一种发光二极管元件及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管元件及制备方法，其至少包括第一半导体层，位于第一半导体层上的多量子阱层，位于多量子阱层上的第二半导体层，所述第一半导体层表面设置有复数个孔洞，所述孔洞内设置有金属填充层，所述填充层至少包括两种金属材料层。本发明专利技术通过在第一半导体层上设置孔洞，并在孔洞内填充多层金属材料层组成的填充层，通过在孔洞中填充金属材料，一方面可以增强光散射。另一方面在第一半导体层上设置表面等离子辐射增强结构，避免刻蚀孔洞结构时对多量子阱层的破坏。此外，再外延高温生长盖层后，有利于后续外延层生长的平整性，避免后续芯片工艺对表面金属材料氧化影响。

A LED element and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种发光二极管元件及其制备方法
本专利技术属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有表面等离增强的发光二极管元件及其制备方法。
技术介绍
氮化物发光二极管（英文为LightEmittingDiode，简称LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。然而，由于受到晶格结构、材料质量或者器件结构等因素的影响，GaN基LED除了在蓝紫光或浅紫外光谱区域具有较高的发光效率，其他深紫外、红外以及可见光的绿黄红光区域的发光效率都很低。利用表面等离激元共振增强技术有望提高LED的自发辐射速率和内量子效率，从而提高发光效率。对于电学注入的表面等离激元共振增强GaN基LED，重要的是表面等离激元与有源区内电子空穴对的有效耦合。这是共振增强的必要条件，却也是其难点所在。为了实现有效的耦合，人们提出了各种各样的技术方案。例如在P型外延层表面蚀刻坑洞，并在孔洞内填充金属Ag颗粒，此设计结合光子晶体效应以及局域表面等离激元与多量子阱耦合效应共同提升了LED的发给效率。但这种方式的最大缺点是难于控制蚀刻的深度，容易损失出光面积。另一方面，在P型GaN上形成坑洞，会严重损伤MQW发光区，杂质易进入发光区。同时，为减轻半导体中的晶格缺陷并提高出光效率，有研究通过在N型层形成V型坑，并在V型坑内填充纳米级金属颗粒来形成等离激元以增加LED的出光效率。但此设计的缺点是通过外延自动形成或化学蚀刻形成的V型坑的大小和深度不统一，深度差距相差巨大。深度差距可以相差50%以上。在填充金属时，不容易控制金属在坑中的填充情况，特别是我们需要控制金属层上表面离发光区距离在10nm~nm,通常较优范围在10nm~50nm。而V型坑的深度范围从50nm~nm,波动范围较大，很难控制金属在坑中填充厚度，导致无法准确控制金属层上表面距离发光区距离，降低了表面等离激子与发光区电子空穴对耦合作用。同时对后续外延生长也不利。不利于在有限厚度10nm~50nm范围内，通过外延生长统一填平这些坑洞，导致生长量子阱发光区之前的半导体表面很粗糙，发光区界面不平整，界面质量较差。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术首先提出一种发光二极管元件一种发光二极管元件，其至少包括第一半导体层，位于第一半导体层上的多量子阱层，位于多量子阱层上的第二半导体层，所述第一半导体层表面设置有复数个孔洞，所述孔洞内设置有金属填充层，所述填充层至少包括两种金属材料层，所述填充层最上层为耐高温抗氧化性强的金属材料层。优选的，所述填充层由Ag金属层、Au金属层、Ni金属层、Al金属层、Cu金属层中的任意两层或者多层组成。优选的，所述填充层的最上层金属材料层为Au金属层。优选的，所述填充层与所述第一半导体处于同一水平面上。优选的，所述孔洞的深度20nm~100nm，宽度10nm~2000nm。优选的，所述孔洞占所述第一半导体上的占有率为：10%~70%。优选的，所述孔洞顶部至所述多量子阱层的垂直距离为10nm~100nm。优选的，所述填充层上表面距离所述第一半导体层上表面的距离为：10nm~30nm。优选的，第一半导体层与所述多量子阱层之间还设置有一盖层，所述盖层的材料与所述第一半导体层的材料相同。优选的，所述孔洞为间隔排列的长方形坑洞或者六边形坑洞或者柱形坑洞或者条形沟槽结构。优选的，所述第一半导体层与所述第二半导体层的的导电类型不同。本专利技术还提出一种发光二极管制备方法，包括如下步骤：S1、外延生长第一半导体层；S2、于第一半导体层表面形成复数个纳米级孔洞；S3、在第一半导体层表面交替蒸镀至少两种金属材料，在孔洞内形成金属填充层；S4、去除第一半导体层表面残余金属材料；S5、接着高温生长一层与第一半导体层材料相同的盖层；S6、在所述盖层上继续生长多量子阱层和第二半导体层；其特征在于：所述填充层最上层的金属层为耐高温抗氧化性强的金属。优选的，所述步骤S2）中可以采用光蚀刻或者电化学腐蚀的方法形成纳米级孔洞。优选的，所述纳米级孔洞可以均匀或者非均匀的分布于所述第一半导体层上。优选的，所述填充层由Ag金属层、Au金属层、Ni金属层、Al金属层、Cu金属层中的任意两层或者多层组成。优选的，所述盖层的厚度为10~50nm。