CN106159049A - 具有微纳结构钝化层的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了具有微纳结构钝化层的半导体器件，包括：衬底；缓冲层，位于衬底之上；第一外延层，位于缓冲层之上；第一电极，从第一外延层伸出；有源发光层，位于第一外延层没有伸出第一电极的部分上；第二外延层，位于有源发光层之上；导电层，位于第二外延层之上；含有微纳结构的复合钝化层，位于导电层之上；第二电极，位于复合钝化层之上。本发明通过含有微纳结构的复合钝化层，不仅具有良好的热稳定性和优异的化学钝化特性，而且可以消除界面全反射并优化出光角度，从而获得发光二极管出光效率的大幅度提升。
Description
技术领域
本发明属于电子领域，尤其涉及一种光电子器件。
背景技术
发光二极管由于其具有体积小、寿命长、效率高、高耐震性、同时耗电量少、发热少，广泛应用到日常生活中的各项用品，如各种家电的指示灯或光源等。近年来更由于多色彩及高亮度化的发展趋势，应用范围更向户外显示发展如照明灯、大型户外显示屏、交通信号灯等。
半导体表面是具有特殊性质的表面，对外界气氛极为敏感，严重的影响半导体器件的特性，半导体LED也不例外。为了提高器件的可靠性和稳定性，必须对表面采取有效地保护措施。由于钝化层的生长是在完成电极制备之后，因此生长温度不宜过高，否则电极性能会变坏。而低温下生长的钝化层往往存在黏附性不好，易剥落，致密度差，针孔密度大等缺点。现有的LED行业一般都是使用SiO2或SiNx做钝化层，但是对于LED器件来说，它们不能很好地实现LED的电学特性和光学特性。
发明内容
本发明的一个目的在于提高包括发光二极管在内的光电子器件的出光效率。
本发明提供了一种光电子器件，包括：衬底；缓冲层，位于衬底之上；第一外延层，位于缓冲层之上；第一电极，从第一外延层伸出；有源发光层，位于第一外延层没有伸出第一电极的部分上；第二外延层，位于有源发光层之上；导电层，位于第二外延层之上；含有微纳结构的复合钝化层，位于导电层之上；第二电极，位于复合钝化层之上。
可选地，含有微纳结构的复合钝化层包括：Al2O3钝化层，位于导电层之上；含有微纳结构的透明介质层，位于Al2O3钝化层上。
可选地，透明介质层含有的微纳结构从空气孔型和介质柱型中选择。
可选地，透明介质层含有的微纳结构形状可以为锥形、柱形、台形、半球形中的至少一种。
可选地，透明介质层含有的微纳结构包含微米尺寸的周期结构，其周期范围为1-10μm，周期结构的高度为0.1-2μm。
可选地，透明介质层含有的微纳结构包含纳米尺寸的周期光子晶体结构，其周期范围为100-1000nm，周期光子晶体结构的高度为50-1000nm。
可选地，透明介质层含有的微纳结构是由两种或两种以上介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。
可选地，所述周期性排列包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列、光子准晶排列中的至少一种。
可选地，光子准晶排列包括五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称的光子准晶排列中的至少一种。
可选地，光电子器件包括蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化硅、硅衬底的发光二极管、以及需要提高某一波段透射率的其它光电子器件中的至少一种。
可选地，透明介质层的组成材料包括SiO2、SiNx或SiOxNy中的一种或者它们的任意组合，x、y为正整数。
由于本发明采用含有微纳结构的复合钝化层，微米尺寸结构可以改变出射光的出射角度，使更多的光线满足出射条件，而纳米尺寸的光子晶体结构，可以限制出射光并将其耦合到空气中，两者都可以显著地提高光电子器件的出光效率。
另外，针对现有技术使用SiO2或SiNx做为LED钝化层的固有缺陷，本发明提出了一种包括Al2O3和SiO2(SiNx或SiOxNy)的新型钝化层结构，其中Al2O3在Al2O3钝化层中，SiO2(SiNx或SiOxNy)在含有微纳结构的透明介质层中。一方面，由于Al2O3薄膜具有良好的热稳定性和优异的化学钝化特性，且其黏附性好、致密度高和均匀性好，可为光电子器件提供良好的表面钝化效果。另一方面，Al2O3材料的折射率介于透明导电层(ITO)和SiO2之间，可以形成梯度折射率，从而有效提高了光电子器件的出光效率。同时，由于Al2O3和SiO2(SiNx或SiOxNy)可以进行选择性刻蚀，刻蚀SiO2(SiNx或SiOxNy)的氟基会终止在Al2O3表面，这样在SiO2薄膜层中制作微纳结构时，就可以避免损伤透明导电层，影响其电流分布。本发明能大幅度提高发光二极管的表面钝化效果，并能显著提高发光二极管的光提取效率，提高光电子器件的可靠性和稳定性，以及现有钝化层结构不能很好实现其电学及光学特性等问题。本发明提供的含有微纳结构复合钝化层具有黏附性好、致密度高和均匀性好，并且能够显著提高出光效率等多项优点。
