具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法
2023-05-26 04:56:01
具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法
【專利摘要】一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，包含：在襯底上依次外延形核層、非摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、有源層、電子阻擋層和p型氮化鎵層；在p型氮化鎵層的表面旋塗第一光刻膠；在第一光刻膠上製作第一單層納米球薄膜；光刻，在第一光刻膠上形成圖形；以第一光刻膠作為掩膜，刻蝕p型氮化鎵層，在p型氮化鎵層上形成多孔狀或柱狀的光子晶體；在多孔狀的光子晶體表面旋塗第二光刻膠；在第二光刻膠上製作第二單層納米球薄膜；光刻，在第二光刻膠上形成圖形；以第二光刻膠作為掩膜，刻蝕p型氮化鎵層，在多孔狀的光子晶體上形成具有波導結構的光子晶體；製作電極，完成正裝結構的製作。
【專利說明】具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體【技術領域】，特別是涉及一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法。
【背景技術】
[0002]發光二極體具有節能環保等優點受到廣泛重視。尤其大功率白光二極體作為第三代照明光源已經由室外裝飾、工程照明逐漸走進家庭室內照明，在未來幾年有可能取代白熾燈、螢光燈。
[0003]發光效率是發光二極體的一個重要參數，表示二極體把電轉換為光的能力。影響發光二極體光效的主要因素有電注入效率、內量子阱效率、光提取效率。通過晶片結構和外延技術的優化和改進電注入效率和內量子阱效率都已達到較高值，其中氮化鎵基發光二極體內量子阱效率已普遍達到70 %以上。而目前發光二極體光提取效率依然較低，成為限制發光二極體光效的主要因素，平面襯底發光二極體光提取效率只有21%。發光二極體光提取效率較低主要是因為晶片材料折射率一般較大，光在晶片與空氣的界面處發生全反射，而全反射角較小，只有很少一部分(I / 4η2)光能被提取出去。波長為460nm的光在氮化鎵中的折射率為2.4，空氣界面處全反射臨界角較小只有23.5°，理論上只有約4%的光能被提取出去，其餘被反射的光在晶片內部以波導形式存在直至被吸收。
[0004]目前，提高發光二極體光提取效率的方法主要包含三類:一、通過幾何光學原理，減小出射光的入射角使其小於全反射臨界角，提高發光二極體光提取效率，如表面粗化、倒梯形晶片等。表面粗化技術工藝簡單、成本低，目前已被普遍使用。由於氮化鎵材料硬度大，將晶片加工成倒梯形較困難，目前使用此方法的產品較少，只有Cree公司在碳化矽襯底晶片上使用此方法。二、通過波動光學原理，利用周期性光子晶體結構將波導模式光散射到輻射模式，提高發光二極體的光提取效率。光子晶體具有很強的設計性，不僅能有效提高發光二極體的光提取效率，還能控制發光二極體的光場分布，有效控制發光方向性。三、在晶片表面製作波導結構，減小界面處光損失。波導結構是基於光子晶體的一種改進方法。傳統光子晶體為直徑上下均一的多孔狀結構或柱狀結構，在光子晶體內部其有效折射率為一恆定值。波導結構是改變光子晶體表層或底層佔空比，使光子晶體表層有效折射率較小、底層有效折射率較大，形成波導層。這樣的波導結構在保留了光子晶體對波導模式光的散射作用的同時減小了光在界面處的損失，進一步提高了發光二極體的光提取效率。
[0005]波導結構光子晶體發光二極體是一個全新的概念，目前還沒有成熟的波導結構光子晶體製備方法，能改變光子晶體佔空比的方法主要有以下兩種:
[0006]通過光刻等工藝製作出倒梯形光刻膠掩膜，再通過感應耦合等離子刻蝕(ICP)工藝將圖形轉移到晶片。
[0007]主要缺點:光刻工藝受光波長限制，普通光刻特徵尺寸較大，不能滿足最優晶格尺寸要求；倒梯形掩膜製作困難，角度很難控制。
[0008]用聚苯乙烯納米球、SiO2納米球做掩膜，通過感應耦合等離子體刻蝕錐形光子晶體。
[0009]主要缺點:掩膜製作困難，均一性差，刻蝕深度受掩膜、晶格尺寸影響較大，不能產業化推廣。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於，提供一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其是將光子晶體和波導層分開製作，使光子晶體層和波導層的製備不相互限制，製作工藝簡單，波導結構導光效果更好。
