CN1157805C

CN1157805C - 半导体发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN1157805C
Application number: CNB01118325XA
Authority: CN
Inventors: 蓓章; 章蓓; 张国义; 俞大鹏; 栾峰; 王大军
Original assignee: Peking University
Current assignee: Dongguan Institute of Opto Electronics Peking University
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: CN1320972A

Abstract

半导体发光二极管及其制备方法，在普通半导体发光二极管基片上用圆盘式台面基本发光腔、微结构和电极接触相结合的设计，在圆台面p型金属电极顶部蚀刻二维周期性微结构，周期为亚微米或微米级，深度达到n型区。可用半导体光刻和干法刻蚀微加工技术或FIB两种方法制成。与在同一基片上所制同面积发光二极管比，在同样电流下发光强度增至1.6-8倍。可用于InGaN基量子阱蓝绿光发光二极管制备及各种材料系半导体和有机发光二极管的研制。

Description

半导体发光二极管及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种半导体发光器件及其制法，尤其是一种半导体发光二极管及其制备方法。

背景技术：

半导体发光二极管(LED)是低成本长寿命的固体光源，特别是可见光波段的半导体发光二极管在室内照明、平板显示、短程通信到计算机内光互连等各方面具有广泛的应用。虽然半导体发光二极管(LED)有很高的内部发光效率，可是普通的LED仅有百分之几的出光效率，如何将由于高折射率半导体内全反射而局限在内的大部分光取出来，研制和生产出高出光效率的发光二极管一直是人们亟待解决的难题，引起人们的广泛关注和研究。

近十年来，为改善发光二极管出光效率，取得了一系列成果，如利用表面变毛糙、透明衬底和上覆盖层、光子再循环、相干散射以及微腔效应等。从而提出了各种办法，其中有(1)表面纳米级无规织构化和底部加反射镜相结合(I.Schnitzer，E.Yablonovitch，etc，Appl.Phys.Lett.63(16)，2174(1993)；)；(2)微腔LED(F.Schubert，Y.H.Wang，etc，Appl.Phys.Lett.，60，921(1992)，J.J.Wierer，D.A.Kellogg，and N.Holonyak，Jr.Appl.Phys.Lett.，74，926(1999))；(3)二维光子晶体结构(例如M.Boroditsky，T.F.Krauss，etc，Appl.Phys.Lett.75，1036，(1999)；和A.A.Erchak，D.J.Ripin，etc，Appl.Phys.Lett.，78，563(2001))等方法。这些方法使LED出光效率都得到了有效的改善和提高。但是方法(1)是在LED表面形成深亚微米尺度的无规微结构，还须将仅几个微米厚的半导体LED异质外延多层膜从其衬底基片上“剥离”下来，转移到反射镜基底上；方法(2)需要通过精确控制的外延技术生长多层膜交替的布拉格(Bragg)反射镜面，生长技术的要求也很高；方法(3)是新近在光泵浦下得到的前沿研究成果，同样要采用“剥离”或者生长Bragg反射镜的技术，而且目前尚未制成电注入的实用化LED。这些方法的共同特点是工艺技术复杂，难度大，另外，目前这些方法主要用子研究和制备GaAs基的LED(近红外波段和红光LED)。因此若采用上述方法研制波长更短的可见光发光二极管，无论微加工或外延生长的要求和技术难度都更高。

另一方面，GaN基短波长(紫光到蓝绿光)发光二极管是一类具有广阔应用前景的发光二极管，因此提高其出光效率同样是一个重要课题。最近，H.X.Jiang小组证实InGaN基微盘型(直径约10微米)蓝光发光二极管具有比大面积LED更高的量子效率，而互连的微盘型LED的发射效率仅比相同面积的普通LED高60％(参见S.X.Jin，J.Li，J.Y.Lin，and H.X.Jiang，Appl.Phys.Lett.，77.3236(2001))。S.Nakamura(J.Cryst.Growth 201/202，290(1999))的GaN基蓝绿光LED的出光面在p-型电极接触以外采用了透明电极的作法，解决了注入电流的扩展问题，其代价是降低了LED的出光效率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有高出光效率同时制备工艺简单的半导体发光二极管，以及制备这种半导体发光二极管的方法。

