一种光子晶体结构GaN基LED的制作方法 【技术领域】
本发明涉及一种以光子晶体作为出光表面的光子晶体GaN基LED(发光二极管)，属于光电子技术领域。
背景技术
半导体发光二极管(LED)自发明以来在LED指示灯、LED交通信号灯、LED显示屏等方面获得了广泛的应用。最近，随着半导体技术的发展，LED的效率在不断提高。虽然如此，在电光转换效率方面还有必要做更多改进。因为制备发光二极管的半导体材料与空气的折射率相差比较大，因全反射和斯涅尔损耗导致光的出射角度小且界面反射率高。鉴于GaN(n≈2.5)和空气的折射率，光逃逸锥面的临界角大约为23°。逃逸锥面之外的光因全反射被衬底或活性层或电极重复反射或者吸收。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提高提取效率的有效手段。通过LED表面的表面织构化，可以抑制内部光的反射并使光向上散射。
光子晶体是由不同折射率的电介质材料周期性排列而形成的人造晶体。美国专利第5,955,749号报导了一种周期性排列的圆柱状通道结构的光子晶体LED，该LED利用光子晶体可改变光在外延层的传播行为。美国专利早期公开案US2003/0141507A1中公开了一种利用光子晶体结构的发光二极管，并提出了光子晶体结构发光二极管的制作方法。此外，利用光子晶体特有的光子能带结构，将在LED中传播的导模转化为辐射模来增加发光二极管的引出效率，在近几年也有很多报导，如Jonathan J.Wierer等人的“高引出效率的III族N化物光子晶体发光二极管”，自然光子学，第3卷，第163-169页(2009年)，Alexei A.Erchak等人的“在半导体发光二极管中利用二维光子晶体增强耦合的垂直发射”，应用物理快报，第78卷，第563-565页(2001年)，Chia-Hung Hou等人的“用单层微球制作的二维孔阵列增加发光二极管的光输出”，应用物理快报，第95卷，第133105-133107页(2009年)。
可见，光子晶体对LED出光效率的提高有很大的作用，但由于光子晶体的加工工艺通常涉及干法刻蚀外延层，这就可能会对有源区造成损伤，从而降低了出光。中国专利文献CN100524865C公开了一种《制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法》，提出了在氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜上制作光子晶体，包括：在衬底上依次外延N-GaN层、有源层和P-GaN层，形成GaN基LED的材料结构；在GaN基LED的材料结构上的P-GaN层上生长ITO层；在ITO层上淀积一层SiO2掩蔽层；腐蚀掉部分SiO2掩蔽层，暴露需要刻蚀的ITO层；刻蚀暴露出的ITO层，形成GaN基LED的台面结构；去除剩余的SiO2掩蔽层；在ITO层上光刻并制作出二维光子晶体结构；在GaN基LED的台面结构上用光刻和电子束蒸发制作出N-GaN电极；对N-GaN电极进行合金化处理；最后在ITO层和N-GaN电极上，采用光刻和电子束蒸发的方法制作加厚电极，完成器件的制作。但是氧化铟锡薄膜的湿法腐蚀难以控制，而干法腐蚀难以进行。这就为光子晶体结构的制备提出了新的挑战。
【发明内容】
本发明针对现有制作光子晶体结构工艺中存在的缺陷和不足，提供一种成本低、工艺简单、适合规模化生产的光子晶体结构GaN基LED的制作方法。
本发明的光子晶体结构GaN基LED的制作方法，包括以下步骤：
(1)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在衬底(对蓝光GaN基LED衬底为蓝宝石或SiC材料)上依次外延生长N-GaN层、多量子阱有源区和P-GaN层，形成GaN基LED的材料外延结构；
(2)在步骤(1)生长的P-GaN外延层上生长沉积ITO(氧化铟锡)薄膜层，作为P型透明导电层；
(3)将氧化铟锡的靶材(ITO)溶于盐酸溶液作为ITO的前驱体，然后用水稀释至合适的浓度，其中ITO前驱体溶液的质量百分浓度为1％--10％；
(4)在生长沉积了ITO薄膜的外延片上铺一层单层的PS(聚苯乙烯)球，然后在PS球单层膜和ITO层之间的空隙填充稀释后的ITO的前驱体溶液；
(5)将带ITO前驱体溶液地外延片置于烘箱中，120℃干燥1小时，然后转移到马弗炉中，升温至500℃，煅烧30分钟，自然降至室温；
(6)经光刻、腐蚀ITO和ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀，使N-GaN层暴露；
(7)分别在ITO光子晶体层和暴露的N-GaN上制作出P电极和N电极，再进行合金化；
(8)将衬底减薄，解理后形成单个芯片，完成器件的制作。
所述步骤(4)中PS球的直径可根据需要调控，从100nm到1000nm不等。
所述步骤(6)中ICP干法刻蚀采用的刻蚀气体可为氩气、三氯化硼和氯气。
所述步骤(7)中P、N金属电极的材料为Cr和Au。
所述步骤(8)中衬底减薄至100微米左右。
本发明引入了自下而上组装的方法制作非入侵式的光子晶体结构，使用聚苯乙烯(PS)球排列的单层膜作为模板，经ITO前躯体填充球之间的空隙，再通过干燥使前躯体固化。然后经煅烧去除PS球，同时ITO前驱体分解并氧化生成ITO，从而得到周期排列的碗装结构ITO的光子晶体。ITO薄膜层易于控制，制备的LED出光率能提高50％左右，具有成本低、工艺简单的特点，适合规模化生产。
【附图说明】
图1是本发明的操作步骤流程图。
图2是本发明制作步骤的图解示意图。
图3是本发明制作的光子晶体LED表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图4是本发明制作的光子晶体LED与正常工艺LED的电流-亮度曲线对比。
其中：1、衬底，2、N-GaN层，3、多量子阱有源区，4、P-GaN层，5、ITO薄膜层，6、PS球单层膜，7、ITO前驱体，8、ITO的碗状周期排列结构(光子晶体)，9、P电极，10、N电极。
【具体实施方式】
实施例1
如图1和图2所示，本发明利用PS球作模板进行光子晶体结构GaN基LED的制作方法，具体包括如下步骤：
(1)首先按常规GaN基LED外延生长方法利用金属有机化学气相沉积的方法在衬底1上依次外延生长N型GaN层2、多量子阱有源区3和P型GaN层4，形成外延片。然后用电子束蒸镀的方法沉积一层ITO薄膜层5。其中的衬底为蓝宝石或SiC材料。本实施例的衬底1为蓝宝石衬底。参见图2中的(a)图。
(2)将ITO靶材溶于盐酸作为ITO的前驱体溶液，然后用水稀释至合适的浓度。本实施例中稀释后的ITO前驱体溶液的质量百分浓度为3％。
(3)在沉积有ITO薄膜的外延片上铺设一层由PS球紧密排布组成的PS球单层膜6。本实施例中PS球的直径为1000nm。参见图2中的(b)图。
(4)在ITO薄膜5和PS球单层膜6之间的空隙填充ITO的前驱体溶液7。将其置于120℃的烘箱中干燥1小时。参见图2中的(c)图。
(5)将干燥后的样品转移到马弗炉中，升温至500℃并保持30分钟。经过高温反应后，ITO的前驱体7会转变成ITO的碗状周期排列结构8，即光子晶体结构。在高温下PS球也会与空气反应，分解为CO2而除去，最后形成图2中的(d)图结构。
(6)通过光刻和腐蚀ITO，再经过ICP干法刻蚀，使N-GaN层暴露出来。然后在光子晶体和N-GaN层上采用电子束蒸发制作P电极9和N电极10，最后进行合金化处理。干法刻蚀采用的刻蚀气体为氩气、三氯化硼和氯气。P电极9的材料为金属Cr，N电极10的材料为Au。最后形成的如图2中(e)所示的光子晶体LED的结构。光子晶体LED发光区的表面形貌如图3所示。
(7)最后，再按常规LED制作方法将衬底1的蓝宝石减薄至100微米左右并进行抛光，然后将制作完成的器件解理，即可形成单个光子晶体LED芯片。
参见图4，与正常工艺制备的LED芯片相比，采用1微米PS球作为模板制作的光子晶体LED的出光能提高50％左右。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于步骤(3)中是采用直径为700nm的PS球作为模板，步骤(2)中用水稀释后的ITO前驱体溶液的质量百分浓度为1％。
实施例3
本实施例与实施例1的不同在于步骤(3)中是采用直径为400nm的PS球作为模板，步骤(2)中用水稀释后的ITO前驱体溶液的质量百分浓度为6％。
实施例4
本实施例与实施例1的不同在于步骤(3)中是采用直径为100nm的PS球作为模板，步骤(2)中用水稀释后的ITO前驱体溶液的质量百分浓度为10％。