[0011]本發明提供一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，包含以下步驟:
[0012]步驟1:在襯底上依次外延形核層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層；
[0013]步驟2:在P型氮化鎵層的表面旋塗第一光刻膠；
[0014]步驟3:在第一光刻膠上製作第一單層納米球薄膜；
[0015]步驟4:光刻，在第一光刻膠上形成圖形；
[0016]步驟5:以第一光刻膠作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層，在P型氮化鎵層上形成多孔狀或柱狀的光子晶體；
[0017]步驟6:在多孔狀的光子晶體表面旋塗第二光刻膠；
[0018]步驟7:在第二光刻膠上製作第二單層納米球薄膜；
[0019]步驟8:光刻，在第二光刻膠上形成圖形；
[0020]步驟9:以第二光刻膠作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層，在多孔狀的光子晶體上形成具有波導結構的光子晶體；
[0021]步驟10:製作電極，完成正裝結構的製作。
[0022]本發明的有益效果是，其是將光子晶體和波導層分開製作，使光子晶體層和波導層的製備不相互限制，製作工藝簡單，波導結構導光效果更好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0024]圖1是本發明的製作方法流程圖；
[0025]圖2-圖9是本發明的製作結構流程圖。
【具體實施方式】
[0026]所述發光二極體可以是正裝結構、倒裝結構或垂直結構。在正裝結構中，波導結構光子晶體製作在P型接觸層、透明電極或同時製作在P型接觸層和透明電極這兩層；在倒裝結構中，波導結構光子晶體製作在表層襯底中；在垂直結構中，波導結構光子晶體製作在η型接觸層。
[0027]所述波導層製作在光子晶體底層或表層，厚度可為小於光子晶體厚度的任意值。所述波導層是通過改變光子晶體底層或表層佔空比，從而改變光子晶體底層或表層有效折射率獲得波導結構。如所述光子晶體為多孔狀光子晶體，當波導層在所述光子晶體底層時，所述波導層佔空比應小於光子晶體結構的佔空比；當波導結構在所述光子晶體表層時，所述波導表層佔空比應大於光子晶體結構的佔空比。如所述光子晶體為柱狀光子晶體，當波導層在所述光子晶體底層時，所述波導層佔空比應大於光子晶體結構的佔空比；當波導結構在所述光子晶體表層時，所述波導層佔空比應小於光子晶體結構的佔空比。
[0028]所述光子晶體的製作方法包括，納米壓印、電子束曝光、雷射全息曝光幹涉、陽極氧化鋁模板合成法或納米球球自組裝；所述光子晶體圖形可為三角形、方形、六角形分布或其他任意形狀排布。
[0029]實施例1
[0030]請參閱圖1及圖2-圖9所示，本發明提供一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，包含以下步驟:
[0031]步驟1:在襯底10上依次外延氮化鎵成核層11、非摻雜氮化鎵層12、n型氮化鎵層13、有源層14、P型電子阻擋層15和P型氮化鎵層16，所述襯底10的材料可為(0001)晶向藍寶石(Al2O3)、R_面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常數接近氮化物半導體的單晶氧化物(參閱圖2)；
[0032]步驟2:在P型氮化鎵層16的表面旋塗第一光刻膠17 (參閱圖3)；
[0033]步驟3:在第一光刻膠17上製作第一單層納米球薄膜18 (參閱圖3)；
[0034]步驟4:光刻，在第一光刻膠17上形成圖形，所述圖形的其它製作方法包括，納米壓印、電子束曝光、雷射全息幹涉曝光、陽極氧化鋁模板合成法或納米球自組裝(參閱圖4)；
[0035]步驟5:以第一光刻膠17作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層16，在P型氮化鎵層16上形成多孔狀或柱狀的光子晶體(參閱圖5)；
[0036]步驟6:在多孔狀的光子晶體16表面旋塗第二光刻膠19 (參閱圖6)；
[0037]其中所述波導結構光子晶體的晶格常數為100-10000納米，孔的深度或柱高度為20-2000納米，孔或柱的排布為三角形、方形、六角形分布或其他任意形狀排布(參閱圖6)。
