[发明专利]一种提高GaN基LED发光效率的图形掩埋方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高GaN基LED发光效率的图形掩埋方法，尤其涉及具有均匀分布的空洞的GaN模板的制程工艺和生长方法。

背景技术

作为一种新型的发光元器件，GaN基LED的相关制造工艺备受关注。一直以来，提升GaN基LED的发光效率是该领域内的一种重要研究课题。

在GaN基LED内被激发的光会沿着各个方向呈各向同性散射传播，在到达LED与空气的界面时，会有不同的入射角度。因为GaN材料折射率约为2.4，而空气折射率仅约为1.0，因此入射角度大于全反射角的所有光线将被完全反射而不能离开LED器件，这部分光会在LED中多次反射过程中被吸收。根据折射率的计算，GaN到空气界面的全反射角仅有25°，大于此角度的入射光将被完全反射，因此不能离开LED的光占到实际被激发出的光的很大一部分，这也是传统LED出光效率低下的重要原因。

已经有的研究成果对改善LED出光效率进行了很多有益的尝试。主要有以下几种手段：

一、LED表面粗化方法：主要通过LED原位生长工艺的控制获得布满V型微坑的LED外延表面，或者通过后期的湿法或干法选择性刻蚀、激光辐照等方法破坏原有的平滑的LED外延表面从而得到一定粗糙度的表面。LED外延表面与空气接触的原本单一的水平界面通过粗化改变为许多角度和方向各异的微面，使得原来大于全反射角度入射的部分光在微面上的实际入射角度小于全反射角，从而增加了出射光的比例，因此改善出光效率。这里所述的外延表面是指半导体材料外延生长得到的表面。

粗化方法在提高出光效率的同时，其负面影响也是不可忽视的。原位粗化是在LED外延生长过程中进行的，粗化的过程实质就是V型缺陷的形成过程。因为LED外延表面通常是P型GaN层，因此原位粗化以牺牲P型GaN晶体质量为代价的：由于粗化的生长条件不是P型GaN的最佳生长条件，因此会形成大量位错导致LED漏电增加，也会因为无法实现较好的P型掺杂最终导致LED工作电压偏高。另外，原位粗化对生长条件十分敏感，很难获得分布均匀、尺寸一致且重复性好的V型微坑(分布和尺寸关系到LED的发光均匀性，重复性关系到是否适合工业化生产)；而在LED外延生长完成之后利用热的酸性或碱性溶液对LED表面进行湿法腐蚀的过程，同样会对LED的P型层造成不可避免的损伤，从而降低器件的电学性能，而且同样很难获得分布均匀、尺寸一致且重复性好的V型微坑；激光辐照导致GaN分解从而导致LED表面粗化的方法，除了会对LED表面造成损伤外，其粗糙度的均匀性也高度依赖入射激光的功率稳定性和激光光斑的功率分布均匀性。

二、LED表面图形化方法：由于光刻方法结合刻蚀方法很容易在LED表面获得重复性和一致性非常好的微坑阵列，因此LED表面图形化方法对于改善LED出光效率效果也很明显。但是刻蚀微坑的过程同样存在对LED外延表面的损伤，从而劣化LED性能。为了避免对LED外延表面的损伤，图形化处理可以在LED外延表面以上的其它层实施，例如透明电极层，但是光在GaN层与透明电极层界面处依然存在全反射损失。

根据光的衍射理论可知，当LED表面图形阵列周期尺寸与发光波长相当时，衍射会在图形表面发生，合适的图形尺寸和排列会增强出光的效率，这是目前较为流行的光子晶体方法的理论基础。由于只有光子晶体尺寸和发射光波长相当时才会发挥作用，因此对于蓝光绿光LED而言，这一尺寸需要小到一百到数百纳米。目前LED行业广泛使用的光刻方法最小只能得到微米量级的图形阵列，而亚微米光刻相关方法成本高昂，无法广泛使用。

三、图形衬底方法：图形衬底方法开发之始，其主要目的是用来提高GaN材料的晶体质量。近年来，研究发现图形衬底在改善LED的出光效率上的作用可能更为显著。利用光线追踪类的模拟软件研究表明特殊图形化的衬底界面可以有效改变入射光反射后的角度，将大部分大于全反射角度的光线通过二次反射后转变为小于全反射角度入射，从而增加出光效率。

目前制备图形衬底大多是采用传统光刻法制备，再利用反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀等设备干法刻蚀而形成。由于目前绝大多数使用的衬底材料为蓝宝石，其刻蚀工艺过程复杂、成本较高。也有使用湿法刻蚀，成本较低但重复可控性较差。

四、以上两种或几种方法的组合或变形：同时使用图形衬底方法和表面粗化方法或同时使用图形衬底方法和表面图形化方法，出光效率改善更为明显，但工艺过程更加复杂，成本高昂。

发明内容