[发明专利]一种光子晶体结构GaN基LED的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以光子晶体作为出光表面的光子晶体GaN基LED(发光二极管)，属于光 电子技术领域。

背景技术

半导体发光二极管(LED)自发明以来在LED指示灯、LED交通信号灯、LED显示屏等方 面获得了广泛的应用。最近，随着半导体技术的发展，LED的效率在不断提高。虽然如此， 在电光转换效率方面还有必要做更多改进。因为制备发光二极管的半导体材料与空气的折射 率相差比较大，因全反射和斯涅尔损耗导致光的出射角度小且界面反射率高。鉴于GaN(n≈ 2.5)和空气的折射率，光逃逸锥面的临界角大约为23°。逃逸锥面之外的光因全反射被衬 底或活性层或电极重复反射或者吸收。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提 高提取效率的有效手段。通过LED表面的表面织构化，可以抑制内部光的反射并使光向上散 射。

光子晶体是由不同折射率的电介质材料周期性排列而形成的人造晶体。美国专利第5, 955,749号报导了一种周期性排列的圆柱状通道结构的光子晶体LED，该LED利用光子晶体 可改变光在外延层的传播行为。美国专利早期公开案US2003/0141507A1中公开了一种利用 光子晶体结构的发光二极管，并提出了光子晶体结构发光二极管的制作方法。此外，利用光 子晶体特有的光子能带结构，将在LED中传播的导模转化为辐射模来增加发光二极管的引出 效率，在近几年也有很多报导，如Jonathan J.Wierer等人的“高引出效率的III族N化物光 子晶体发光二极管”，自然光子学，第3卷，第163-169页(2009年)，Alexei A.Erchak等人 的“在半导体发光二极管中利用二维光子晶体增强耦合的垂直发射”，应用物理快报，第78 卷，第563-565页(2001年)，Chia-Hung Hou等人的“用单层微球制作的二维孔阵列增加发光 二极管的光输出”，应用物理快报，第95卷，第133105-133107页(2009年)。

可见，光子晶体对LED出光效率的提高有很大的作用，但由于光子晶体的加工工艺通常 涉及干法刻蚀外延层，这就可能会对有源区造成损伤，从而降低了出光。中国专利文献 CN100524865C公开了一种《制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法》，提出了在氧化铟 锡(ITO)透明导电薄膜上制作光子晶体，包括：在衬底上依次外延N-GaN层、有源层和P-GaN 层，形成GaN基LED的材料结构；在GaN基LED的材料结构上的P-GaN层上生长ITO层；在 ITO层上淀积一层SiO₂掩蔽层；腐蚀掉部分SiO₂掩蔽层，暴露需要刻蚀的ITO层；刻蚀暴露 出的ITO层，形成GaN基LED的台面结构；去除剩余的SiO₂掩蔽层；在ITO层上光刻并制作 出二维光子晶体结构；在GaN基LED的台面结构上用光刻和电子束蒸发制作出N-GaN电极； 对N-GaN电极进行合金化处理；最后在ITO层和N-GaN电极上，采用光刻和电子束蒸发的方 法制作加厚电极，完成器件的制作。但是氧化铟锡薄膜的湿法腐蚀难以控制，而干法腐蚀难 以进行。这就为光子晶体结构的制备提出了新的挑战。

发明内容

本发明针对现有制作光子晶体结构工艺中存在的缺陷和不足，提供一种成本低、工艺简 单、适合规模化生产的光子晶体结构GaN基LED的制作方法。

本发明的光子晶体结构GaN基LED的制作方法，包括以下步骤：

(1)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在衬底(对蓝光GaN基LED衬底为蓝宝 石或SiC材料)上依次外延生长N-GaN层、多量子阱有源区和P-GaN层，形成GaN基LED的材 料外延结构；

(2)在步骤(1)生长的P-GaN外延层上生长沉积ITO(氧化铟锡)薄膜层，作为P型 透明导电层；

(3)将氧化铟锡的靶材(ITO)溶于盐酸溶液作为ITO的前驱体，然后用水稀释至合适 的浓度，其中ITO前驱体溶液的质量百分浓度为1％--10％；

(4)在生长沉积了ITO薄膜的外延片上铺一层单层的PS(聚苯乙烯)球，然后在PS球 单层膜和ITO层之间的空隙填充稀释后的ITO的前驱体溶液；

(5)将带ITO前驱体溶液的外延片置于烘箱中，120℃干燥1小时，然后转移到马弗炉 中，升温至500℃，煅烧30分钟，自然降至室温；