一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)光二極管領(lǐng)域，具體涉及一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，在全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻的背景下，節(jié)約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)，將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。在照明領(lǐng)域，以LED (發(fā)光二極管)為代表的半導(dǎo)體發(fā)光產(chǎn)品，具有節(jié)能、環(huán)保，以及光源壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，正吸引著世人的目光。對于GaN基LED來說，GaN為2.5與空氣的折射系數(shù)相差很大，全反射角為24.5度左右。發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光在出光面大部分被反射回來，光線的多次反射，由于材料的吸收及非出光面逸光作用，正面出光的比例非常小，只占4%。即使采用圖形襯底結(jié)構(gòu)，出光比例也只有12%左右。
[0003]目前人們已采用了多種出光技術(shù)改善正面出光，其中出光面粗化技術(shù)是其中很重要的一類。一種現(xiàn)行方法是直接降低溫度生長粗糙的P型材料(US2006007272A1)。然而，生長溫度降低導(dǎo)致材料質(zhì)量劣化，對LED器件的光電性能和可靠性影響很大。另外，通過調(diào)整生長參數(shù)來控制樣品表面的粗糙程度，在外延工藝上不穩(wěn)定，以及P面粗化引起的黑白電極問題給芯片工藝也造成了復(fù)雜性。第二種方法是采用P面刻蝕的辦法。但是在GaN基LED結(jié)構(gòu)的P層非常薄，只有幾百納米的厚度，無論是干刻工藝和濕刻工藝都很難精確控制深度，而且對材料也會造成損傷。另一種可行方法是采用粗化透明電極層的辦法。目前已經(jīng)報道的類似工藝有采用單層鎳納米粒子作為掩膜刻蝕透明電極層(CN101702419A)，采用ZnO納米球作為掩膜沉積在透明電極層同時刻蝕ZnO和透明電極層形成粗化出光面(CN101740702A)，采用Si02納米球作為掩膜刻蝕ITO透明電極表面形成無序粗化的出光窗口(CN202616283)。但這些方法存在掩膜材料不易獲得，沒有實現(xiàn)商業(yè)化和工藝后處理比較復(fù)雜等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管及其制作方法，該發(fā)光二極管不僅能夠提高器件的出光效率，而且能夠改善器件尤其是大功率輸入時的散熱效率，明顯降低結(jié)溫。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管，包括在生長面設(shè)有多個凹形結(jié)構(gòu)的襯底，襯底生長面依次生長有第一半導(dǎo)體載流子注入層、發(fā)光結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體載流子注入層。
[0006]所述襯底為藍(lán)寶石襯底、SiC襯底或Si襯底。
[0007]所述襯底為平面襯底或圖形化襯底(S卩加工出具有圖形化結(jié)構(gòu)的襯底)。
[0008]所述第二半導(dǎo)體載流子注入層上形成有與襯底對應(yīng)的凹形結(jié)構(gòu)。
[0009]所述凹形結(jié)構(gòu)為呈陣列分布的圓孔或凹槽，優(yōu)選為呈陣列分布的圓孔。
[0010]一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管制作方法，包括如下兩個步驟:
1、凹形結(jié)構(gòu)加工步驟:通過濕刻或干刻法在襯底生長面上形成有序分布的直徑為5-10um凹形結(jié)構(gòu)陣列；
2、外延層生長步驟:米用MOCVD (Metal_organiC、Chemical Vapor D印osit1n)方法在襯底上依次生長第一半導(dǎo)體載流子注入層、多量子阱結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體載流子注入層。
[0011]所述外延層生長步驟包括如下三個步驟:
1、第一半導(dǎo)體載流子注入層生長步驟:先在400-600°C下在襯底上生長15-50nm的GaN緩沖層或在600-1000°C下在襯底上生長10-60nm的AlN緩沖層，再在900-1200°C下生長
1.5-4um的本征GaN層(非摻雜或低摻雜濃度GaN層)，然后在900-120(TC下生長1.5_4um的Si摻雜GaN層。
[0012]2、多量子阱結(jié)構(gòu)生長步驟:該步驟包括如下子步驟:
