一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术为一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。该二极管通过在全反射镜和半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。本发明专利技术可以减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高LED的LEE。

A light-emitting diode with light scattering structure and ODR and its preparation method

The invention relates to a light emitting diode with light scattering structure and ODR and a preparation method thereof. By inserting a thick layer of low refractive index material into the full reflector and semiconductor, the diode can make the incident light with large angle reflect through the total internal reflection instead of metal reflection, and escape from the LED through further scattering of the scattering structure. The invention can reduce the absorption of metal mirrors and increase the reflectivity, thereby improving the LEE of LED.

【技术实现步骤摘要】
一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法
本专利技术的技术方案涉及半导体器件,具体地说是一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。
技术介绍
氮化物半导体的LED(LightEmittingDiode，发光二极管)技术在杀菌消毒、生物医学、通讯及照明等领域的强大应用潜力引起了人们的广泛关注。但是，要满足商品化的要求，还需要进一步提高其外量子效率(EQE)。外量子效率(EQE)是内量子效率(IQE)与光提取效率(LEE)的乘积，因此，研究的重点是如何提高内量子效率(IQE)和光提取效率(LEE)。目前，IQE相对较高，因此主要目标是提高发光二极管(LED)的光提取效率(LEE)。半导体材料如GaN或者GaAs等与空气的折射率差非常大，因此全内反射导致了LED中光的逃逸锥小，从而光提取效率低。为了提高发光二极管的出光效率，光散射结构和全反射镜(ODR)结构已经成为了常用的两种技术手段。光散射结构包括光子晶体结构、出光面粗化、图形化衬底和侧壁粗化等，这些结构被用来增加光的散射作用，从而增大光的逃逸锥和提高光提取效率。而通常全反射镜是由分布布拉格反射镜(DBR)结构和金属反射镜组成，例如中国专利技术专利CN201510080456.8采用了Ag反射镜和DBR组成的全反射镜(ODR)结构来提高反射率，其分布布拉格反射膜系的高低折射率材料是按照四分之一波长的厚度交替生长形成，在一定程度上增加了反射率。又如中国专利技术专利文件CN103178179将图形化蓝宝石衬底(PSS)和全反射镜(ODR)结合起来，其布拉格反射膜系的高低折射率材料也是按照四分之一波长的厚度交替生长形成，形成具有不同折射率的复合衬底的LED芯片，从而提高发光效率。上述解决方案虽然有效地改善了光提取效率，但是上面阐述的ODR结构中的DBR仅是在一定角度范围有高反射率，对于角度大的光，主要是通过金属反射镜进行反射，而金属反射镜一般都存在吸收，尤其是在紫外波段，很难找到高反射率的金属反射镜，所以光被下面的ODR反射时，大角度的入射光将有一部分被金属吸收。我们通过在DBR与半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而能使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。但是全内反射时产生的倏逝场会激发金属表面等离子体激元(SPPs)，SPPs共振吸收也会增加ODR的金属吸收，因此低折射率材料层需要有足够的厚度，从而使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加。此结构只是对具备散射结构的LED有作用，而对于传统的无散射结构的LED，由于大角度的反射光都无法逃离出LED，所以增加其反射率对光提取无效果。
技术实现思路
本专利技术的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。该二极管通过在全反射镜和半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。本专利技术可以减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高LED的LEE。为了实现上述目的，本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案如下：一种具有光散射结构和ODR的发光二极管，所述的发光二极管为有以下三种结构之一的发光二极管：第一种，由下至上依次包括：金属反射层、DBR层、低折射率介质层、衬底、图形化衬底层(PSS)、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、P-型电极；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；并且，N-型半导体传输层存在10～20％的曝露部分，曝露部分的厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极；所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分的10～80％；第二种，由下至上依次包括：衬底、图形化衬底层、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层、金属反射层，所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；N-型半导体传输层存在10～20％的曝露部分，曝露部分的厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极，所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分面积的10～80％；并且，在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；第三种，由上至下依次包括：图形化N-型半导体材料层表面、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层和金属反射层；所述的图形化N-型半导体材料层表面还分布有N-型电极，N-型电极的面积为图形化N-型半导体材料层表面面积的5～30％；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；金属反射层同时还覆盖在圆孔底部和侧壁上。所述的衬底成分为氧化铝；所述的图形化衬底(PSS)的材质为氧化铝；所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；所述的N-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为1～3μm；所述的发光层的结构为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；所述的P-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为50～100nm；所述的电流扩展层的材料为ITO，厚度为10～20nm；所述的低折射率介质层的材料为SiO2，厚度介于四分之一入射光波长与两个入射光波长之间；所述的DBR由高、低折射率材料组成，高折射率层的材料为TiO2，低折射率层的材料为SiO2，二者厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为0～50对；所述的金属反射层的材料为Al，厚度为50～150nm；所述的P-型电极的为Cr/Au；厚度10～200nm；所述的N-型电极的材料为Cr/Au，厚度10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％；所述的第三种二极管中，图形化N-型半导体材料层表面的材料为GaN，所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；所述的第三种二极管中所述的N-型电极的材料为Cr/Au，厚度为10～200nm，面积为N-型半导体传输层的5～30％。所述的第一种具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到图形化衬底；第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；P-型半导体材料，厚度为50～100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为所述的发光二极管为有以下三种结构之一的发光二极管：第一种，由下至上依次包括：金属反射层、DBR层、低折射率介质层、衬底、图形化衬底层(PSS)、N‑型半导体传输层、发光层、P‑型半导体传输层、电流扩展层、P‑型电极；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；并且，N‑型半导体传输层存在着自身面积10～20％的曝露部分，厚度为0.5～1.5μm，上面有N‑型电极；所述的N‑型电极的面积为N‑型半导体传输层中曝露部分的10～80％；第二种，由下至上依次包括：衬底、图形化衬底层、N‑型半导体传输层、发光层、P‑型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层、金属反射层，所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；N‑型半导体传输层存在着自身面积10～20％的曝露部分，厚度为0.5～1.5μm，上面有N‑型电极，所述的N‑型电极的面积为N‑型半导体传输层中曝露部分面积的10～80％；并且，在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；第三种，由上至下依次包括：图形化N‑型半导体材料层表面、N‑型半导体传输层、发光层、P‑型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层和金属反射层；所述的图形化N‑型半导体材料层表面还分布有N‑型电极，N‑型电极的面积为图形化N‑型半导体材料层表面面积的5～30％；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；金属反射层同时还覆盖在圆孔底部和侧壁上。...

