分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極的製作方法

2023-09-17 16:06:05

專利名稱：分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電極，尤其是涉及ー種適用於發光二極體(LED)的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電扱。
背景技術：
當前，面對全球不可再生資源瀕臨枯竭的現狀，節約能源已成為21世紀的核心課題。照明在世界能源總消耗中舉足輕重，因此，新一代節能光源的研究受到了越來越多的關注。發光二極體(LED)作為新型高效的固態光源，具有長壽命、節能環保、色彩豐富等顯著優點，成為了繼白熾燈和螢光燈之後的理想的第三代光源。近年來，隨著半導體製造技術的不斷發展，大功率發光二極體在交通、照明、軍事等領域的應用日益廣泛。
然而，對於大功率發光二極體而言，其金屬電極與半導體基底的接觸面積也相應増大，這使得部分LED發出的光被電極所遮擋並吸收，造成光輸出功率嚴重損失，從而制約了 LED出光效率的進ー步提高。於是，人們針對LED出光效率低的問題，從器件結構方面提出了具體的解決方案，如製作倒裝晶片結構、陣列結構電極等(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.)。在倒裝晶片結構中，利用藍寶石襯底面為出光窗ロ，從而減少電極對光的遮擋，使得發光效率有所提高；但其以犧牲藍寶石一側電流擴展均勻性和另ー側GaN面的出射光為代價。在陣列電極結構中，通過合理設計陣列分布，可以有效地減少金屬與半導體基底的相對接觸面積，改善電流擴展的均勻性，但是GaN面對光的吸收仍然嚴重。因此，如何提高大功率發光二極體的出光效率，並改善其橫向電流擴展的均勻性，已成為現今發光二極體研究領域內亟待解決的問題。

發明內容
本發明g在提供ー種可抑制發光二極體金屬電極吸收光較強的負面效應，改善發光二極體橫向電流擴展均勻性的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極。本發明設有分布式布拉格反射(DBR)結構、小面積金屬歐姆接觸陣列和半導體基底；所述分布式布拉格反射(DBR)結構設在半導體基底上，所述分布式布拉格反射(DBR)結構為多層介質，所述多層介質由至少I層高折射率介質層和至少I層低折射率介質層交替組成的膜堆；所述小面積金屬歐姆接觸陣列與分布式布拉格反射(DBR)結構複合並貫穿分布式布拉格反射(DBR)結構再與半導體基底歐姆接觸並形成複合三維電極。所述多層介質可設有20個周期的GaN/AIN多層介質膜和10個周期的Hf02/Si02多層介質膜結構，可測得該DBR結構的反射率高達98%。所述小面積金屬歐姆接觸陣列可通過沉積ー層金屬薄膜彼此互連，金屬薄膜與電極陣列緊密接觸，有助於電流的均勻擴散，改善器件的性能。所述金屬薄膜可採用Au膜或Ag膜等。本發明為分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，即分布式布拉格反射(DBR)結構與小面積金屬歐姆接觸陣列複合成的半導體光電子器件的三維電扱。所述多層膜堆的每層材料的光學厚度為LED有源區發光波長的四分之一，從而形成了針對LED發光波段的高反射鏡，能夠將射向三維電極的光反射回去，進而最大限度地消除金屬擴展層對光的吸收。分布式布拉格反射(DBR)結構的主要特性在於其設計波長的最高反射率和反射帶寬。反射率會隨著薄膜周期數的增加而増大，理論上能夠接近100%;而反射帶寬則取決於不同材料的折射率差值，差值越大帶寬越寬，此外薄膜周期數増加也會使得反射帶帶邊更為陡峭。最常應用於GaN基藍光LED和深紫外LED的DBR結構是GaN/AlN、AlxGai_xN/AlN或 者Hf02/Si02材料。本發明生長20個周期的GaN/AIN多層膜和10個周期的Hf02/Si02多層介質膜結構，可測得該DBR結構的反射率高達98%。本發明所述的小面積金屬陣列與半導體基底歐姆接觸，其貫穿分布式布拉格反射(DBR)結構，從而形成複合三維電極I)金屬陣列的間距取決於接觸面積和預期電流密度的大小。採用以亞波長尺度為直徑的金屬陣列可以有效地減少金屬與半導體基底的相對接觸面積，進而減小電極對光的遮擋及吸收；電極陣列(可呈均勻或非均勻分布)在滿足小接觸面積的同時彼此相隔一定間距，避免造成電極局部電流密度太大，以期實現橫向電流均勻擴展。2)表面等離子體激元可以在光滑或粗糙的金屬表面傳播，其產生與金屬材料的種類和直徑密切相關。不同金屬與半導體材料界面體系所需的共振能量，即所對應的LED發光波長，各不相同。Al與GaN界面的SPPs共振能量約為5eV (250nm)，使得Al成為深紫外區域產生SPPs的最佳選擇，而Ag、Au等多用於可見光波段。3)當接觸金屬的直徑足夠小時(亞波長)，周期性凹凸變化的金屬納米結構表面的自由電子將通過與光子的相互作用，激發出SPPs並與入射光發生耦合共振，使電子、空穴對在金屬與半導體接觸界面處再次發生輻射複合，降低光損耗；另一方面，當小面積金屬接觸點與LED有源區的距離足夠近(幾十納米)時，在SPPs共振頻率的能量與量子阱中偶極子的能量相一致的情況下，將直接俘獲有源區中的偶極子發生輻射複合並釋放出光子，提高電子、空穴對的輻射複合機率，最終提高器件的外量子效率。本發明所述的小面積陣列通過沉積ー層金屬薄膜(Au或Ag等)彼此互連，金屬薄膜與電極陣列緊密接觸，有助於電流的均勻擴散，改善器件的性能。本發明g在利用金屬微納米結構易形成表面等離子體激元這一特性，將被吸收的光能重新以光的形式發射，同時，利用表面等離子體激元(SPPs)與有源區載流子的耦合，提高發光二極體的輻射發光效率。


