專利名稱：一種白光發(fā)光二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有光子晶體的白光發(fā)光二極管的制作方法。
背景技術(shù)：
目前II1-V族半導(dǎo)體光電材料被譽為第三代半導(dǎo)體材料。而氮化鎵系發(fā)光二極管，由于可以通過控制材料的組成來制作出各種色光(尤其是需要高能隙的藍(lán)光或紫光)的發(fā)光二極管(簡稱為“LED” )，而成為業(yè)界研究的重點。氮化鎵基白光發(fā)光二極管的制備方法目前主要是采用藍(lán)光發(fā)光二極管加黃色熒光粉。通過藍(lán)光發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出黃光，再與藍(lán)色發(fā)光二極管發(fā)出的藍(lán)光相混合，形成一種類白光光源。目前以藍(lán)光芯片加黃色突光粉制備白光發(fā)光二極管的方法均是將黃色熒光粉混合置于藍(lán)光芯片之上，即將熒光粉與硅膠混合，充填在透鏡內(nèi)部芯片之上的空隙中；或者將熒光粉做成板狀壓置在發(fā)光二極管芯片之上?；蛘邔晒夥刍旌嫌谔沾苫鍍?nèi)部，通過藍(lán)光LED激發(fā)陶瓷基板而發(fā)光。目前國外比較新穎的做法是將熒光粉置于封裝玻璃透鏡中(如美國專利US7858408B2)，LED芯片與透鏡之間無需再充填熒光粉；另一方法是將熒光粉涂于芯片表面(如歐洲專利EP2105976A2)，將黃色熒光粉涂覆在LED芯片表面，LED發(fā)出的光直接激發(fā)表面黃色熒光粉。但是這兩種方法不但制作工藝復(fù)雜，而且費時費力，極大地增加了 LED的制作成本。

發(fā)明內(nèi)容
為此目的，本發(fā)明提供了一種具有光子晶體的白光發(fā)光二極管，其包括:襯底、η型接觸層、活性發(fā)光層、P型接觸層，所述活性發(fā)光層位于η型接觸層和P型接觸層中間；所述多孔狀光子晶體制作在所述發(fā)光二極管的表層，其孔狀內(nèi)部填充有納米量級的熒光粉，其表面覆蓋有透明電極。本發(fā)明提供的白光LED制作方法無需再將熒光粉與硅膠混合或者至于玻璃透鏡內(nèi)，而是將熒光粉直接置于芯片表面的凹坑，制作工藝簡單、成本低是本發(fā)明的另一最大特點。


圖1是本發(fā)明中具有光子晶體的正裝結(jié)構(gòu)氮化鎵系發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中的具有光子晶體的垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵系發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明公開了一種具有光子晶體的發(fā)光二極管，其包括:襯底、η型接觸層、活性發(fā)光層、P型接觸層，所述活性發(fā)光層位于η型接觸層和P型接觸層中間；所述多孔狀光子晶體制作在所述發(fā)光二極管的表層，其孔狀內(nèi)部填充有納米量級的熒光粉，其表面覆蓋有透明電極。所述發(fā)光二極管可以為正裝、倒裝或垂直結(jié)構(gòu)，在正裝結(jié)構(gòu)中，所述多孔狀光子晶體制作在P型接觸層；在倒裝結(jié)構(gòu)中，所述多孔狀光子晶體制作在表層襯底中；而在垂直結(jié)構(gòu)中，所述多孔狀光子晶體制作在η型接觸層。上述發(fā)光二極管可以根據(jù)需要，在η型接觸層和P型接觸層之間制作其它的層，以提高發(fā)光二極管的性能，這在本領(lǐng)域中屬于公知，在此不作詳述。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，圖1示出了一種正裝結(jié)構(gòu)的氮化鎵系發(fā)光二極管，如圖1所示，氮化鎵系發(fā)光二極管包括:一襯底11，以(0001)向藍(lán)寶石(Α1203)為襯底11，其他可用于襯底11的材質(zhì)還包括R-面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物。制備中采用高純NH3作N源，高純H2和N2的混合氣體作載氣；三甲基鎵或三乙基鎵作Ga源，三甲基銦作In源，三甲基鋁作Al源；n型摻雜劑為硅烷，P型摻雜劑為二茂鎂。一氮化鎵成核層12，該氮化鎵成核層12制作在襯底11上。一緩沖層13，該緩沖層13制作在成核層12上，由氮化鎵構(gòu)成。一 η型接觸層14，該η型接觸層14制作在緩沖層13上，該η型接觸層14由η型氮化鎵構(gòu)成。一活性發(fā)光層15，該活性發(fā)光層15制作在η型接觸層14上并覆蓋所述η型接觸層14的部分表面，所述活性發(fā)光層15是由銦鎵氮薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。一 P型電子阻擋層16，該P型電子阻擋層16制作在活性發(fā)光層15的氮化鎵薄層上，該P型電子阻擋層16由鋁鎵氮構(gòu)成。一 P型接觸層17，該P型接觸層17制作在P型電子阻擋層16上，該ρ型接觸層17由P型氮化鎵構(gòu)成。