反射(DBR)结构的高折射率介质层，5—分布式布拉格反射(DBR)结构的低折射率介质层，6-金属薄膜。
具体实施例方式下面结合图I和2，详细介绍本发明实施例的具体结构及其所采用的常规制备エ艺和设备。实施例I首先利用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在蓝宝石衬底上制备直径为5. 08cm 的半导体基底，通过调控量子阱的组分，可实现发光波长为280nm的深紫外LED结构。同吋，原位生长20个周期的GaN/AIN多层膜DBR结构，每层介质膜的光学厚度为70nm。其按照高折射率(280nm波长对应的GaN的折射率约为2. 51)介质层4和低折射率(280nm波长对应的AlN的折射率约为2. 32)介质层5的先后顺序交替沉积而成，然后使用分光光度计测试其反射率，该DBR结构反射率可达98%。对半导体基底掩膜光刻后，采用电感耦合等离子体(ICP)技术进行刻蚀。通过化学清洗去除掩膜层后，采用高真空热蒸发或溅射方法沉积金属(对于P型III族氮化物，欧姆接触的金属为Ni/Au或Ni/Pt/Au等其它组合；对于η型III族氮化物，欧姆接触的金属为Ti/Al/Ti等组合)。在氮气氛围中快速退火几十秒使金属阵列(MXN，M彡2，N彡2)与半导体基底3形成欧姆接触。再利用高真空热蒸发或溅射方法在小面积金属阵列上沉积ー层金属薄膜6，如Au、Ag等，以形成电极。实施例2首先利用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在蓝宝石衬底上制备直径为5. 08cm的半导体基底，通过调控量子阱的组分，可实现发光波长为460nm的蓝光LED结构。对半导体基底掩膜光刻后，采用电感耦合等离子体(ICP)技术进行刻蚀。再通过高真空热蒸发或溅射方法沉积金属(对于P型III族氮化物，欧姆接触的金属为Ni/Au或Ni/Pt/Au等其它组合；对于η型III族氮化物，欧姆接触的金属为Ti/Al/Ti等组合)。在氮气氛围下快速退火几十秒使金属阵列(MXN，2, 2)与半导体基底3形成欧姆接触。通过化学清洗去除掩膜层，使金属阵列与半导体基底直接接触相连成为一体，呈柱状。利用高真空热蒸发或溅射方法在金属阵列的间隙沉积10个周期的Hf02/Si02多层膜DBR结构，其按照高折射率(460nm波长对应的HfO2的折射率约为I. 89)介质层4和低折射率(460nm波长对应的SiO2的折射率约为I. 46)介质层5的先后顺序交替沉积而成，每层介质材料的光学厚度为115nm。从而使小面积金属阵列2贯穿分布式布拉格反射(DBR)结构I，形成复合三维电极。采用ICP技术刻蚀去除金属柱状阵列上覆盖的HfO2和SiO2残留材料，再通过高真空热蒸发或溅射方法在小面积金属阵列上沉积ー层金属薄膜6，如Au或Ag等，以形成电极。
权利要求
1.分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，其特征在于设有分布式布拉格反射结构、小面积金属欧姆接触阵列和半导体基底；所述分布式布拉格反射结构设在半导体基底上，所述分布式布拉格反射结构为多层介质，所述多层介质由至少I层高折射率介质层和至少I层低折射率介质层交替组成的膜堆；所述小面积金属欧姆接触阵列与分布式布拉格反射结构复合并贯穿分布式布拉格反射结构再与半导体基底欧姆接触并形成复合三维电极。
2.如权利要求I所述的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，其特征在于所述多层介质设有20个周期的GaN/AIN多层介质膜和10个周期的Hf02/Si02多层介质膜结构。
3.如权利要求I所述的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，其特征在于所述小面积金属欧姆接触阵列通过沉积一层金属薄膜彼此互连，金属薄膜与电极阵列紧密接触。
4.如权利要求3所述的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，其特征在于所述金属薄膜采用Au膜或Ag膜。
全文摘要
分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极，涉及一种电极。提供一种可抑制发光二极管金属电极吸收光较强的负面效应，改善发光二极管横向电流扩展均匀性的分布式布拉格反射与小面积金属接触复合三维电极。设有分布式布拉格反射结构、小面积金属欧姆接触阵列和半导体基底；分布式布拉格反射结构设在半导体基底上，分布式布拉格反射结构为多层介质，所述多层介质由至少1层高折射率介质层和至少1层低折射率介质层交替组成的膜堆；所述小面积金属欧姆接触阵列与分布式布拉格反射结构复合并贯穿分布式布拉格反射结构再与半导体基底欧姆接触并形成复合三维电极。
文档编号H01L33/38GK102820398SQ201210319019
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者康俊勇, 高娜, 杨旭, 李金钗, 李书平 申请人:厦门大学