高提取效率的半导体发光二极管结构制造技术

高提取效率的半导体发光二极管结构属于光电子器件制造技术领域，适合于多种波长的半导体ＬＥＤ。现有ＬＥＤ虽然内量子效率高，但是外量子效率很低，只有很少的一部分光子能够从ＬＥＤ出射。本实用新型专利技术提出在ＬＥＤ外延片上生长ＩＴＯ透明导电膜与Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜组成的复合增透膜结构，ＩＴＯ透明导电膜的光学厚度为二分之一ＬＥＤ发射波长的整数倍，Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜的光学厚度为四分之一ＬＥＤ发射波长的奇数倍，Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜的折射率是ＬＥＤ外延片最上层半导体材料的折射率的开方。这种设计能够在实现好的电流扩展的同时，将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，极大的提高外量子效率，使得光强增加了１３０％以上。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光电子器件制造
，涉及一种提高半导体发光二极管(LED)提取效率的结构和制备方法，适合于多种波长(红光、蓝光、绿 光等)的半导体LED。二.
技术介绍
半导体发光二极管是一种节能、环保和长寿命的发光器件。LED能耗为白 炽灯的10%，荧光灯的50%。 LED采用固体封装，结构牢固，寿命达10万小时， 是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。在环保方面，用LED替代白炽灯或荧光灯, 无需使用玻璃真空封装，无毒气和汞的污染。并且用途广泛，可以应用到日 常生活中的各项用品，如各种家电的指示灯或光源等。近年来更由于多色彩及 高亮度化的发展趋势，应用在城市景观照明、道路和交通指示、室内外装饰 照明、全彩大屏幕显示、汽车车灯等领域。为了获得高亮度的发光二极管，关键是要提高器件的外量子效率。然而 芯片的n型电极是面电极，比上电极要大的多，所以在正向偏置时，注入的载 流子不可能像在金属中那样很快扩展均匀，而是向半导体材料内呈辐射状扩 展，如果电流扩展不好，注入的电流主要集中在电极下方，这样就使得在电 极下方有源区发出的大量光子被电极的阻挡，不能出射而损失在LED内部。另 外，制备发光二极管的半导体材料与空气的折射率差值大，导致光的出射角 度小且界面反射率高。当光入射到折射率为i和2两种物质的界面上时，入射 角《和折射角《遵守斯涅耳定则，即,sin《-^in《。发光二极管的半导体材 料的折射率很高，例如可取,=3.6， 2为空气，这种晶体与空气交界的临界 角为0,sin-乂l/^16.2。，入射角大于临界角时形成全反射。就在4;r立体角内 各项均匀发射的复合发光而言，临界角内的光只占l(l-cos《)s0.02。临界角内的光还会有一部分会被表面反射回内部。例如，当光垂直入射时，则反射 率为(w,-1)2/(,+1)2 0.32。被反射回去的光如果不能从其它的表面出射，就会 在LED内部被吸收。大量的光损失在LED内部，只有很少量的光能够出射到外 部，致使LED的外量子效率低，外量子效率低也就意味着提取效率低，LED的 光强值低。三.
技术实现思路
本技术的目的是提出在LED外延片上生长ITO透明导电膜与Si凡介质 膜组成的复合增透膜结构，在实现好的电流扩展的同时，能够将界面反射率 降到最低来实现最佳增透作用，从而极大的提高外量子效率。虽然单层的铟锡氧化物(IT0)透明导电膜可以实现电流扩展作用，但是 很难实现最佳的增透效果。理想的单层增透膜的条件是，膜层的光学厚度为 四分之一波长的奇数倍，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。 IT0透明导电膜的折射率为1.7左右，如果入射介质是空气，空气的折射率为l， 由此可知，只有当基底材料为2.89，且ITO透明导电膜的光学厚度为四分一波 长的奇数倍时，才能够达到最佳的增透效果。但是红光发光二极管的表面的 半导体材料的折射率大约为3. 5左右，因此为了在实现好的电流扩展作用的同 时，达到最佳的增透效果，我们设计了在薄GaP层上制备由ITO透明导电膜和 SixNy介质膜所形成的复合增透膜来提高发光二极管的提取效率。设计ITO透明 导电膜的光学厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si凡介质膜的光学厚度 为四分之一LED发射波长的奇数倍，Si凡介质膜的折射率是LED外延片最上层 半导体材料的折射率的开方。当一种膜层的光学厚度为二分之一波长的整数 倍时，这种膜层将成为虚设层，也就是说，对于中心波长的反射率毫无影响， 在ITO膜不能做为最佳增透膜的情况下时，我们将其的光学厚度设计为二分之 一波长的整数倍，使其对于生长上ITO膜的发光二极管的发射波长的反射率不 起任何影响，然后使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备在ITO上再 生长一层Si凡介质膜(非晶膜)，使其的折射率为ITO透明导电膜下面半导体 材料折射率的平方根，光学厚度为四分之一波长的奇数倍。