一光子晶體18，該光子晶體制作在作為表層的ρ型接觸層17上，該光子晶體為空氣孔結(jié)構(gòu)，孔洞直徑為50-1000納米；孔洞間距為0.1微米-10微米；孔的深度為:50-1000納米；孔的排布可以是三角形、方形、六角形或者是其他任何形狀的分布?？谞罟庾泳w可以是通過電子束曝光、激光全息曝光干涉、納米壓印或者ps球等方法制作。一納米顆粒熒光粉19，該納米尺度熒光粉的粒徑為10-100納米。熒光粉可以是黃色、紅色或綠色熒光粉中的一種或幾種混合體。該熒光粉旋涂于光子晶體孔洞內(nèi)。所述納米顆粒熒光粉的涂覆采用超聲-旋涂法。具體方法如下:將加工好帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的外延片水平置于載體上(注:帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的表面朝上)；取少許納米顆粒的熒光粉均勻撒在整個外延片表面；然后將盛放外延片的載體置于超聲機(jī)內(nèi)，低頻超聲5-10分鐘。將外延片取出，放置于勻膠機(jī)上，在100-500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下，勻速旋轉(zhuǎn)5-10分鐘。之后，取出外延片，用無塵布蘸取少量丙酮或乙醇溶液，輕輕擦洗外延片表面，將表面多余的納米熒光粉顆粒去除。然后將外延片置于熱板上在50-100°C下加熱5-10分鐘，去除殘留的丙酮或乙醇。一透明電極20，該透明電極制作在裝有納米顆粒熒光粉的光子晶體表面。該透明電極可以是銦錫氧化物(Ι )、氧化鋅(ZnO)、鎳金電極等?！?fù)電極21,該負(fù)電極21制作在η型接觸層14未被所述活性發(fā)光層15覆蓋的表面上，由鉻鉬金或鈦鋁鈦金組成。一正電極22，該正電極22制作在透明電極20上，由鉻鉬金或鈦鋁鈦金組成。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，圖2示出了一種垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵系發(fā)光二極管，如圖2所示，垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵系發(fā)光二極管包括:一襯底，以(0001)向藍(lán)寶石(Al2O3)為襯底，其他可用于襯底的材質(zhì)還包括R-面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物。制備中采用高純NH3作N源，高純H2和N2的混合氣體作載氣；三甲基鎵或三乙基鎵作Ga源，三甲基銦作In源，三甲基鋁作Al源；η型摻雜劑為硅烷，ρ型摻雜劑為二茂鎂。一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層制作在襯底上。一緩沖層，該緩沖層制作在成核層上，該緩沖層由氮化鎵構(gòu)成。一 η型接觸層23，該η型接觸層23制作在緩沖層上，該η型接觸層23由η型氮化鎵構(gòu)成。

一活性發(fā)光層24，該活性發(fā)光層24制作在η型接觸層23上，所述活性發(fā)光層24是由銦鎵氮薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。一 ρ型電子阻擋層25，該ρ型電子阻擋層25制作在活性發(fā)光層24上，該ρ型電子阻擋層25由鋁鎵氮構(gòu)成。一 ρ型接觸層26，該ρ型接觸層26制作在ρ型電子阻擋層25上，該ρ型接觸層26由ρ型氮化鎵構(gòu)成。一高反膜27，該高反膜25制作在ρ型接觸層26上，該高反膜可以是Al、Ag、Cr、Pt、Au中的一種或幾種。該高反膜由電子束蒸發(fā)工藝完成。一導(dǎo)電襯底28，該導(dǎo)電襯底28是通過熱壓鍵合或電鍍的方式制作在高反膜25上。該導(dǎo)電襯底28可以是金屬銅襯底或者是銅鎢合金、或者是銅鑰合金。也可以是Si或者其他可導(dǎo)電的襯底。一通過激光玻璃或化學(xué)腐蝕的方法將襯底與氮化鎵成核層分離。一通過干法刻蝕或濕法腐蝕的方法將氮化鎵成核層以及氮化鎵緩沖層去除，直到裸露的η型接觸層23。一光子晶體29，該光子晶體制作在表層η型接觸層23上，該光子晶體為空氣孔結(jié)構(gòu)，孔洞直徑為50-1000納米；孔洞間距為0.1微米-10微米；孔的深度為=50-1000納米；孔的排布可以是三角形、方形、六角形或者是其他任何形狀的分布?？谞罟庾泳w可以是通過電子束曝光、激光全息曝光干涉、納米壓印或者ps球等方法制作。一納米顆粒熒光粉30，該熒光粉旋涂于表層光之晶體孔洞內(nèi)。該納米尺度熒光粉的粒徑為10-100納米。熒光粉可以是黃色、紅色或綠色熒光粉中的一種或幾種混合體。該熒光粉旋涂于表層光之晶體孔洞內(nèi)。納米顆粒熒光粉30的涂覆采用超聲-旋涂法。具體方法與圖1中所述納米顆粒熒光粉19的涂覆方法一致?！该麟姌O31，該透明電極制作在裝有納米顆粒熒光粉30的光子晶體表面。