另外，Al2O3薄膜具有良好的热稳定性和优异的化学钝化特性，且其黏附性好、致密度高和均匀性好，采用Al2O3薄膜钝化的GaN LED的表面漏电流比常规SiO2钝化的GaN LED降低一个数量级以上。
附图说明
图1为本发明具有微纳结构钝化层的发光二极管的立体结构示意图；
图2(a)-(d)分别为发光二极管钝化层中正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列、十二重对称的光子准晶排列的微纳结构俯视图；
图3(a)-(d)为发光二极管的微纳结构分别呈锥形、柱形、台形、半球形的侧视图。
图4为10纳米Al2O3与600纳米厚度SiO2薄膜组成的复合钝化层经过等离子体刻蚀后在表面形成的周期性纳米结构示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的LED的光输出功率曲线与现有技术的LED的光输出功率曲线的对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示本发明的一个实施例提供了一种光电子器件(在一个实施例中是LED，但也可以是其它光电子器件)，包括：
衬底101(在一个实施例中是外延衬底，但也可以是其它衬底)；
缓冲层102，位于衬底101之上；
第一外延层103，位于缓冲层102之上，在一个实施例中是n型GaN外延层；
第一电极104，从第一外延层103伸出，在一个实施例中是n型电极；
有源发光层105，生长有InGaN多量子阱，位于第一外延层103没有伸出第一电极104的部分上；
第二外延层106，位于有源发光层105之上，在一个实施例中是p型GaN外延层；
导电层107，位于第二外延层106之上，在一个实施例中是透明的；
含有微纳结构的复合钝化层108,109，位于导电层107之上；
第二电极110，位于复合钝化层108,109之上，在一个实施例中是p型电极。
虽然在上述实施例中，第一外延层103是n型GaN外延层，第二外延层106是p型GaN外延层，但也有可能反之。
虽然在上述实施例中，第一电极104是n型电极，第二电极110是p型电极，但也有可能反之。
可选地，含有微纳结构的复合钝化层108,109包括：
Al2O3钝化层108，位于导电层107之上；
含有微纳结构的透明介质层109，位于Al2O3钝化层上。
可选地，透明介质层109含有的微纳结构从空气孔型和介质柱型中选择。
透明介质层109含有的空气孔型或介质柱型的微纳结构形状可以为锥形、柱形、台形、半球形中的至少一种。图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为发光二极管的锥形、柱形、台形、半球形微纳结构钝化层的结构示意图。锥形包括圆锥和棱锥。柱形包括圆柱和棱柱。台形包括圆台和棱台。
透明介质层109含有的微纳结构是由两种或两种以上介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。
所述周期性排列包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列、光子准晶排列中的至少一种，其中光子准晶排列包括五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称的光子准晶排列中的至少一种。
图2(a)-(d)分别为发光二极管钝化层中正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列、十二重对称的光子准晶排列的微纳结构示意图。
透明介质层109含有的微纳结构包含微米尺寸的周期结构，优选地，其周期范围为1-10μm，周期结构的高度为0.1-2μm，在这样的数值范围内出光率更高。
透明介质层109含有的微纳结构包含纳米尺寸的周期光子晶体结构，优选地，其周期范围为100-1000nm，周期光子晶体结构的高度为50-1000nm，在这样的数值范围内出光率更高。