使用PECVD设备通 过调节生长参数来得到所需要的Si凡介质膜的折射率。当工艺参数确定后， 生长速度基本保持不变，可以通过控制生长时间来控制SixNy介质膜的物理厚 度。这种方法工艺简单，容易实施。LED的外延片基本结构是在衬底8上依次生长N型半导体7，多量子阱有源 区6， P型半导体5， GaP层4。我们设计的ITO透明导电膜与Si凡介质膜组成的复 合增透膜生长在外延片最上层的半导体表面上。设计IT0透明导电膜3的光学 厚度为二分之一LED发射波长的整数倍，Si凡介质膜2的光学厚度为四分之一 LED发射波长的奇数倍，Si凡介质膜2的折射率是LED外延片最上层半导体材料 的折射率的开方。本技术提供了一种高提取效率的半导体发光二极管结构，包括LED外延片，其特征是在LED外延片的最上层半导体材料表面上依次生长光学厚度为 1/2波长整数倍的IT0透明导电膜3和光学厚度为l/4波长奇数倍的S:LNy介质膜 2，并且Si凡介质膜2的折射率为LED外延片最上层半导体材料的折射率的开 方，P电极1的底部与IT0透明导电膜3直接接触，P电极l的侧壁与SLNy介质膜2 直接接触。本技术的特点在于它采用如下的工艺过程1) 制备LED外延片；2) 在LED外延片的最上层半导体材料表面上生长光学厚度为二分 之一LED发射波长整数倍的ITO透明导电膜3 ，能够很好的实现电流扩展 作用；3) 在IT0透明导电膜3上，使用等离子体增强气相化学沉积法 (PECVD)制备Si凡介质膜2，使用硅烷和氮气制备SixNy介质膜2，其光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，折射率为LED外延片最上层 半导体材料的折射率的开方，Si凡介质膜2与IT0透明导电膜3共同作用 形成复合增透膜，能够实现最佳增透效果；4) P电极l的制备在Si凡介质膜2表面甩胶、光刻、显影，腐蚀 掉电极位置的Si凡介质膜2，然后在上面蒸发金属电极，超声剥离，只 留下电极位置的金属形成P电极l,使得P电极1的底部与I:T0透明导电膜 3直接接触，P电极l的侧壁与Si凡介质膜2直接接触；5) 然后将LED外延片的衬底8减薄，在衬底8上蒸金属形成N电极9;6) 解理。这种ITO透明导电膜3与Si凡介质膜2组成的复合增透膜结构不仅适用于 红光LED，而且也适用于蓝光和绿光的GaN基的LED，在GaN基LED上起到好的电 流扩展作用的同时能够达到最佳的增透效果。对于GaN基LED,由于制备GaN衬 底非常困难，所以通常采用在蓝宝石作为衬底，然后再在蓝宝石衬底上依次 生长GaN缓冲层，N型GaN材料，多量子有源区，P型GaN材料。由于蓝宝石衬底 导电性和导热性差，N型电极和P型电极都是制备在上表面。ITO透明导电膜用 于GaN基LED的电流扩展层时，光学厚度同样是二分之一的LED发射波长的整数 倍。然后在IT0上面生长Si凡介质膜2，光学厚度是四分之一的LED发射波长的 奇数倍，Si凡介质膜2的折射率则是GaN基LED的P型半导体材料折射率的平方 根。GaN基蓝光、绿光的LED与红光LED相比，虽然制备LED外延片材料和器件 的制备工艺过程不同，但是在LED外延片上生长IT0透明导电膜3与S;UNy介质膜2组成的复合增透膜结构的设计原则是一致的。设计IT0透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高提取效率的半导体发光二极管结构，包括ＬＥＤ外延片，其特征是在ＬＥＤ外延片的最上层半导体材料表面上依次生长光学厚度为１／２波长整数倍的ＩＴＯ透明导电膜（３）和光学厚度为１／４波长奇数倍的Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜（２），并且Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜（２）的折射率为ＬＥＤ外延片最上层半导体材料的折射率的开方，Ｐ电极（１）的底部与ＩＴＯ透明导电膜（３）直接接触，Ｐ电极（１）的侧壁与Ｓｉ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］介质膜（２）直接接触。

【技术特征摘要】
1、一种高提取效率的半导体发光二极管结构，包括LED外延片，其特征是在LED外延片的最上层半导体材料表面上依次生长光学厚度为1/2波长整数倍的ITO透明导电膜(3)和光学厚度为1/4波长奇数倍的Six...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈光地，达小丽，朱彦旭，徐晨，陈依新，黄红娟，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]