[发明专利]一种利用光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件及其制造方法，尤其涉及一种利用光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件及其制造方法。

背景技术

III-V族化合物半导体材料在发光二极管、半导体激光器、探测器，及电子器件方面有着广泛的应用。发光二极管芯片是通过在外延片基板生长N型层，单量子井/多量子井发光层，P型层而获得，另外还可以有选择地生长缓冲层和电流扩展层等。不同层之间以及器件与外部介质之间的电介质常数的不同，使得发光二极管芯片在垂直于层结构的方向形成了折射率的变化。从芯片发光层发出的光，在出射到器件外部的过程中，将经历层结构之间的折射率的变化，一部分的光线会被反射回来，特别是从光密介质进入光疏介质时，出射角大于临界角的光线在界面处会发生全反射，其结果是有一部分光被反射回来，并经过多次反射后从侧面出去，这样使芯片正面的出光减少。为了收集从侧向出来的光，在芯片封装结构的设计中采用反光杯碗及杯碗上面蒸镀的高反射层等方法，但对于白光发光二极管，反光杯碗反射回来的侧向出射光会引起光色的不均匀，出现黄圈现象。

为提高正面出光的效率，采用电介质常数相近的材料以减少层与层之间折射率差，粗化出光面表面或制作二维光子晶体结构以破坏全反射界面，增大芯片尺寸以增加光线从正面出去的机会等手段。虽然上述的方法能一定程度上提高了正面出光，但根据发光二极管的发光机制，它是自发辐射，发光层发出的光是各向同性的，正常情况下侧向出光是不可避免的。

光子晶体是一种电介质常数周期性变化的结构，其主要的特点是具有完全光子带隙，当光子能量处在完全光子带隙内时，光子将被反射，因此，利用光子晶体结构，可以制作反射率非常好的界面，甚至全角度的全反射界面。目前，发光二极管中所应用的二维光子晶体，主要是在出光面上制作周期的空气柱或介质柱，以提高表面出光的效率。然而，此种光子晶体结构的光子带隙只对侧向出射的光子产生作用，对表面出射的光子并没有起到直接的作用，实际上只是相当于规则的表面粗化作用。如何在发光二极管器件中直接利用二维光子晶体的带隙作用，而又不增加工艺的复杂性，是提高发光二极管出光效率的一个重要课题。

发明内容

本发明提出了一种利用二维光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件，该结构能够有效地提高正面出光效率。另外，本发明还提供了一种利用光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件的制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件，其包括衬底及层叠于衬底之上的半导体外延层，该半导体外延叠层包含N型层、发光层和P型层，P型层上设置有P型电极，部分半导体外延叠层被刻蚀至N型层，露出的部分N型层上设置有N型电极，其中，在发光二极管芯片的边缘设有贯穿于半导体外延叠层的二维光子晶体结构，该光子晶体是由电介质常数呈周期性变化的介质柱构成。

其中，上述介质柱中填充的介质可为与半导体外延叠层材料的折射率不同的电介质材料或空气。

介质柱的尺寸及其所形成的晶格的周期与发光层辐射的光波波长处于同一数量级，具体为50nm～900nm；由介质柱所形成的光子晶体相对发光层的辐射频率为二维光子带隙；由介质柱所形成的光子晶体的晶格为长方晶格、三角晶格、六角晶格或超晶格结构。

介质柱还贯穿部分或全部衬底。

该发光二极管芯片的发光区域为圆形或方形结构，N型电极呈环状或扇型结构，P型电极呈圆形或方形结构。

衬底为蓝宝石、硅、氧化锌、氮化铝或氮化镓材料，半导体外延叠层由铟镓铝氮(In_xGa_yAl_1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)材料构成。

衬底为砷化镓或磷化镓材料，半导体外延叠层由铟镓铝磷(In_xGa_yA_1-x-yP，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)或铝镓砷(Al_xGa_1-xAs，0＜＝x＜＝1)材料构成。

半导体外延叠层与衬底之间还设置有一缓冲层，P型层与P型电极之间还设有透明电极。

另外，本发明还提供了一种利用光子晶体结构抑制侧向出光的发光二极管器件的制造方法，其步骤包括：

a、在衬底上沉积半导体外延叠层，该半导体外延叠层由下往上包括N型层、发光层和P型层；

b、通过干法刻蚀工艺，将部分半导体外延叠层刻蚀到N型层；