[发明专利]一种利用双面图形化衬底提高AlGaN基UV-LED发光效率方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是一种利用双面图形化衬底提高AlGaN基UV-LED发光效率方法。该方法可以有效地将衬底正面图形化和反面二维亚波长光栅结合起来，较大程度地提高AlGaN基UV-LED内量子效率和光的出射率，从而极大地提高了UV-LED的发光效率。

背景技术

紫外发光二极管（UV-LED）是一种在电流驱动下发射紫外波段的半导体器件。研究、开发该类器件成为当前宽禁带半导体光电子器件领域的一个焦点，也是利用宽禁带半导体材料实现紫外光源的一个研究热点。目前，常用的紫外光源有汞灯、氙灯、荧光灯。但是这些灯体积大、工作电压高而且不是很环保，从而使用起来不是很方便。与之相反，铝镓氮（AlGaN）基UV-LED是一种半导体固体光源，它体积小、质量轻、寿命长、效率高、工作电压低。因而在国防科技、计算机数据存储、生物医疗、防伪鉴定、环境监测及公共卫生等领域有着广阔的应用前景。高铝（Al）组分的AlGaN材料是制备深紫外波段的发光器件的一种重要的材料，在军民两用市场中有着重要的作用。在民用方面，UV-LED光源在照明、杀毒、医疗、印刷、高密度的信息存储方面有着重要的应用。

近十多年以来，有关UV-LED的报道不断出现，特别是自2005年美国南卡罗莱州立大学M.Khan等人采用脉冲原子层金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术及超晶格之后，UV-LED的发光波长不断地向着短波方向移动。2006年，日本NTT公司的Yoshitaka Taniyasu等人报道了发光波长为210nm的基于AlN的UV-LED。此后，人们通过调节Al组分，得到了发光波长在230nm-280nm UV-LED。虽然人们通过调节Al组分，可以实现从210-400nm波段的UV-LED，但是随着Al组分的提高，从材料生长到器件制备方面的难度也相应地提高了。210nm的UV-LED在40mA直流电的驱动下，发光功率只有0.02mW，其外量子效率低于10^-5%。因此，提高发光效率及功率成为UV-LED的一个发展目标。

AlGaN基UV-LED是一种宽禁带的电光转换器件。其转换过程包括三步骤构成，首先是电子和空穴注入到有源区，其次是电子和空穴在有源区辐射复合发光，最后是光从器件表面射出。要获得高的发光效率，就必须有足够的电子和空穴在电场的作用下漂移到有源区中进行辐射复合，而且辐射复合的光要尽可能地出射到器件表面。然而，由于蓝宝石与外延层的晶格失配带引入的位错，成为电子或空穴的陷阱中心或者是非辐射中心，从而导致内量子效率的降低。有些团队采用在图形化衬底或图形化AlN上外延UV-LED的方法，以期通过控制缓冲层（Buffer）的生长来获得好的晶体质量。2008年，Amano等人报道了在氮化铝（AlN） Buffer 上刻蚀出条形图案，再侧向外延的方法，将UV-LED的发光效率提高了27倍（同未采用图形化的相比）。但是这种UV-LED一般是采用正面发光的封装方法，从而难以避免因蓝宝石低的导热性能而带来的问题。而且正面的p型氮化镓（GaN）对紫外光有强烈的吸收作用，使得正面出光的效率较低。为此，许多专家采用倒装（filp-chip）结构的UV-LED。但是蓝宝石衬底的折射率（~1.8）比空气中的大，光容易在此界面形成全反射，不容易出射，从而导致光的提取率下降，发光功率不高。为了提高AlGaN基UV-LED的光提取效率，人们也进行了多方面的研究，例如采用表面粗化处理、表面镀布拉格光栅、利用光子晶体等方法。但是表面粗化处理只是通过提高光在界面处的散射来提高光的提取效率，其作用不是很明显，而且出射光比较发散。表面镀布拉格光栅虽然可以提高光的出射，但是这种膜系的设计受到材料折射率的限制，而且镀上的薄膜容易磨损和脱落，并且对散热不利。光子晶体是基于光子带隙来导光的，可以提高光的提取率，但是制备成本比较高，大多数出射光是偏振相关的，而且也存在磨损和脱落这一缺点。所以发展一种既能有效地提高AlGaN材料晶体质量又能提高光提取效率的方法在UV-LED研发过程中势在必行。

发明内容

本发明目的就是在于解决上述的UV-LED制备过程中晶体质量差及光提取率低的问题，提出一种采用双面图形化蓝宝石衬底来提高AlGaN基UV-LED发光效率的方法。

本发明的技术方案为：一种利用双面图形化衬底提高AlGaN基UV-LED发光效率方法，其步骤：步骤1：在蓝宝石衬底上沉积一层二氧化硅膜；步骤2：利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列，其图形单元为矩形；