优选的，所述填充层上表面距离所述第一半导体层上表面的距离为：10nm~30nm。优选的，所述填充层最上层的金属层为Au金属层。本专利技术通过在第一半导体层上设置孔洞，并在孔洞内填充多层金属材料层组成的填充层，通过在孔洞中填充金属材料，可以增强光散射。同时在第一半导体层上设置表面等离子辐射增强结构，避免刻蚀孔洞结构时对多量子阱的破坏。此外，再外延高温生长盖层后，有利于后续外延层生长的平整性，避免后续芯片工艺对表面金属材料氧化影响。附图说明图1为本专利技术具体实施方式提供之一种发光二极管元件剖面结构示意图及部分结构放大示意图。图2a为本专利技术具体实施方式提供之六边形孔洞结构示意图。图2b为本专利技术具体实施方式提供之条形沟槽形孔洞结构示意图。图3为本专利技术具体实施方式提供之一种发光二极管元件制备方法之流程图。附图标注：100：基板；200：第一半导体层；210：孔洞；220：填充层；230：盖层；240：第一电极；300：多量子阱层；400：第二半导体层；410：第二电极。具体实施方式下面，参照附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在此，本专利技术的范围不局限于下面所要说明的实施形态，本专利技术的实施形态可变形为多种其他形态。图1为本实施例提出的一种发光二极管元件的剖面示意图及部分结构放大示意图。如图1所示，本实施例提出的发光二极管元件包括基板100，形成在基板100上表面具有复数个孔洞210的第一半导体层200，形成在第一半导体层200上的多量子阱层300，形成在多量子阱层300上的第二半导体层400，以及分别位于第一半导体层200上的第一电极240和位于第二半导体层400上的第二电极410。其中，基板100可以是由电绝缘或者导电材料制成的，例如蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝或者其它适于晶体外延生长的材料。优选蓝宝石基板100，尤其是在蓝宝石基板100的C（0001）面相对易于高温生长氮化物半导体结构。第一半导体层200和第二半导体层400为AlxInyGa(1-x-y)N材料层（其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），其可以分别是N型半导体层和P型半导体层。优先的，第一半导体层200为N型半导体层，第二半导体层400为P型半导体层。此外，基板100与第一半导体层200之间可以设置有缓冲层（图中未示出），该缓冲层能够改善N型半导体层与基板100材料晶格常数不匹配的问题。缓冲层为AlN层或者GaN层或者AlGaN层或者其中任意两者交替形成的复合结构层，当然缓冲层的也可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发光二极管元件，其至少包括第一半导体层，位于第一半导体层上的多量子阱层，位于多量子阱层上的第二半导体层，所述第一半导体层表面设置有复数个孔洞，所述孔洞内设置有金属填充层，所述填充层至少包括两种金属材料层，所述填充层最上层为耐高温抗氧化性较强的金属材料层。/n

【技术特征摘要】
1.一种发光二极管元件，其至少包括第一半导体层，位于第一半导体层上的多量子阱层，位于多量子阱层上的第二半导体层，所述第一半导体层表面设置有复数个孔洞，所述孔洞内设置有金属填充层，所述填充层至少包括两种金属材料层，所述填充层最上层为耐高温抗氧化性较强的金属材料层。


2.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述填充层由Ag金属层、Au金属层、Ni金属层、Al金属层、Cu金属层中的任意两层或者多层组成。


3.根据权利要求2所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述填充层的最上层金属材料层为Au金属层。


4.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述孔洞的深度20nm~100nm，宽度10nm~2000nm。


5.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述孔洞顶部至所述多量子阱层的垂直距离为10nm~100nm。


6.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述填充层上表面距离所述第一半导体层上表面的距离为：10nm~30nm。


7.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：第一半导体层与所述多量子阱层之间还设置有一盖层，所述盖层的材料与所述第一半导体层的材料相同。


8.根据权利要求1所述的一种发光二极管元件，其特征在于：所述孔洞为间隔排列的长方形坑洞或者六边形坑洞或者柱形坑洞或者条形沟槽结构。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志波，林兓兓，蔡吉明，
申请(专利权)人：安徽三安光电有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34