一种发光半导体器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光半导体器件，包括N型半导体和依次设置于N型半导体一侧上的有源区、P型半导体和P电极，P型半导体具有粗糙表面，且在P型半导体的粗糙表面上采用PVD镀有光提取镀层，N电极设置于N型半导体另一侧上；当N电极设置于N型半导体上且与P电极同侧时，衬底设置于N型半导体另一侧上。本发明通过在P型半导体上制作粗糙表面，以及采用PVD在该P型半导体的粗糙表面镀有光提取镀层，使得发光半导体器件的出光效率至少提高了5%。
【专利说明】一种发光半导体器件
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及发光二极管【技术领域】，尤其涉及一种发光半导体器件。
【【背景技术】】
[0002]蓝绿光发光二极管的主要材料为氮化镓(GaN)，在该波长范围，折射率为2.5左右，与空气折射率差较大，光线在LED外延层发生全反射，因此LED中的光取出效率较低，一般在23%左右，未取出的光在LED器件中湮灭最终以热形式释放，对器件产生不良影响，尤其是大功率或高亮度LED，影响更为明显。
[0003]对于LED的出光效率，研究人员做过多方面的改进，如表面粗化技术，图形化衬底技术，芯片侧壁腐蚀技术等，虽然这些方法在不同程度上可以起到改变出光角度，降低LED内部全反射，提高出光效率的目的，但是由于存在较大的折射率差异，使每次光线从光密介质传输到光疏介质过程中，都会存在较严重的反射，不利于光提取。
[0004]最有效的提高出光效率的方法应该是具有完全光子晶体结构或具有折射率渐变结构。光子晶体可以克服界面情况，将光子以耦合的方式提取，但需要对材料，图形尺寸，形貌有严格的要求。折射率渐变结构，不具有改变出光角度的功能，只能将可以出射的角度的光子更有效的提取出来。
[0005]伦斯勒理工学院研究人员Ahmed Noemaun等提出了一种提高光取出效率的方法，采用高低折射率差异较大的两种材料，以不同的比例混合制备出不同折射率的材料，以溅射镀膜的方式沉积于垂直结构LED的n-face GaN面，然后采用蚀刻方式制作沉积膜层的阵列结构，有效的增加了光取出效率(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS110, 054510 (2011))。其虽然在光取出效率上有了一定程度上的提高，但存在较多问题:如对折射率渐变材料的柱体尺寸、形状、排列、高度及填`充率等都有较严格的要求，而且效果欠佳。
【
【发明内容】
】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种发光半导体器件，其能有效提高发光半导体器件的出光效率。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种发光半导体器件，包括P型半导体和设置于P型半导体上的P电极，该P型半导体具有粗糙表面，且在P型半导体的粗糙表面上镀有光提取镀层。
[0009]本发明进一步改进在于:还包括依次设置于P型半导体与P电极相对一侧上的有源区和N型半导体，N电极设置于N型半导体上。
[0010]本发明进一步改进在于:当N电极设置于N型半导体上且与P电极同侧时，该N型半导体的纵向截面呈阶梯型，其具有高阶表面和低阶表面，在N型半导体的高阶表面上依次设置有源区、P型半导体和P电极，在N型半导体的低阶表面上设置N电极，且在N型半导体与P电极相对一侧上还设置有衬底。
[0011]本发明进一步改进在于:所述衬底的材质采用蓝宝石、碳化硅或硅单质中的一种；N型半导体的材质采用GaN,其厚度为0.5 μ m~50 μ m。
[0012]本发明进一步改进在于:有源区的材质采用InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AIN中的一种。
[0013]本发明进一步改进在于:P型半导体的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN中的一种，其厚度为30nm~I μ m。
[0014]本发明进一步改进在于:N电极和P电极的结构为单层金属、多层金属或金属合金，其材质采用Al、T1、Cr、Au、Pb、N1、In、Sn或Ag中的一种或多种。
[0015]本发明进一步改进在于:P型半导体粗糙表面的粗糙度为50nm~I μ m,其采用外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺使得P型半导体形成粗糙表面。
[0016]本发明进一步改进在于:光提取镀层为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体的粗糙表面上，其中，高折射率材料采用Ti02、Ti2O5或ZrO2中的一种或多种，低折射率材料采用Si02。
[0017]本发明进一步改进在于:光提取镀层的层数为6~20层，第一层高折射率材料涂层的膜厚为IOOnm~1000nm,—层高折射率材料涂层与一层低折射率材料涂层组成一组复合层，且每一组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚Tli的比例为Tnh:TnL,从下至上所有组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚Tli的比例依次减小。
[0018]相对于现有技术，本发明具有如下技术效果:
[0019]本发明一种发光半导体器件，其通过在P型半导体上制作粗糙表面以降低光线在发光半导器件中的全反射次数，以及采用PVD在该P型半导体的粗糙表面镀有光提取镀层，使得发光半导体器件的出光效率至少提高了 5%。
【【专利附图】
【附图说明】】`
[0020]图1为本发明发光二极管器件的P电极和N电极在同侧的结构示意图；
[0021]图2为本发明发光二极管器件的P电极和N电极在两侧的结构示意图。