本发明的半导体发光二极管，其顶部表面具有二维周期性微结构；这种二维周期性微结构可以是周期性蜂窝结构或周期性同心环结构。

本发明的半导体发光二极管发光面具有电极接触区域，发光台面为圆盘式结构。

所述二维周期性微结构的周期为亚微米级或微米级；微结构深度达到半导体发光二极管的n型区。

本发明的制备上述结构半导体发光二极管的方法有两种，第一种为普通光刻和刻蚀微加工结合的制备方法，其步骤包括：

1)设计顶部表面具有二维周期性微结构的半导体发光二极管光刻单元版图；

2)外延生长发光二极管基片；

3)在基片上进行p欧姆接触金属多层膜淀积；

4)按照版图进行光刻；

5)刻蚀；

6)制作n型金属多层膜欧姆接触；

7)合金化，得到半导体发光二极管芯。

所述单元设计版图中二维周期性微结构的周期为亚微米级或微米级；发光台面为圆盘式结构；发光面具有电极接触区域。

刻蚀为干法刻蚀，深度达到n型区；根据需要制作背面或正面n型金属多层膜欧姆接触。

本发明的另一种制备上述结构半导体发光二极管的方法为聚焦离子束(FIB)制备方法，其步骤包括：

1)设计具有二维周期性微结构的半导体发光二极管光刻和FIB单元版图；

2)外延生长半导体发光二极管基片；

3)在基片上进行p型欧姆接触金属多层膜淀积；

4)台面光刻；

5)刻蚀；

6)制作n型金属多层膜欧姆接触；

7)合金化；

8)在p型台面上进行FIB刻蚀，得到半导体发光二极管芯。

所述发光二极管的发光台面为圆盘式结构；发光面具有电极接触区域。

所述单元设计版图中二维周期性微结构可以是周期性蜂窝结构或周期性同心环结构；所述周期为亚微米级或微米级；

所述刻蚀为干法或湿法刻蚀，深度达到半导体发光二极管的n型区；根据需要制作背面或正面n金属多层膜欧姆接触。

本发明的原理及积极效果分析：

与S.Nakamura和一般的GaN基蓝绿光发光二极管的方形台面基本结构不同，本发明采用了圆盘式台面结构。由于圆盘式台面中存在的圆盘形模式更有利于增加输出光强，本发明在圆盘式基本发光腔模式结构和p型金属电极成熟工艺的基础上提出一个设想，即利用发光面上某种二维周期性微结构将因全反射禁锢在发光二极管内部的光从发光二极管顶部耦台出来。为此，本发明提出了两种具体方案，一种是在圆盘式台面上用微加工技术制备周期性微米级空洞点阵而形成蜂窝型发光二极管；另一种是在圆盘式台面上刻蚀出微米级宽度的同心环状沟槽而形成同心环型发光二极管。同时，在发光二极管圆盘式台面设计结构中设置p型金属电极接触的电注入接点，并保证注入电流在发光二极管p面上的扩展。

也就是说，本发明在现有方形发光二极管的基本发光结构的p-型发光面上采用带有二维周期性的深孔或同心环深槽的微结构图形设计方案；通过对发光二极管基片用进行普通光刻和刻蚀相结合的微加工技术，或者聚焦离子束(FIB)加工技术，制造出包括具有蜂窝型或同心环型微结构的半导体发光二极管。

上述带有二维周期性微结构的半导体发光二极管的构思，针对普通光刻和FIB两种不同的制备方法，采用两类设计版图。其版图设计的共同特点是将发光管的发光圆台、微结构和p区电注入电极接触在刻蚀工序中同时完成。使出光效率大幅度提高，同时既简化了工序步骤，又降低了对工艺精度的要求。

采用本发明设计结构版图和制备方法制备的带有微结构的发光二极管，无论是蜂窝型发光二极管还是同心环型发光二极管，都得到了优良的特性和积极的效果。实验证实这两种带有微结构的圆盘式发光二极管的发光强度均得到了明显的改善。(见附图6-10的发光比较)

本发明主要优点包括：

(1)光强比在相同外延片上制备的相同面积的普通方型无微结构的发光二极管1.6-8倍。因此本发明的发光二极管出光效率得到了有效的提高；

(2)本发明设计版图和拟订的工艺流程简单易行。如采用普通的半导体微加工工艺，只需2-3块光刻设计版图。在外延基片上只需经过p电极蒸镀、微结构光刻与刻蚀和n电极套刻与蒸镀少量工序，即可完成发光二极管芯片。若采用FIB技术，更可在亚微米尺度上灵活改变微结构设计图样、尺寸和刻蚀参数，针对每个外延片的具体结构，对发光二极管进行优化设计和加工。