A、生長GaN層:將生長溫度設(shè)定在700-900°C，反應(yīng)器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮?dú)?，通入流量?0-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20_600s ；
B、生長InGaN層:將生長溫度設(shè)定在700-900°C，反應(yīng)器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮?dú)?，通入流量?0-600sccm的三乙基鎵，還通入流量為10-600sccm的三甲基銦，生長時間為20_600s ；
C、重復(fù)A和B子步驟形成一個量子阱周期，生長2-15個周期的量子阱。
[0013]3、第二半導(dǎo)體載流子注入層生長步驟:將生長溫度設(shè)定在800-120(TC，先生長10-200nm的鎂摻雜AlGaN層或AlInGaN層，再生長50_500nm的鎂摻雜GaN層。
[0014]上述所有外延層的表面均形成與襯底一致排列的凹形結(jié)構(gòu)陣列。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:能通過簡單的步驟制作出性能可靠、發(fā)光效率高的發(fā)光二極管，在襯底的出光面形成陣列分布的圓孔或凹槽能更有利于出光和散熱，提高出光效率，尤其能夠改善器件尤其是大功率輸入時的散熱效率，明顯降低結(jié)溫。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明提供的新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管的剖面示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明提供的新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管的俯視圖；
圖中，1-襯底，2-第一半導(dǎo)體載流子注入層，3-多量子阱結(jié)構(gòu)，4-第二半導(dǎo)體載流子注入層，5-圓孔。
【具體實施方式】
[0018]為了更具體地說明本發(fā)明，現(xiàn)給出若干實施例，但本發(fā)明所涉及的內(nèi)容并不僅僅局限于這些實施例。
[0019]實施例1:如圖1和圖2所不,一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管,包括設(shè)有多個陣列式分布圓孔(5)的藍(lán)寶石圖形化襯底(I )，在藍(lán)寶石襯底(I)生長面依次生長的第一半導(dǎo)體載流子注入層(2)、發(fā)光結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔(5)圖案相同。
[0020]實施例1的制作方法為: 1、通過濕刻法在PSS襯底(I)生長面上形成有序分布的直徑為5-10um圓孔(5)陣列；
2、用MOCVD法生長第一半導(dǎo)體載流子注入層(2):在襯底(I)上500°C生長15_50nm的GaN緩沖層，接著1000°C生長1.5_4um厚的本征GaN層和在1000°C下生長1.5_4um厚的Si慘雜GaN層；
3、用MOCVD法生長多量子阱結(jié)構(gòu)(3):A、生長GaN層:將生長溫度設(shè)定在800°C，反應(yīng)器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮?dú)?，通入流量?0-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20-600s ;B、生長InGaN層:將生長溫度設(shè)定在800°C，反應(yīng)器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮?dú)?，通入流量?0-600sccm的三乙基鎵，還通入流量為10-600sccm的三甲基銦，生長時間為20_600s ;C、重復(fù)A和B子步驟形成一個量子阱周期，生長2-15個周期的量子阱；
4、用MOCVD法生長第二半導(dǎo)體載流子注入層(4):將生長溫度設(shè)定在1000°C，先生長10-200nm厚的鎂摻雜AlGaN層，接著生長50_500nm厚的鎂摻雜GaN層。
[0021]實施例2:如圖1和圖2所示，一種新型出光結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管，包括設(shè)有多個陣列式分布圓孔(5)的藍(lán)寶石平面襯底(I )，在藍(lán)寶石襯底(I)生長面依次生長的第一半導(dǎo)體載流子注入層(2)、發(fā)光結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔(5)圖案相同。
[0022]實施例2的制作方法為:
1、通過濕刻法在平面襯底(I)生長面上形成有序分布的直徑為5-10um圓孔(5)陣列；
2、用MOCVD法生長第一半導(dǎo)體載流子注入層(2):在襯底(I)上550°C生長15_50nm的GaN緩沖層，接著1100°C生長1.5_4um厚的本征GaN層和在1100°C下生長1.5_4um厚的Si慘雜GaN層；