[发明专利]具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法。

背景技术

发光二极管具有节能环保等优点受到广泛重视。尤其大功率白光二极管作为第三代照明光源已经由室外装饰、工程照明逐渐走进家庭室内照明，在未来几年有可能取代白炽灯、荧光灯。

发光效率是发光二极管的一个重要参数，表示二极管把电转换为光的能力。影响发光二极管光效的主要因素有电注入效率、内量子阱效率、光提取效率。通过芯片结构和外延技术的优化和改进电注入效率和内量子阱效率都已达到较高值，其中氮化镓基发光二极管内量子阱效率已普遍达到70％以上。而目前发光二极管光提取效率依然较低，成为限制发光二极管光效的主要因素，平面衬底发光二极管光提取效率只有21％。发光二极管光提取效率较低主要是因为芯片材料折射率一般较大，光在芯片与空气的界面处发生全反射，而全反射角较小，只有很少一部分(1／4n²)光能被提取出去。波长为460nm的光在氮化镓中的折射率为2.4，空气界面处全反射临界角较小只有23.5°，理论上只有约4％的光能被提取出去，其余被反射的光在芯片内部以波导形式存在直至被吸收。

目前，提高发光二极管光提取效率的方法主要包含三类：一、通过几何光学原理，减小出射光的入射角使其小于全反射临界角，提高发光二极管光提取效率，如表面粗化、倒梯形芯片等。表面粗化技术工艺简单、成本低，目前已被普遍使用。由于氮化镓材料硬度大，将芯片加工成倒梯形较困难，目前使用此方法的产品较少，只有Cree公司在碳化硅衬底芯片上使用此方法。二、通过波动光学原理，利用周期性光子晶体结构将波导模式光散射到辐射模式，提高发光二极管的光提取效率。光子晶体具有很强的设计性，不仅能有效提高发光二极管的光提取效率，还能控制发光二极管的光场分布，有效控制发光方向性。三、在芯片表面制作波导结构，减小界面处光损失。波导结构是基于光子晶体的一种改进方法。传统光子晶体为直径上下均一的多孔状结构或柱状结构，在光子晶体内部其有效折射率为一恒定值。波导结构是改变光子晶体表层或底层占空比，使光子晶体表层有效折射率较小、底层有效折射率较大，形成波导层。这样的波导结构在保留了光子晶体对波导模式光的散射作用的同时减小了光在界面处的损失，进一步提高了发光二极管的光提取效率。

波导结构光子晶体发光二极管是一个全新的概念，目前还没有成熟的波导结构光子晶体制备方法，能改变光子晶体占空比的方法主要有以下两种：

通过光刻等工艺制作出倒梯形光刻胶掩膜，再通过感应耦合等离子刻蚀(ICP)工艺将图形转移到芯片。

主要缺点：光刻工艺受光波长限制，普通光刻特征尺寸较大，不能满足最优晶格尺寸要求；倒梯形掩膜制作困难，角度很难控制。

用聚苯乙烯纳米球、SiO₂纳米球做掩膜，通过感应耦合等离子体刻蚀锥形光子晶体。

主要缺点：掩膜制作困难，均一性差，刻蚀深度受掩膜、晶格尺寸影响较大，不能产业化推广。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，其是将光子晶体和波导层分开制作，使光子晶体层和波导层的制备不相互限制，制作工艺简单，波导结构导光效果更好。

本发明提供一种具有波导结构光子晶体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1：在衬底上依次外延形核层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和p型氮化镓层；

步骤2：在p型氮化镓层的表面旋涂第一光刻胶；

步骤3：在第一光刻胶上制作第一单层纳米球薄膜；

步骤4：光刻，在第一光刻胶上形成图形；

步骤5：以第一光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在p型氮化镓层上形成多孔状或柱状的光子晶体；

步骤6：在多孔状的光子晶体表面旋涂第二光刻胶；

步骤7：在第二光刻胶上制作第二单层纳米球薄膜；

步骤8：光刻，在第二光刻胶上形成图形；

步骤9：以第二光刻胶作为掩膜，刻蚀p型氮化镓层，在多孔状的光子晶体上形成具有波导结构的光子晶体；

步骤10：制作电极，完成正装结构的制作。

本发明的有益效果是，其是将光子晶体和波导层分开制作，使光子晶体层和波导层的制备不相互限制，制作工艺简单，波导结构导光效果更好。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：