可选地，透明介质层109的组成材料包括SiO2、SiNx或SiOxNy中的一种或者它们的任意组合，x、y为正整数。
图4为10纳米Al2O3与600纳米厚度SiO2薄膜组成的复合钝化层经过等离子体刻蚀后在表面形成的周期性纳米结构示意图，微纳结构具有六方对称性，周期为3微米，SiO2圆锥的底部直径为2.4微米，高度为0.7微米。SiO2圆锥底部夹角为30度，在GaN/SiO2界面处具有理想的反射效果。
采用上述Al2O3/SiO2复合钝化层制作的GaN/InGaN的中功率蓝光LED，芯片面积300um X 700um，器件的反向漏电流为1.1E-9A(-5V偏置)，比常规SiO2钝化的LED器件低2个数量级(1.8E-7A)，优异的钝化效果使芯片的2000V ESD良率由83％提升至94％，并且该LED器件(小三角形连起的线)的光输出功率(LOP)与常规器件(小正方形连起的线)相比提高20％以上，如图5所示。本发明公开的具有微纳结构钝化层的发光器件的工艺成品率高，光输出功率优势明显，在高效率功率型LED中应用前景广阔。
本发明不仅适用于制备蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化硅或者硅衬底的倒装LED，亦可适用于需要提高某一波段透射率的其他光电子器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种光电子器件，包括：
衬底(101)；
缓冲层(102)，位于衬底(101)之上；
第一外延层(103)，位于缓冲层(102)之上；
第一电极(104)，从第一外延层(103)伸出；
有源发光层(105)，位于第一外延层(103)没有伸出第一电极(104)的部分上；
第二外延层(106)，位于有源发光层(105)之上；
导电层(107)，位于第二外延层(106)之上；
含有微纳结构的复合钝化层(108,109)，位于导电层(107)之上；
第二电极(110)，位于复合钝化层(108,109)之上。
2.根据权利要求1的光电子器件，其中含有微纳结构的复合钝化层(108,109)包括：
Al2O3钝化层(108)，位于导电层(107)之上；
含有微纳结构的透明介质层(109)，位于Al2O3钝化层上。
3.根据权利要求2的光电子器件，其中透明介质层(109)含有的微纳结构从空气孔型和介质柱型中选择。
4.根据权利要求2的光电子器件，其中透明介质层(109)含有的微纳结构形状可以为锥形、柱形、台形、半球形中的至少一种。
5.根据权利要求2的光电子器件，其中透明介质层(109)含有的微纳结构包含微米尺寸的周期结构，其周期范围为1-10μm，周期结构的高度为0.1-2μm。
6.根据权利要求2的光电子器件，其中透明介质层(109)含有的微纳结构包含纳米尺寸的周期光子晶体结构，其周期范围为100-1000nm，周期光子晶体结构的高度为50-1000nm。
7.根据权利要求2的光电子器件，其中透明介质层(109)含有的微纳结构是由两种或两种以上介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构。
8.根据权利要求7的光电子器件，其中所述周期性排列包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列、光子准晶排列中的至少一种。
9.根据权利要求8的光电子器件，其中光子准晶排列包括五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称的光子准晶排列中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的光电子器件，其中光电子器件包括蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化硅、硅衬底的发光二极管、以及需要提高某一波段透射率的其它光电子器件中的至少一种。
11.根据权利要求2所述的光电子器件，其中透明介质层(109)的组成材料包括SiO2、SiNx或SiOxNy中的一种或者它们的任意组合，x、y为正整数。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161123 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |