一种提高出光效率的深紫外LED的制作方法

一种提高出光效率的深紫外led
技术领域
1.本发明涉及半导体领域，特别是一种提高出光效率的深紫外led。


背景技术：

2.目前,大功率高亮度蓝光led已成为led行业发展的重点，广泛应用于室内外照明。蓝光led采用gan体系，可以实现衬底剥离。紫外led由于采用aln结构，无法实现衬底剥离，目前市场上多数产品采用倒装结构。这样有源区发出的光线经透明的蓝宝石衬底取出。
3.半导体深紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。以algan材料为发光区的深紫外led的发光波长能够覆盖230～365nm的紫外波段，是实现该波段深紫外led器件产品的理想材料，具有其它传统紫外光源所无法比拟的优势。目前深紫外led最大的瓶颈是光电转换效率。商用蓝光led的光电转换效率可以到70％左右，而商用紫外led的光电转换效率只有4％不到。从内量子效率，蓝光led的内量子效率达到95％以上，紫外led的内量子效率可以达到70％。因此决定紫外led的最大因素是出光效率，即如何将材料内的光提取出来成为行业研究的重点。
4.对于蓝宝石，在紫外波段，折射率为2.5。根据折射率公式，当光线从折射率为n1的材料进入折射率为n2的材料时，光发生折射，折射光满足n1sin(θ1)＝n2sin(θ2)。当n1》n2，即光密介质到光疏介质时，当θ1大于以下角度时，sin(θ1)＝n2/n1，光发生全反射，此时的角度成为全反射角。对于紫外光来说，光线从蓝宝石进入空气，全反射角为24
°
，即入射角大于24
°
时，光线将被全反射。假设从有源区发射的光是各向同性，理论上只有8.6％的光位于该入射角内。当芯片尺寸越大时，能逃逸的光占比越小。对20mil*20mil的芯片，入射到正面的光只有44.6％能逸出；当芯片面积扩大到45mil*45mil时，入射到正面的光只有20％能逸出，即随着芯片面积的增大，光能从正面逃逸出来的比例会越来越少。因此大尺寸芯片更迫切需要增加光萃取，这就需要提出一种新的深紫外led设计方式用于解决现有技术中所存在的不足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种提高出光效率的深紫外led，用于解决现有技术中深紫外led出光效果不佳的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高出光效率的深紫外led，包括依次层叠设置的增透层、蓝宝石衬底、n型半导体层、发光层和p型半导体层；蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面设有成核区图案，成核区图案由若干十字形凹槽阵列排布而成，增透层由若干半球状或半椭球状的凝聚体阵列排布而成，每一凝聚体均对应填充于一十字形凹槽中。
7.其中，蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，沉积增透层，然后采用激光退火工艺，使增透层达到熔融状态，并基于成核区图案自组装形成若干凝聚体；增透层中若干凝聚体的投影面积之和与蓝宝石衬底的面积之比大于20％。
8.优选的，凝聚体为氧化镓、氧化硅、氧化硼中任意一种材料。
9.优选的，成核区图案中若干十字形凹槽以三角形周期阵列形式排布，相邻十字形凹槽之间的中心间距为200～500μm。
10.优选的，成核区图案中每一十字形凹槽均由第一凹槽部和第二凹槽部组成，且第一凹槽部和第二凹槽部垂直相交；第一凹槽部和第二凹槽部的长度为200～500μm。
11.具体地，当第一凹槽部的长度等于第二凹槽部的长度时，凝聚体为半球状结构。
12.具体地，当第一凹槽部的长度大于第二凹槽部的长度时，凝聚体为半椭球状结构。
13.优选的，增透层的带隙能量大于二极管发光的光子能量；增透层的折射率为n1，蓝宝石衬底折射率为n2，满足n1≥0.8*n2。
14.此外，提高出光效率的深紫外led还包括、第一反射层、第二反射层、n电极和p电极；第一反射层和n电极依次层叠设置于n型半导体层的台阶结构上，第二反射层和p电极依次层叠设置于p型半导体层上。
15.优选的，n型半导体层为n型al
x
ga
1-x
n，发光层为单层或多层量子阱结构，量子阱为alzga
1-z
n，且满足x≥z。
16.本发明的有益效果是：区别于现有技术特征，本发明提供一种提高出光效率的深紫外led，通过在蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，自组装形成具有若干凝聚体的增透层，利用半球状或半椭球状凝聚体的折射，使落入该凝聚体的光从透光层向空气中逃逸，显著提高深紫外led的出光效率，并且使制备工艺流程更加简捷。
附图说明
17.图1是本发明中提高出光效率的深紫外led一实施方式的结构示意图；
18.图2是本发明实施例1中蓝宝石衬底的图形化结构示意图；
19.图3是本发明实施例2中蓝宝石衬底的图形化结构示意图；
20.图中：1-增透层，11-凝聚体，2-蓝宝石衬底，3-n型半导体层，4-发光层，5-p型半导体层，6-第一反射层，7-第二反射层，8-n电极，9-p电极。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1，本发明提供了一种提高出光效率的深紫外led，包括依次层叠设置的增透层1、蓝宝石衬底2、n型半导体层3、发光层4和p型半导体层5；蓝宝石衬底2远离n型半导体层3一侧表面设有成核区图案21，成核区图案21由若干十字形凹槽阵列排布而成，增透层由若干半球状或半椭球状的凝聚体11阵列排布而成，每一凝聚体11均对应填充于一十字形凹槽中。