(3)解决了InGaN基蓝光发光二极管的制备中透明电极因透过率低下影响出光效率的问题。

(4)本发明不仅适用于InGaN基蓝绿光和InGaAlP红光发光二极管，而且也可用于其它波段和材料系的半导体发光二极管以及有机发光二极管的制作、研究和生产。

因此本发明为提高半导体发光二极管的出光效率开辟了新的思路，提出了一种制备高效率、高亮度LED的新方法，具有明显的经济效益，可应用于各种半导体发光二极管的制造，促进发光二极管技术的发展。

附图说明：

图1现有氮化化物基发光二极管结构示意图

1---蓝宝石衬底 2---GaN缓冲层 3---n型GaN 4---InGaN/GaN量子阱有源层 5---p型GaN 7---p型欧姆接触层 11---n型欧姆接触层 12---p型欧姆接触透明电极

图2本发明氮化物基发光二极管结构示意图

图2(a)本发明氮化物基同心圆型发光二极管结构示意图

1---蓝宝石衬底 2---GaN缓冲层 3 ---n型GaN 4---InGaN/GaN量子阱有源层 5---p型GaN 7---p型欧姆接触层 10---二维周期性同心环沟槽 11---n型欧姆接触层 13---p型电极接触区域

图2(b)本发明氮化物基蜂窝型发光二极管结构示意图

9---二维周期性蜂窝型微孔

图3本发明砷化镓(或其它半导体)基发光二极管结构示意图

图3(a)本发明砷化镓基(或其它半导体)同心环型发光二极管结构示意图

21---半导体衬底 22---外延缓冲层 23---n型外延层 24---量子阱有源层 25---p型外延层 27---p型欧姆接触层 30---二维周期性同心环沟槽 31---n型欧姆接触层 33---p型电极接触区域

图3(b)本发明砷化镓基(或其它半导体)蜂窝型发光二极管结构示意图

29---二维周期性蜂窝型微孔

图4单元设计版图

图4(a)同心环微结构单元设计版图

图4(b)蜂窝型微结构单元设计版图

图4(c)n型欧姆接触孔单元设计版图

图4(d)p型圆台面单元设计版图

图5方法---(氮化物基发光管为例)主要工艺流程示意图

图5(a)匀胶

8---光刻胶

图5(b)光刻

图5(c)刻蚀

图5(d)制作n型欧姆接触

图6氮化物基蓝光发光二极管发光图样比较(注入电流2mA)

图6(a)普通方形发光二极管

图6(b)本发明同心环型发光二极管

图6(c)本发明蜂窝型发光二极管

图7氮化物基蓝光发光二极管发光性质比较

图7(a)光谱图

“—”线型代表普通方形LED，“---”线型代表同心环型LED，“…”线型代表蜂窝型LED

图7(b)积分光强与注入电流关系图

“-■-”线型代表普通方形LED，“-●-”线型代表同心环型LED，“-▲-”线型代表蜂窝型LED

图8砷化镓基红光发光二极管发光图样比较(注入电流2mA)

图8(a)普通方形发光二极管

图8(b)本发明同心环型发光二极管

图8(c)本发明蜂窝型发光二极管

图9砷化镓基红光发光二极管发光性质比较

图9(a)光谱图

图9(b)相对积分光强与注入电流关系图

图10氮化物基蓝光发光二极管发光图样比较(注入电流80mA)

图10(a)无微结构普通发光二极管

图10(b)本发明FIB同心环型发光二极管

图11氮化物基蓝光发光二极管发光性质比较

图11(a)光谱图

“—”线型代表FIB同心环型LED，“…”线型代表无微结构LED

图11(b)相对积分光强与注入电流关系图

“-●-”线型代表FIB同心环型LED，“-△-”线型代表无微结构LED

具体实施方案：

实施例1

蜂窝型和同心环型InGaN基量子阱蓝光发光二极管

1.采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)设备生长InGaN多量子阱(MQW)外延片，外延片的层次结构为：

P-GaN(厚度d＝50-300nm，载流子浓度p＝3-5×10¹⁷cm^-3)/P-AlGaN(铝镓氮)(d＝5-20nm，p＝1-3×10¹⁷cm^-3)/3量子阱[In_xGa_1-xN(铟组分x＝0.18-0.25，d＝20-30nm)/GaN(d＝70-100nm)]QW/n-GaN(d＝2000-3000nm，载流子浓度n＝2×10¹⁸cm^-3)/GaN缓冲层(d＝25-30m)/蓝宝石衬底；

2.用直流溅射技术沉积p型欧姆接触双层金属膜金(5-500纳米)/镍(5-40纳米)；

3.采用普通光刻技术在样品上形成图4(a)或(b)的图形；

4.以光刻胶为掩膜，先后进行氩(Ar)离子束刻蚀和三氯化硼(BCl₃)反应离子刻蚀，用图4(c)版图进行光刻套刻；

5.用直流溅射和剥离技术沉积n型欧姆接触双层金属膜金(100-500纳米)/钛(20-40纳米)；

6.快速退火形成欧姆接触。在氮气氛下退火(条件450-500℃，2-5分钟)。

实施例2

蜂窝型和同心环型InGaAlP量子阱红光发光二极管

1.采用MOCVD InGaAlP量子阱(QW)外延片；

2.用真空热蒸发技术沉积p型欧姆接触双层金属膜金(100-500纳米)/铬(20-40纳米)，并在氮氢混合气氛下进行原位合金(400-450℃，2-5分钟)；

3.采用普通光刻技术在样品上形成版图图4(a)或(b)的图形；

4.以光刻胶为掩膜，先后进行Ar离子束刻蚀，总的刻蚀深度达到n型区；

5.背面n型欧姆接触合金膜金锗镍(AuGeNi)真空热蒸发和合金(400-450℃，2-5分钟)。

实施例3

FIB同心环型InGaN基量子阱蓝光发光二极管制备步骤：

1.采用MOCVD设备生长InGaN多量子阱(MQW)外延片(同实施例1)；

2.同实施例1步骤2；

3.采用普通光刻技术在外延片上形成版图4(d)的图形；

4.以光刻胶为掩膜，进行BCl₃反应离子刻蚀，总刻蚀深度达到n型区；

5.用版图4(c)进行光刻套刻；

6.用直流溅射和剥离技术沉积n型欧姆接触双层金属膜金(5-500纳米)/钛(5-40纳米)

7.氮气氛快速退火形成欧姆接触(450-500℃，2-5分钟)；

8.p-区圆台面上按版图4(a)或4(b)进行FIB刻蚀，刻蚀深度达到n型区。

Claims

1.一种半导体发光二极管，其特征在于半导体发光二极管顶部表面具有二维周期性微结构。

2.如权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于该半导体发光二极管发光面具有电极接触区域，发光台面为圆盘式结构。

3.如权利要求1或2所述的半导体发光二极管，其特征在于所述二维周期性微结构为周期性蜂窝结构或周期性同心环结构。

4.如权利要求3所述的半导体发光二极管，其特征在于所述周期为亚微米级或微米级；微结构深度达到半导体发光二极管的n型区。

5.一种制备权利要求1所述半导体发光二极管的方法，其步骤包括：

1)制备顶部表面具有二维周期性微结构的半导体发光二极管光刻单元版图；

2)外延生长发光二极管基片；

3)在基片上进行p型欧姆接触金属多层膜淀积；

4)按照版图进行光刻；

5)刻蚀；

6)制作n型金属多层膜欧姆接触；

7)合金化，得到半导体发光二极管。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于单元版图中二维周期性微结构为周期性蜂窝结构或周期性同心环结构；周期为亚微米级或微米级；发光台面为圆盘式结构；发光面具有电极接触区域。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于刻蚀为干法刻蚀，深度达到半导体发光二极管的n型区；并制作背面或正面n型金属多层膜欧姆接触。

8.一种制备权利要求1所述半导体发光二极管的方法，其步骤包括：

1)制备具有二维周期性微结构的半导体发光二极管光刻和聚焦离子束单元版图；

2)外延生长半导体发光二极管基片；

3)在基片上进行p型欧姆接触金属多层膜淀积；

4)台面光刻；

5)刻蚀；

6)制作n型金属多层膜欧姆接触；

7)合金化；

8)在p型台面上进行聚焦离子束刻蚀，得到半导体发光二极管芯。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述二维周期性微结构为周期性蜂窝结构或周期性同心环结构；周期为亚微米级或微米级；发光台面为圆盘式结构；发光面具有电极接触区域。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于刻蚀为干法或湿法刻蚀，深度达到半导体发光二极管的n型区；并制作背面或正面n型金属多层膜欧姆接触。