一種新型出光結構的GaN基發光二極體的製作方法

2023-04-28 05:57:11 2

一種新型出光結構的GaN基發光二極體的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括在生長面設有多個凹形結構的襯底，襯底生長面依次生長有第一半導體載流子注入層、發光結構和第二半導體載流子注入層，同時還公開了該GaN基發光二極體的製作方法，先通過溼刻或幹刻法在襯底生長面上形成有序分布的直徑為5-10um凹形結構陣列，再採用MOCVD方法在襯底上依次生長第一半導體載流子注入層、多量子阱結構和第二半導體載流子注入層。本實用新型製作出的發光二極體，性能可靠，發光效率高，且能顯著改善器件尤其是大功率輸入時的散熱效率，明顯降低結溫。
【專利說明】 一種新型出光結構的GaN基發光二極體
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於發光二極體領域，具體涉及一種新型出光結構的GaN基發光二極體。
【背景技術】
[0002]當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、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、低汙染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，以LED (發光二極體)為代表的半導體發光產品，具有節能、環保，以及光源壽命長、體積小等優點，正吸引著世人的目光。對於GaN基LED來說，GaN為2.5與空氣的折射係數相差很大，全反射角為24.5度左右。發光區產生的光在出光面大部分被反射回來，光線的多次反射，由於材料的吸收及非出光面逸光作用，正面出光的比例非常小，只佔4%。即使採用圖形襯底結構，出光比例也只有12%左右。
[0003]目前人們已採用了多種出光技術改善正面出光，其中出光面粗化技術是其中很重要的一類。一種現行方法是直接降低溫度生長粗糙的P型材料(US2006007272A1)。然而，生長溫度降低導致材料質量劣化，對LED器件的光電性能和可靠性影響很大。另外，通過調整生長參數來控制樣品表面的粗糙程度，在外延工藝上不穩定，以及P面粗化引起的黑白電極問題給晶片工藝也造成了複雜性。第二種方法是採用P面刻蝕的辦法。但是在GaN基LED結構的P層非常薄，只有幾百納米的厚度，無論是幹刻工藝和溼刻工藝都很難精確控制深度，而且對材料也會造成損傷。另一種可行方法是採用粗化透明電極層的辦法。目前已經報導的類似工藝有採用單層鎳納米粒子作為掩膜刻蝕透明電極層(CN101702419A)，採用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)，採用Si02納米球作為掩膜刻蝕Π0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，沒有實現商業化和工藝後處理比較複雜等問題。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本實用新型提供一種新型出光結構的GaN基發光二極體，該發光二極體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，明顯降低結溫。
[0005]為實現上述目的，本實用新型提供的技術方案是:一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括在生長面設有多個凹形結構的襯底，襯底生長面依次生長有第一半導體載流子注入層、發光結構和第二半導體載流子注入層。
[0006]所述襯底為藍寶石襯底、SiC襯底或Si襯底。
[0007]所述襯底為平面襯底或圖形化襯底(即加工出具有圖形化結構的襯底)。
[0008]所述第二半導體載流子注入層上形成有與襯底對應的凹形結構。
[0009]所述凹形結構為呈陣列分布的圓孔或凹槽，優選為呈陣列分布的圓孔。[0010]一種新型出光結構的GaN基發光二極體製作方法，包括如下兩個步驟:
[0011]1、凹形結構加工步驟:通過溼刻或幹刻法在襯底生長面上形成有序分布的直徑為5-10um凹形結構陣列。
[0012]2、外延層生長步驟:採用 MOCVD(Metal-organiC、Chemical Vapor Deposition)方法在襯底上依次生長第一半導體載流子注入層、多量子阱結構和第二半導體載流子注入層。
[0013]所述外延層生長步驟包括如下三個步驟:
[0014]1、第一半導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緩衝層或在600-1000°C下在襯底上生長10-60nm的AlN緩衝層，再在900-1200°C下生長1.5-4um的本徵GaN層(非摻雜或低摻雜濃度GaN層)，然後在900-1200°C下生長
1.5-4um 的 Si 摻雜 GaN 層。
[0015]2、多量子阱結構生長步驟:該步驟包括如下子步驟:
[0016]A、生長GaN層:將生長溫度設定在700-900°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20_600s ；
[0017]B、生長InGaN層:將生長溫度設定在700-900°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm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 ；
[0018]C、重複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。
[0019]3、第二半導體載流子注入層生長步驟:將生長溫度設定在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。
[0020]上述所有外延層的表面均形成與襯底一致排列的凹形結構陣列。
[0021]本實用新型的有益效果為:能通過簡單的步驟製作出性能可靠、發光效率高的發光二極體，在襯底的出光面形成陣列分布的圓孔或凹槽能更有利於出光和散熱，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，明顯降低結溫。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型提供的新型出光結構的GaN基發光二極體的剖面示意圖。
[0023]圖2為本實用新型提供的新型出光結構的GaN基發光二極體的俯視圖。
[0024]圖中，1-襯底，2-第一半導體載流子注入層，3-多量子阱結構，4-第二半導體載流子注入層，5-圓孔。
【具體實施方式】
[0025]為了更具體地說明本實用新型，現給出若干實施例，但本實用新型所涉及的內容並不僅僅局限於這些實施例。
[0026]實施例1:如圖1和圖2所示，一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括設有多個陣列式分布圓孔(5)的藍寶石圖形化襯底(I )，在藍寶石襯底(I)生長面依次生長的第一半導體載流子注入層(2)、發光結構和第二半導體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔(5)圖案相同。[0027]實施例1的製作方法為:
[0028]1、通過溼刻法在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。
[0029]2、用MOCVD法生長第一半導體載流子注入層(2):在襯底(I)上500°C生長15-50.的GaN緩衝層，接著1000°C生長1.5-4um厚的本徵GaN層和在1000°C下生長1.5-4um厚的Si摻雜GaN層。
[0030]3、用MOCVD法生長多量子阱結構(3):A、生長GaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20-600s ;B、生長InGaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm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、重複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。
[0031]4、用MOCVD法生長第二半導體載流子注入層(4):將生長溫度設定在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。
[0032]實施例2:如圖1和圖2所示，一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括設有多個陣列式分布圓孔(5)的藍寶石平面襯底(I )，在藍寶石襯底(I)生長面依次生長的第一半導體載流子注入層(2)、發光結構和第二半導體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔(5)圖案相同。
[0033]實施例2的製作方法為:
[0034]1、通過溼刻法在平面襯底(I)生長面上形成有序分布的直徑為5-10um圓孔(5)陣列。
[0035]2、用MOCVD法生長第一半導體載流子注入層(2 ):在襯底(I)上550 °C生長15_50nm的GaN緩衝層，接著1100°C生長1.5-4um厚的本徵GaN層和在1100°C下生長1.5-4um厚的Si摻雜GaN層。
[0036]3、用MOCVD法生長多量子阱結構(3):A、生長GaN層:將生長溫度設定在850°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20-600s ;B、生長InGaN層:將生長溫度設定在850°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm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、重複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。
[0037]4、用MOCVD法生長第二半導體載流子注入層(4):將生長溫度設定在1100°C，先生長10-200nm厚的鎂摻雜AlInGaN層，接著生長50-500nm厚的鎂摻雜GaN層。
[0038]實施例3:如圖1和圖2所示，一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括設有多個陣列式分布圓孔(5)的Si平面襯底(I)，在Si襯底(I)生長面依次生長的第一半導體載流子注入層(2)、發光結構和第二半導體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔
(5)圖案相同。
[0039]實施例3的製作方法為:
[0040]1、通過溼刻法在平面襯底(I)生長面上形成有序分布的直徑為5-10um圓孔(5)陣列。[0041 ] 2、用MOCVD法生長第一半導體載流子注入層(2 ):在襯底(I)上650 °C生長15_50nm的AlN緩衝層，接著1000°C生長1.5-4um厚的本徵GaN層和在1000°C下生長1.5-4um厚的Si摻雜GaN層。
[0042]3、用MOCVD法生長多量子阱結構(3):A、生長GaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20-600s ;B、生長InGaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm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、重複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。
[0043]4、用MOCVD法生長第二半導體載流子注入層(4):將生長溫度設定在950°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。
[0044]實施例4:如圖1和圖2所示，一種新型出光結構的GaN基發光二極體，包括設有多個陣列式分布圓孔(5)的SiC平面襯底(I )，在SiC平面襯底(I)生長面依次生長的第一半導體載流子注入層(2)、發光結構和第二半導體載流子注入層(4)，生長時各層所形成的圓孔(5)圖案相同。
[0045]實施例4的製作方法為:
[0046]1、通過溼刻法在平面襯底(I)生長面上形成有序分布的直徑為5-10um圓孔(5)陣列。
[0047]2、用MOCVD法生長第一半導體載流子注入層(2):在襯底(I)上900°C生長15_50nm的AlN緩衝層，接著1100°C生長1.5-4um厚的本徵GaN層和在1100°C下生長1.5-4um厚的Si摻雜GaN層。
[0048]3、用MOCVD法生長多量子阱結構(3):A、生長GaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm的三乙基鎵，生長時間為20-600s ;B、生長InGaN層:將生長溫度設定在800°C，反應器的壓力為100-500Torr，通入10-60L的高純氨氣和10-90L的高純氮氣，通入流量為10-600sccm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、重複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。
[0049]4、用MOCVD法生長第二半導體載流子注入層(4):將生長溫度設定在1100°C，先生長10-200nm厚的鎂摻雜AlInGaN層，接著生長50-500nm厚的鎂摻雜GaN層。
【權利要求】
1.一種新型出光結構的GaN基發光二極體，其特徵在於:包括在生長面設有多個凹形結構的襯底，襯底生長面依次生長有第一半導體載流子注入層、發光結構和第二半導體載流子注入層。
2.根據權利要求1所述的新型出光結構的GaN基發光二極體，其特徵在於:所述襯底為藍寶石襯底、SiC襯底或Si襯底。
3.根據權利要求1或2所述的新型出光結構的GaN基發光二極體，其特徵在於:所述襯底為平面襯底或圖形化襯底。
4.根據權利要求1所述的新型出光結構的GaN基發光二極體，其特徵在於:所述第二半導體載流子注入層上形成有與襯底對應的凹形結構。
5.根據權利要求1或4所述的新型出光結構的GaN基發光二極體，其特徵在於:所述凹形結構為呈陣列分布的圓孔或凹槽。
【文檔編號】H01L33/00GK203607445SQ201320659636
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】郝銳, 林振賢, 林永祥, 汪俊翰 申請人:廣東德力光電有限公司