該透明電極可以是銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)、鈦鋁鈦金電極等等。一負(fù)電極32，該負(fù)電極32制作在透明電極31上，由鉻鉬金或鈦鋁鈦金組成。完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。如圖1、圖2所述氮化鎵系發(fā)光二極管，這種結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管在制作時可以省略熒光粉涂覆工藝，直接發(fā)出白光。具體原理如下:通電后，由銦鎵氮活性發(fā)光層發(fā)出的光，透過表層光子晶體。利用光子晶體的光子帶隙作用將有源區(qū)內(nèi)的低階模大部分提取出來，而其他高階模可直接從表面透出；另一方面利用光子晶體的光柵衍射效應(yīng)，沿表面法線方向傳輸?shù)墓庥捎谘苌湎喔莎B加，使得發(fā)光增強(qiáng)。因此，采用光子晶體結(jié)構(gòu)在一定程度上可以提高發(fā)光效率。此外，沿法線方向輸出的光部分激發(fā)光子晶體內(nèi)部的納米熒光粉顆粒而發(fā)光，其他未被吸收的有源區(qū)發(fā)出的光與突光粉發(fā)出的光相結(jié)合形成白光。由于突光粉的種類可調(diào)、顏色可調(diào)、因此可以通過熒光粉摻入的種類、數(shù)量來調(diào)節(jié)白光的色溫及顯色指數(shù)，從而省略熒光粉涂覆工藝，大大簡化白光LED的制作工藝。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有光子晶體的發(fā)光二極管，其包括:襯底、η型接觸層、活性發(fā)光層、P型接觸層，所述活性發(fā)光層位于η型接觸層和P型接觸層中間；所述多孔狀光子晶體制作在所述發(fā)光二極管的表層，其孔狀內(nèi)部填充有納米量級的熒光粉，其表面覆蓋有透明電極。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管為正裝、倒裝或垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管為正裝結(jié)構(gòu)時，所述多孔狀光子晶體制作在作為表層的P型接觸層上。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)時，所述多孔狀光子晶體制作在作為表層的η型接觸層上。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述多孔狀光子晶體的孔洞直徑為50-1000納米；孔洞間距為0.1微米-10微米；孔的深度為50-1000納米；孔的排布為三角形、方形或六角形分布。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述多孔狀光子晶體通過電子束曝光、激光全息曝光干涉、納米壓印或者聚苯乙烯球的方式制作。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，熒光粉的粒徑為10-100納米，所述熒光粉包括黃色、紅色或綠色熒光粉中的一種或幾種混合體。
8.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，采用超聲旋涂法將所述熒光粉涂覆在所述多孔狀光子晶體的孔洞內(nèi)部。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述透明電極是銦錫氧化物或氧化鋅。
10.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底的材料包括藍(lán)寶石Α1203、C-面、R-面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC或晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物之一。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有光子晶體的白光發(fā)光二極管，其包括襯底、n型接觸層、活性發(fā)光層、p型接觸層，所述活性發(fā)光層位于n型接觸層和p型接觸層中間；所述多孔狀光子晶體制作在所述發(fā)光二極管的表層，其孔狀內(nèi)部填充有納米量級的熒光粉，其表面覆蓋有透明電極。本發(fā)明提出的上述發(fā)光二極管在表層光子晶體孔洞內(nèi)部，填充粒徑尺度為納米量級的黃色、紅色或綠色熒光粉，光子晶體表面被ITO透明電極所覆蓋。
文檔編號H01L33/50GK103137840SQ20131006092
公開日2013年6月5日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者馬平, 甄愛功, 劉波亭, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所