專利名稱：一種光子晶體結構的發光二級管及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體光電器件制造技術領域，主要涉及一種在LED的超晶格中制作的光子晶體結構，是一種利用超晶格結構和光子晶體的禁帶效應有效降低P型歐姆接觸、提高LED光提取效率的制造技術。
背景技術：
LED是當前電子信息工業應用最為廣泛的有源器件，而且高亮度LED在能量轉換過程中僅釋放少量的熱量，具有高效、節能、環保和壽命長等優點，使其在動態顯示、半導體照明領域有較好的應用前景。隨著外延生長技術的提高，GaN基LED的亮度和效率得到了明顯的改善。但為了實現聞性能的LED器件，進一步提聞P型GaN層的質量是十分關鍵的。研究者已經在實驗 上[I]驗證了在GaN基LED的表面引入超晶格結構可以增加電子空穴的復合發光效率；并在理論和實驗上[2 5]證實了光子晶體結構的引入能有效地提高LED的光提取效率。在將超晶格引入LED時，可置于LED中的p-GaN層之上或者之下，均會因超晶格產生的二維空穴氣而增大電子空穴的復合發光效率。但是，本發明選擇將超晶格置于P-GaN層之上，這樣做不僅有利于發光效率的提升，還因為超晶格結構充當了歐姆接觸層，使得空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率增加，從而可以降低P型層的歐姆接觸電阻。而在利用光子晶體結構提高GaN基LED出光效率的研究中，光子晶體結構一般被制作在P型GaN的表層。但是在P型GaN層引入光子晶體結構會減弱p型GaN層和金屬的歐姆接觸特性，而且光子晶體的刻蝕工藝也可能導致對器件P型GaN層和LED有源區的損傷。因此，本發明選擇在P型GaN上首先制備超晶格結構，然后在其上制作光子晶體。本發明提供的制作方法一方面可以保護P型GaN層不被損傷，另一方面可以克服因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結構這一缺陷，從而可以有效地提高GaN基LED的出光效率。參考文獻[ I ] C . Liu, T . Lu, L . Wu, H . Wang, Y . Yin, G . Xiao, Y . Zhou, andS. Li, ^EnhancedPerformance of Blue Light-Emitting Diodes With InGaN/GaN Superlattice as HoleGathering Layer，，，IEEE Photonics Technology Lett.Vol. 24, NO. 14, July 15,2012.[2]張雄，王璨璨，陳洪鈞，張沛元，崔一平“一種光子晶體結構發光二極管中國專利，申請號CN102361053A,申請日期:2012-02_22。[3] J. Shakya, K. H. Kim, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, “Enhanced light extractioninlll-nitride ultraviolet photonic crystal light-emitting diodes，，，Appl.Phys.Lett. 85，142(2004).[4] Jonathan J. ffierer, Jr, Aurelien David and Mischa M. Megens, “III-nitridephotonic-crystal light-emitting diodes with high extractionefficiency”，NaturePhotonics 3,163-169(2009).[5] S. Kawashima, _T. Kawashima, Y. Nagatomo, Y. Hori, H. Iwase, T. Uchida, K.Hoshino,A.Numata, and M.Uchi da, “GaN-based surface-emitting laserwithtwo-dimensional photonic crystal acting as distributed-feedback grating andopticalcladding”, Appl.Phys. Lett. 97, 251112(2010).

發明內容
技術問題針對上述現有具有光子晶體結構的GaN基LED及其制備方法中所存在的問題和不足，本發明所提供的一種光子晶體結構的發光二級管，既能夠解決現有GaN基LED的復合發光效率和光提取效率低下的問題，又能夠避免由于引入光子晶體可能會對P型GaN層和LED有源區所造成的損傷。而且，本發明在p_GaN層上生長超晶格結構既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復合發光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率以降低P層的歐姆接觸電阻。另外，本發明通過在P型GaN之上的超晶格結構中制作光子晶體，一方面可以保護P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較`薄不利于制作較大深度的光子晶體結構這一缺陷，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。技術方案本發明提供一種光子晶體結構的發光二級管。該發光二級管自下至上順序設置有襯底、緩沖層、η型GaN外延層、InGaN/GaN多量子阱的有源發光層、P型GaN外延層、P型超晶格結構、透明導電層、鈍化層，在η型GaN外延層上還設有η型電極，在透明導電層上還設有P型電極，在P型超晶格結構中制備有光子晶體結構。所述的P型超晶格結構為Mg摻雜的P型超晶格結構，該種P型超晶格結構為p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一種，該種超晶格結構的周期數即重復次數范圍為1-20,每個周期的厚度為5-20nm。所述的光子晶體結構，該種光子晶體包括空氣孔型和介質柱型兩種結構對于空氣孔型光子晶體，晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，空氣孔的直徑為lOO-lOOOnm，空氣孔的高度為10-400nm;對于介質柱型光子晶體，則晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，介質柱的直徑為IOO-IOOOnm,介質柱的高度為10_400nm。所述的介質柱或空氣孔的形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形或半球形中的任一種；制作于發光二級管LED中的光子晶體的類型為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格或光子準晶體中的任一種。