[发明专利]一种纳米结构出光面半导体发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件制造技术领域，尤其涉及一种纳米结构出光面的半导体发光二极管LED，适合于多种波长的LED，如红光、蓝光、绿光LED等。

背景技术

半导体发光二极管由于其节能、环保和长寿等优点，广泛应用于彩色显示、照明领域，是新一代的照明革命。目前发光管内量子效率足够高，但是外量子效率不高，如何使得在半导体有源区内产生的光子充分逸出是当前提高LED亮度的重要途径之一。

由于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。如果取发光二极管的半导体材料的折射率在3.6左右，则这种半导体与空气交界的临界角为θ₁＝sin^-1(1/n₁)≈16.2°，入射角大于临界角时形成全反射。就在4π立体角内各向均匀发射的复合发光而言，临界角内的光只占(1-cosθ₁)/2≈0.02。临界角内的光还会有三分之一被表面反射回内部。被反射回去的光如果不能从其他的表面出射，就会在LED内部被吸收。大量的光损失在LED内部，致使LED的外量子效率低。

针对上述原因，人们采用表面半导体材料的微结构再构的方法，利用散射及衍射原理改变光在界面出光的方向，使原来要被反射回LED的光逸出LED。目前大多采用的是光刻膜版法和湿法腐蚀。光刻膜版法受到光刻版尺寸的限制，普通光刻做不到纳米级的尺寸，电子束光刻可以达到纳米级，但其成本大大增加。湿法腐蚀的方法受到半导体表面材料晶格结构的限制，另外会受到其掺杂浓度和生长质量的影响，可重复性不高。

发明内容

本发明的目的是减少由于光在出光表面的反射造成的光损失，提供一种纳米结构出光面半导体发光二极管及其制备方法，克服出光面的内反射。同时利用铟锡氧化物ITO或金属电极结构，增加注入电流的扩展，使出光率提高，以低成本获得高优良产品。

本发明所提供的一种纳米结构出光面半导体发光二极管，包括有在衬底7上依次向上生长的布拉格反射层DBR6、N型下限制层5、多量子有源区4、P型上限制层3和磷化镓GaP层2，GaP层2上表面制备的P型电极，衬底7的下表面制备有N型电极8，本发明的特征在于，在所述的GaP层2的上表面没有P型电极的表层刻蚀出纳米级的凹凸结构层面；也可在GaP层的上表面上覆盖一层铟锡氧化物ITO导电膜10，再在GaP层的上表面覆盖有铟锡氧化物ITO导电膜10的P型电极上制备同结构P型电极11。

所述的凹凸层面的凹凸部分按周期规律分布，周期T为150～500nm，所述的周期是指从第一个凹入层面的第一个切入点到第二个凹入面的第一个切入点为止。

所述的凹凸层面的凸出部分的截面设置为立锥型、圆柱型和栅型；从凸出部分的最低点到凸出部分最高点的高度H为300～1000nm，其中圆柱型和栅型的直径D为50～300nm。

所述的P型电极为金属框架的田字格结构，田字格的中心设有一个与田字格框架相通的金属圆点。

所述的纳米级的范围是50～1000nm。

本发明所提供的一种制备纳米结构出光面半导体发光二极管的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底7上依次向上生长的布拉格反射层DBR6、N型下限制层5、多量子有源区4、P型上限制层3和GaP层2，

2)在GaP层2上表面制备P型电极11，先在其上表面生长厚度为200～500介质层12，介质层12采用二氧化硅SiO₂、或铟锡氧化物ITO或氮化硅SiN_X，

4)在介质层12上溅射金属薄层13，溅射时间为19～72s，

5)在N₂气环境下高温退火，温度为300～400℃，时间为2～10min，金属薄层13组装成金属纳米颗粒13-1，

金属薄层13在高温退火条件下，会发生组装的现象。当金属层足够薄时，在一定的退火温度、退火时间范围内，金属层会分离成单层的、分散的金属纳米颗粒13-1。通过调节金属层厚度可以得到不同直径的金属颗粒；通过调节退火的温度和时间可以得到分散度不同的金属颗粒。