[0022]其中:101为N电极；102为P电极；104为衬底；201为N型半导体；202为有源区；203为P型半导体；301为光提取镀层。
【【具体实施方式】】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]实施例1:
[0025]参见图1所示，一种发光半导体器件，包括N型半导体201，其纵向截面呈阶梯型，在N型半导体201的高阶表面上依次设置有源区202、P型半导体203和P电极102，P型半导体203具有粗糙表面，且在P型半导体203的粗糙表面上采用PVD镀有光提取镀层301，N电极101设置于N型半导体201的低阶表面上且与P电极102同侧,衬底104设置于N型半导体201另一侧上。
[0026]上述发光半导体器件的制备方法，包括以下步骤:
[0027]I)制作外延:在衬底104上依次外延生长N型半导体201、有源区202和P型半导体203，并通过外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺，使得P型半导体203形成粗糙表面，粗糙表面的粗糙度为50nm~Ιμπι。其中，该衬底104的材质采用蓝宝石、碳化娃或娃单质中的一种；Ν型半导体201的材质采用GaN,厚度一般在0.5μηι~50μηι之间；有源区202的材质采用禁带宽度差异的化合物半导体材料，如InGaN/GaN、InGaN/AlGaN或GaN/AIN等；P型半导体203的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN，其厚度一般在30nm ~I μ m0
[0028]2)制作电极:在刻蚀的N型半导体201上，制作N电极101，在未蚀刻的P型半导体203上制作P电极102。其中，两个电极结构均为单层金属或多层金属或金属合金,其材质采用Al、T1、Cr、Au、Pb、N1、In、Sn或Ag中的一种或多种。
[0029]3)制作出光镀层:采用PVD方式，在P型半导体203粗糙表面上制作光提取镀层301。为提高光学效果，在镀膜过程中对样品及腔体进行加热处理，或离子辅助沉积。该光提取镀层301为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体203的粗糙表面上，其高折射率材料采用TiO2,低折射率材料采用SiO2，镀层总层数为6层，分别为Ti02/Si02/Ti02/Si02/Ti02/Si02，光提取镀层301膜层结构参见表1所示:
[0030]表1:
[0031]
【权利要求】
1.一种发光半导体器件，其特征在于，包括P型半导体(203)和设置于P型半导体(203)上的P电极(102)，该P型半导体(203)具有粗糙表面，且在P型半导体(203)的粗糙表面上镀有光提取镀层(301)。
2.根据权利要求1所述的一种发光半导体器件，其特征在于，还包括依次设置于P型半导体(203)与P电极(102)相对一侧上的有源区(202)和N型半导体(201 )，N电极(101)设置于N型半导体(201)上。
3.根据权利要求2所述的一种发光半导体器件，其特征在于，当N电极(101)设置于N型半导体(201)上且与P电极(102)同侧时，该N型半导体(201)的纵向截面呈阶梯型，其具有高阶表面和低阶表面，在N型半导体(201)的高阶表面上依次设置有源区(202)、P型半导体(203)和P电极(102)，在N型半导体(201)的低阶表面上设置N电极(101 )，且在N型半导体(201)与P电极(102)相对一侧上还设置有衬底(104)。
4.根据权利要求3所述的一种发光半导体器件，其特征在于，所述衬底(104)的材质采用蓝宝石、碳化娃或娃单质中的一种；N型半导体(201)的材质采用GaN,其厚度为0.5 μ m ?50 μ m0
5.根据权利要求2或3所述的一种发光半导体器件，其特征在于，有源区(202)的材质采用 InGaN/GaN、InGaN/AlGaN 或 GaN/AIN 中的一种。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种发光半导体器件，其特征在于，P型半导体(203)的材质采用Mg掺杂的GaN、InGaN或ALGaN中的一种，其厚度为30nm?I μ m。
7.根据权利要求2或3所述的一种发光半导体器件，其特征在于，N电极(101)和P电极(102)的结构为单层金属、多层金属或金属合金,其材质采用Al、T1、Cr、Au、Pb、N1、In、Sn或Ag中的一种或多种。
8.根据权利要求1至3任一项所述的一种发光半导体器件，其特征在于，P型半导体(203)粗糙表面的粗糙度为50nm?I μ m，其采用外延粗糙工艺、干法蚀刻图形工艺或湿法腐蚀粗糙工艺使得P型半导体(203)形成粗糙表面。
9.根据权利要求1至3任一项所述的一种发光半导体器件，其特征在于，光提取镀层(301)为高折射率材料涂层与低折射率材料涂层交替使用的复合层，且首先采用PVD将高折射率材料镀在P型半导体(203)的粗糙表面上，其中，高折射率材料采用Ti02、Ti2O5或ZrO2中的一种或多种，低折射率材料采用SiO2。
10.根据权利要求9所述的一种发光半导体器件，其特征在于，光提取镀层(301)的层数为6?20层，第一层高折射率材料涂层的膜厚为IOOnm?lOOOnm，一层高折射率材料涂层与一层低折射率材料涂层组成一组复合层，且每一组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚Tli的比例为Tnh =Thl，从下至上所有组复合层的高折射率材料涂层的膜厚Tnh与低折射率材料的膜厚Thl的比例依次减小。
【文档编号】H01L33/22GK103700746SQ201310665417
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】云峰, 郭茂峰 申请人:西安交通大学