本發明的光子晶體結構的發光二級管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。優選的情況下，所述光子晶體結構為介質柱型光子晶體，并且介質柱頂端的形狀為半球形；優選的情況下，所述光子晶體結構的類型為三角晶格光子晶體或十二重對稱的光子準晶結構。有益效果根據本發明所提供的新型光子晶體結構的GaN基LED和制備方法，在GaN基LED的ρ-GaN層上生長超晶格結構既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復合發光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率來降低P層的歐姆接觸電阻。其次，通過在P型GaN之上的超晶格結構中制作光子晶體，一方面可以保護P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結構這一問題，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。


圖I為具有新型光子晶體結構的LED的側視圖；圖2為現有技術制備的帶有光子晶體結構的LED的側視圖；圖3所示為本發明所制備的光子晶體結構的側視圖。圖4 (a)為LED中的正方晶格光子晶體的結構示意圖；圖4 (b)為LED中的三角晶格光子晶體的結構示意圖；圖4 (C)為LED中的蜂窩晶格光子晶體的結構示意圖；圖4 (d)為LED中的十二重對稱的光子準晶的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。如圖I所示為本發明所提供的一種具有新型光子晶體結構的LED的側視圖。該LED的結構要素包括襯底101，緩沖層102，η型GaN外延層103，η型電極104，InGaN/GaN多量子阱的有源發光層105，P型GaN外延層106，p型超晶格結構107，在p型超晶格結構107中制備的光子晶體結構108，透明導電層109，鈍化層110，P型電極111。如圖2所示為現有技術制備的帶有光子晶體結構的LED的側視圖。其構成要素包括襯底201，緩沖層202，η型GaN外延層203，η電極204，InGaN/GaN多量子阱的有源發光層205，P型GaN外延層206，直接制備于ρ-GaN層中的光子晶體結構207，透明導電層208，鈍化層209，P型電極210。圖3所示為本發明所制備的光子晶體結構的側視圖。本發明的光子晶體結構可以為介質柱型或者空氣孔型光子晶體；圖4 (a)、(b)、(C)、(d)分別為本發明的LED中所能采用的正方晶格光子晶體、三角晶格光子晶體、蜂窩晶格光子晶體、十二重對稱的光子準晶體的結構示意圖。其中光子準晶體結構可以是五重對稱、八重對稱、十重對稱和十二重對稱四種結構中的任一種。而本發明所述新型光子晶體結構的介質柱或空氣孔的形狀可以為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形、半球形中的任一種。通過在P型GaN之上的超晶格結構中制作光子晶體，使得本發明提供的GaN基LED與現有技術制備的LED相比具備兩方面的優勢首先，在p-GaN層上生長超晶格結構既可以獲得高的空穴濃度從而增加電子空穴的復合發光效率，又可以增大空穴遂穿金屬層和超晶格層的幾率來降低P層的歐姆接觸電阻；其次，通過在P型GaN層上的超晶格多層結構中制作光子晶體，一方面可以保護P型GaN層不被損傷，另一方面可以避免因P型GaN層較薄不利于制作較大深度的光子晶體結構這一問題，從而能夠顯著地提高LED的出光效率。本發明不僅適用于同側結構的GaN基LED，對于垂直結構以及正、倒裝的GaN基LED結構也同樣適用。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所做的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護 范圍內。
權利要求
1.一種光子晶體結構的發光二級管，其特征在于該發光二級管自下至上順序設置有襯底(101)、緩沖層(102)、η型GaN外延層(103)、InGaN/GaN多量子阱的有源發光層(105)、P型GaN外延層(106)、p型超晶格結構(107)、透明導電層(109)、鈍化層(110)，在η型GaN外延層(103 )上還設有η型電極(104 )，在透明導電層(109 )上還設有P型電極(111 )，在P型超晶格結構(107)中制備有光子晶體結構(108)。
2.根據權利要求I所述的光子晶體結構的發光二級管，其特征在于所述的P型超晶格結構(107)為Mg摻雜的P型超晶格結構，該種P型超晶格結構為p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一種，該種超晶格結構的周期數即重復次數范圍為1_20，每個周期的厚度為5-20nm。
3.根據權利要求I所述的光子晶體結構的發光二級管，其特征在于所述的光子晶體結構(108)，該種光子晶體包括空氣孔型和介質柱型兩種結構對于空氣孔型光子晶體，晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，空氣孔的直徑為lOO-lOOOnm，空氣孔的高度為10_400nm ;對于介質柱型光子晶體，則晶格周期范圍為lOO-lOOOnm，介質柱的直徑為lOO-lOOOnm，介質柱的高度為10_400nm。
4.根據權利要求3所述的光子晶體結構的發光二級管，其特征在于所述的介質柱或空氣孔的形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形或半球形中的任一種；制作于發光二級管LED中的光子晶體的類型為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格或光子準晶體中的任一種。
5.一種如權利要求I所述的光子晶體結構的發光二級管的應用，其特征在于所述的發光二級管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。
全文摘要
本發明提供了一種光子晶體結構的發光二級管，該發光二級管自下至上順序設置有襯底(101)、緩沖層(102)、n型GaN外延層(103)、InGaN/GaN多量子阱的有源發光層(105)、p型GaN外延層(106)、p型超晶格結構(107)、透明導電層(109)、鈍化層(110)，在n型GaN外延層(103)上還設有n型電極(104)，在透明導電層(109)上還設有p型電極(111)，在p型超晶格結構(107)中制備有光子晶體結構(108)。所述的發光二級管適用于GaN基LED，也適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。
文檔編號H01L33/00GK102945902SQ20121053302
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者張 雄, 王春霞, 陳洪鈞, 崔一平 申請人:東南大學