圖I為本發明實施例的剖面結構示意圖。圖2為本發明實施例從半導體基底一側俯視的電極陣列(MXN，M > 2，N > 2)分布圖。在圖2中，結構為10X10陣列。
在圖I和2中，各標記為I一分布式布拉格反射(DBR)結構，2—小面積金屬陣列，3—半導體基底，4一分布式布拉格反射(DBR)結構的高折射率介質層，5—分布式布拉格反射(DBR)結構的低折射率介質層，6-金屬薄膜。
具體實施例方式下面結合圖I和2，詳細介紹本發明實施例的具體結構及其所採用的常規製備エ藝和設備。實施例I首先利用金屬有機物氣相外延(MOVPE)技術在藍寶石襯底上製備直徑為5. 08cm 的半導體基底，通過調控量子阱的組分，可實現發光波長為280nm的深紫外LED結構。同吋，原位生長20個周期的GaN/AIN多層膜DBR結構，每層介質膜的光學厚度為70nm。其按照高折射率(280nm波長對應的GaN的折射率約為2. 51)介質層4和低折射率(280nm波長對應的AlN的折射率約為2. 32)介質層5的先後順序交替沉積而成，然後使用分光光度計測試其反射率，該DBR結構反射率可達98%。對半導體基底掩膜光刻後，採用電感耦合等離子體(ICP)技術進行刻蝕。通過化學清洗去除掩膜層後，採用高真空熱蒸發或濺射方法沉積金屬(對於P型III族氮化物，歐姆接觸的金屬為Ni/Au或Ni/Pt/Au等其它組合；對於η型III族氮化物，歐姆接觸的金屬為Ti/Al/Ti等組合)。在氮氣氛圍中快速退火幾十秒使金屬陣列(MXN，M彡2，N彡2)與半導體基底3形成歐姆接觸。再利用高真空熱蒸發或濺射方法在小面積金屬陣列上沉積ー層金屬薄膜6，如Au、Ag等，以形成電極。實施例2首先利用金屬有機物氣相外延(MOVPE)技術在藍寶石襯底上製備直徑為5. 08cm的半導體基底，通過調控量子阱的組分，可實現發光波長為460nm的藍光LED結構。對半導體基底掩膜光刻後，採用電感耦合等離子體(ICP)技術進行刻蝕。再通過高真空熱蒸發或濺射方法沉積金屬(對於P型III族氮化物，歐姆接觸的金屬為Ni/Au或Ni/Pt/Au等其它組合；對於η型III族氮化物，歐姆接觸的金屬為Ti/Al/Ti等組合)。在氮氣氛圍下快速退火幾十秒使金屬陣列(MXN，2, 2)與半導體基底3形成歐姆接觸。通過化學清洗去除掩膜層，使金屬陣列與半導體基底直接接觸相連成為一體，呈柱狀。利用高真空熱蒸發或濺射方法在金屬陣列的間隙沉積10個周期的Hf02/Si02多層膜DBR結構，其按照高折射率(460nm波長對應的HfO2的折射率約為I. 89)介質層4和低折射率(460nm波長對應的SiO2的折射率約為I. 46)介質層5的先後順序交替沉積而成，每層介質材料的光學厚度為115nm。從而使小面積金屬陣列2貫穿分布式布拉格反射(DBR)結構I，形成複合三維電極。採用ICP技術刻蝕去除金屬柱狀陣列上覆蓋的HfO2和SiO2殘留材料，再通過高真空熱蒸發或濺射方法在小面積金屬陣列上沉積ー層金屬薄膜6，如Au或Ag等，以形成電極。
權利要求
1.分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，其特徵在於設有分布式布拉格反射結構、小面積金屬歐姆接觸陣列和半導體基底；所述分布式布拉格反射結構設在半導體基底上，所述分布式布拉格反射結構為多層介質，所述多層介質由至少I層高折射率介質層和至少I層低折射率介質層交替組成的膜堆；所述小面積金屬歐姆接觸陣列與分布式布拉格反射結構複合並貫穿分布式布拉格反射結構再與半導體基底歐姆接觸並形成複合三維電極。
2.如權利要求I所述的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，其特徵在於所述多層介質設有20個周期的GaN/AIN多層介質膜和10個周期的Hf02/Si02多層介質膜結構。
3.如權利要求I所述的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，其特徵在於所述小面積金屬歐姆接觸陣列通過沉積一層金屬薄膜彼此互連，金屬薄膜與電極陣列緊密接觸。
4.如權利要求3所述的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，其特徵在於所述金屬薄膜採用Au膜或Ag膜。
全文摘要
分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極，涉及一種電極。提供一種可抑制發光二極體金屬電極吸收光較強的負面效應，改善發光二極體橫向電流擴展均勻性的分布式布拉格反射與小面積金屬接觸複合三維電極。設有分布式布拉格反射結構、小面積金屬歐姆接觸陣列和半導體基底；分布式布拉格反射結構設在半導體基底上，分布式布拉格反射結構為多層介質，所述多層介質由至少1層高折射率介質層和至少1層低折射率介質層交替組成的膜堆；所述小面積金屬歐姆接觸陣列與分布式布拉格反射結構複合並貫穿分布式布拉格反射結構再與半導體基底歐姆接觸並形成複合三維電極。
文檔編號H01L33/38GK102820398SQ201210319019
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者康俊勇, 高娜, 楊旭, 李金釵, 李書平 申請人:廈門大學