【技术特征摘要】
1.一种具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为所述的发光二极管为有以下三种结构之一的发光二极管：第一种，由下至上依次包括：金属反射层、DBR层、低折射率介质层、衬底、图形化衬底层(PSS)、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、P-型电极；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；并且，N-型半导体传输层存在着自身面积10～20％的曝露部分，厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极；所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分的10～80％；第二种，由下至上依次包括：衬底、图形化衬底层、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层、金属反射层，所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；N-型半导体传输层存在着自身面积10～20％的曝露部分，厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极，所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分面积的10～80％；并且，在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；第三种，由上至下依次包括：图形化N-型半导体材料层表面、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层和金属反射层；所述的图形化N-型半导体材料层表面还分布有N-型电极，N-型电极的面积为图形化N-型半导体材料层表面面积的5～30％；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；金属反射层同时还覆盖在圆孔底部和侧壁上。2.如权利要求1所述的具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为：所述的衬底成分为氧化铝；所述的图形化衬底(PSS)的材质为氧化铝；所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5μm～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；所述的N-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为1～3μm；所述的发光层的结构为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；所述的P-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为50～100nm；所述的电流扩展层的材料为ITO，厚度为10～20nm；所述的低折射率介质层的材料为SiO2，厚度介于四分之一入射光波长与两个入射光波长之间；所述的DBR层由高、低折射率材料组成，高折射率层的材料为TiO2，低折射率层的材料为SiO2，二者厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为0～50对；所述的金属反射层的材料为Al，厚度为50～150nm；所述的P-型电极的材质为Cr/Au；厚度为10～200nm；所述的N-型电极的材质为Cr/Au，厚度为10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％。3.如权利要求1所述的具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为所述的第三种二极管中，图形化N-型半导体材料层表面的材质为GaN，所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起。4.如权利要求1所述的具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为所述的第三种二极管中所述的N-型电极的材质为Cr/Au，厚度为10～200nm，面积为N-型半导体传输层的5～30％。5.如权利要求1所述的具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，其特征为第一种结构包括以下步骤：第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到突起，所述的突起形成图案，得到图形化衬底；第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇辉，张际，张紫辉，郑羽欣，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12