[0038]步驟7:在第二光刻膠19上製作第二單層納米球薄膜20 (參閱圖7)；
[0039]步驟8:光刻，在第二光刻膠19上形成圖形(參閱圖8)；
[0040]步驟9:以第二光刻膠19作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層16，在多孔狀的光子晶體上形成具有波導結構的光子晶體(參閱圖9)；
[0041]步驟10:製作電極，完成正裝結構發光二極體的製作。
[0042]其中在所述步驟2之前，還可以在P型氮化鎵層16上生長透明電極，所述光子晶體製作在透明電極上。
[0043]實施例2
[0044]本實施例2與實施例1基本相同，不同之處在於，其中所述光子晶體是製作在襯底10上，再在製作有光子晶體的襯底上依次外延形核層11、非摻雜氮化鎵層12、n型氮化鎵層13、有源層14、電子阻擋層15和P型氮化鎵層16，形成倒裝結構的發光二極體。
[0045]實施例3
[0046]本實施例3與實施例1基本相同，不同之處在於，其中在步驟I之後，再在P型氮化鎵層16上製作一層上襯底，該上襯底的材料為銅或矽，剝離掉襯底10，在形核層11和非摻雜氮化鎵層12上製作光子晶體,形成垂直結構的發光二極體。[0047]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，包含以下步驟: 步驟1:在襯底上依次外延形核層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層； 步驟2:在P型氮化鎵層的表面旋塗第一光刻膠； 步驟3:在第一光刻膠上製作第一單層納米球薄膜； 步驟4:光刻，在第一光刻膠上形成圖形； 步驟5:以第一光刻膠作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層，在P型氮化鎵層上形成多孔狀或柱狀的光子晶體； 步驟6:在多孔狀的光子晶體表面旋塗第二光刻膠； 步驟7:在第二光刻膠上製作第二單層納米球薄膜； 步驟8:光刻，在第二光刻膠上形成圖形； 步驟9:以第二光刻膠作為掩膜，刻蝕P型氮化鎵層，在多孔狀的光子晶體上形成具有波導結構的光子晶體； 步驟10:製作電極，完成正裝結構的製作。
2.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中在所述步驟2之前，在P型氮化鎵層上生長透明電極，所述光子晶體製作在透明電極上。
3.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中所述光子晶體是製作在襯底上，再在製作有光子晶體的襯底上依次外延形核層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層，形成倒裝結構的發光二極體。
4.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中在步驟I之後，再在P型氮化鎵層上製作一層上襯底，剝離掉襯底，在形核層和非摻雜氮化鎵層上製作光子晶體，形成垂直結構的發光二極體。
5.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中襯底的材料為(0001)晶向藍寶石「1203)、1?-面或4-面的氧化鋁單晶、6!1^(:、4!1^(:、或晶格常數接近氮化物半導體的單晶氧化物。
6.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中上襯底的材料為銅或娃。
7.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中所述波導結構光子晶體的晶格常數為100-10000納米，孔的深度或柱高度為20-2000納米，孔或柱的排布為三角形、方形、六角形分布或其他任意形狀排布。
8.如權利要求1所述具有波導結構光子晶體發光二極體的製作方法，其中所述圖形的製作方法包括，納米壓印、電子束曝光、雷射全息幹涉曝光、陽極氧化鋁模板合成法或納米球自組裝。
【文檔編號】H01L33/00GK103904175SQ201410158350
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】甄愛功, 馬平, 張勇輝, 田迎冬, 郭恩卿, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所