23.本实施方式中，蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，沉积增透层，可以采用蒸镀或者溅射方式沉积增透层薄膜；然后采用激光退火工艺，使增透层达到熔融状态，并基于成核区图案自组装形成若干凝聚体；即蓝宝石衬底上的成核区图案，一方面
能够起到增透作用，另一方面便于凝聚体的自组装形成，从而无需纳米压印、光刻、等离子体刻蚀等复杂图形化工艺流程，使制备工艺更加简捷。
24.具体地，增透层中若干凝聚体的投影面积之和与蓝宝石衬底的面积之比大于20％，这是由于凝聚体覆盖面积若过低，则难以获得较好的增透效果。第一凹槽和第二凹槽尺寸决定凝聚体的大小，凹槽中心之间的距离决定了凝聚体的密度。具体地，凝聚体为氧化镓、氧化硅、氧化硼中任意一种高透过率的薄膜材料。
25.具体地，成核区图案中若干十字形凹槽以三角形周期阵列形式排布，相邻十字形凹槽之间的中心间距为200～500μm；成核区图案中每一十字形凹槽均由第一凹槽部和第二凹槽部组成，且第一凹槽部和第二凹槽部垂直相交；第一凹槽部和第二凹槽部的长度为200～500μm。对于第一凹槽部和第二凹槽部的长度关系，存在以下两种情况：
26.a)当第一凹槽部的长度等于第二凹槽部的长度时，凝聚体为半球状结构。
27.b)当第一凹槽部的长度大于第二凹槽部的长度时，凝聚体为半椭球状结构。
28.具体地，增透层的带隙能量大于二极管发光的光子能量。增透层的折射率为n1，蓝宝石衬底折射率为n2，满足n1≥0.8*n2。
29.此外，提高出光效率的深紫外led还包括第一反射层6、第二反射层7、n电极8和p电极9；第一反射层6和n电极8依次层叠设置于n型半导体层3的台阶结构上，第二反射层7和p电极9依次层叠设置于p型半导体层5上；第一反射层和第二反射层的作用在于反射紫外光，使更多紫外光由增透层一侧出射。n型半导体层为n型al
x
ga
1-x
n，发光层为单层或多层量子阱结构，量子阱为alzga
1-z
n，且满足x≥z。
30.下面通过具体实施例和对比例，对本发明中具有提高发光效率功能的aln薄膜的制备效果进行表征和分析。
31.实施例1
32.本实施例中具体制备步骤如下：
33.(1)采用mocvd法在蓝宝石衬底上依次生长n型半导体层、发光层和p型半导体层。
34.(2)在蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，如图2所示，成核区图案中每一十字形凹槽210均由第一凹槽部211和第二凹槽部212组成，第一凹槽部211和第二凹槽部212的长度均为250μm，相邻十字形凹槽之间的中心间距为300μm。
35.(3)将蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，沉积增透层；然后采用激光退火工艺，使增透层达到熔融状态，并基于成核区图案自组装形成若干半球状的凝聚体。
36.(4)刻蚀p型半导体层和发光层直至n型半导体层，在n型半导体层台阶结构处依次沉积第一反射层和n电极，在p型半导体层上依次沉积第二反射层和p电极，得到深紫外led样品。
37.实施例2
38.本实施例中具体制备步骤如下：
39.(1)采用mocvd法在蓝宝石衬底上依次生长n型半导体层、发光层和p型半导体层。
40.(2)在蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，如图3所示，成核区图案中每一十字形凹槽220均由第一凹槽部221和第二凹槽部222组成，第一凹槽部221的长度为150μm，第二凹槽部222的长度为300μm，相邻十字形凹槽之间的中心间距为500μm。
41.(3)将蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，沉积增透层；然后采用激光退火工艺，使增透层达到熔融状态，并基于成核区图案自组装形成若干半椭球状的凝聚体。
42.(4)刻蚀p型半导体层和发光层直至n型半导体层，在n型半导体层台阶结构处依次沉积第一反射层和n电极，在p型半导体层上依次沉积第二反射层和p电极，得到深紫外led样品。
43.对比例1
44.本对比例基于实施例1的制备步骤，去掉实施例1的步骤(3)，即仅在蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，而不设置增透层结构，其他步骤与实施例1一致。
45.对比例2
46.本对比例基于实施例1的制备步骤，去掉实施例1的步骤(2)和(3)，即不对蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面进行刻蚀，也不设置增透层结构，其他步骤与实施例1一致。
47.对实施例1～2和对比例1～2所制备样品进行出光功率测试，结果如表1所示。由表1数据可以看出，实施例1～2相较于对比例1和对比例2来说，出光功率提升效果显著，证明采用成核区图案配合增透层的凝聚体结构的设计方式，相比于现有的led设计方式，能够获得更优异的出光效果。在实例1中，由于凝聚体的密度高，提升出光更明显。对比例1只刻蚀凹槽阵列，对光散射有影响，出光效果不大。
48.表1
[0049] 成核区图案凝聚体出光功率/mw实施例1等长十字形凹槽阵列半球状36实施例2非等长十字形凹槽阵列半椭球状30.5对比例1等长十字形凹槽阵列无21.8对比例2无无21
[0050]
区别于现有技术特征，本发明提供一种提高出光效率的深紫外led，通过在蓝宝石衬底远离n型半导体层一侧表面刻蚀成核区图案，自组装形成具有若干凝聚体的增透层，利用半球状或半椭球状凝聚体的折射，使落入该凝聚体的光从透光层向空气中逃逸，显著提高深紫外led的出光效率，并且使制备工艺流程更加简捷。
[0051]
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
[0052]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。