CN109509822B - 一种具有光散射结构和odr的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。该二极管通过在全反射镜和半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。本发明可以减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高LED的LEE。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及半导体器件,具体地说是一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。
背景技术
氮化物半导体的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)技术在杀菌消毒、生物医学、通讯及照明等领域的强大应用潜力引起了人们的广泛关注。但是，要满足商品化的要求，还需要进一步提高其外量子效率(EQE)。外量子效率(EQE)是内量子效率(IQE)与光提取效率(LEE)的乘积，因此，研究的重点是如何提高内量子效率(IQE)和光提取效率(LEE)。目前，IQE相对较高，因此主要目标是提高发光二极管(LED)的光提取效率(LEE)。半导体材料如GaN或者GaAs等与空气的折射率差非常大，因此全内反射导致了LED中光的逃逸锥小，从而光提取效率低。为了提高发光二极管的出光效率，光散射结构和全反射镜(ODR)结构已经成为了常用的两种技术手段。光散射结构包括光子晶体结构、出光面粗化、图形化衬底和侧壁粗化等，这些结构被用来增加光的散射作用，从而增大光的逃逸锥和提高光提取效率。而通常全反射镜是由分布布拉格反射镜(DBR)结构和金属反射镜组成，例如中国发明专利CN201510080456.8采用了Ag反射镜和DBR组成的全反射镜(ODR)结构来提高反射率，其分布布拉格反射膜系的高低折射率材料是按照四分之一波长的厚度交替生长形成，在一定程度上增加了反射率。又如中国发明专利文件CN103178179将图形化蓝宝石衬底(PSS)和全反射镜(ODR)结合起来，其布拉格反射膜系的高低折射率材料也是按照四分之一波长的厚度交替生长形成，形成具有不同折射率的复合衬底的LED芯片，从而提高发光效率。
上述解决方案虽然有效地改善了光提取效率，但是上面阐述的ODR结构中的DBR仅是在一定角度范围有高反射率，对于角度大的光，主要是通过金属反射镜进行反射，而金属反射镜一般都存在吸收，尤其是在紫外波段，很难找到高反射率的金属反射镜，所以光被下面的ODR反射时，大角度的入射光将有一部分被金属吸收。我们通过在DBR与半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而能使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。但是全内反射时产生的倏逝场会激发金属表面等离子体激元(SPPs)，SPPs共振吸收也会增加ODR的金属吸收，因此低折射率材料层需要有足够的厚度，从而使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加。此结构只是对具备散射结构的LED有作用，而对于传统的无散射结构的LED，由于大角度的反射光都无法逃离出LED，所以增加其反射率对光提取无效果。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种具有光散射结构和ODR的发光二极管及其制备方法。该二极管通过在全反射镜和半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。本发明可以减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高LED的LEE。
为了实现上述目的，本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：
一种具有光散射结构和ODR的发光二极管，所述的发光二极管为有以下三种结构之一的发光二极管：
第一种，由下至上依次包括：金属反射层、DBR层、低折射率介质层、衬底、图形化衬底层(PSS)、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、P-型电极；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；并且，N-型半导体传输层存在10～20％的曝露部分，曝露部分的厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极；所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分的10～80％；
第二种，由下至上依次包括：衬底、图形化衬底层、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层、金属反射层，所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；N-型半导体传输层存在10～20％的曝露部分，曝露部分的厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极，所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分面积的10～80％；并且，在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；
第三种，由上至下依次包括：图形化N-型半导体材料层表面、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、低折射率介质层、DBR层和金属反射层；所述的图形化N-型半导体材料层表面还分布有N-型电极，N-型电极的面积为图形化N-型半导体材料层表面面积的5～30％；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；在所述低折射率层介质层和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm；金属反射层同时还覆盖在圆孔底部和侧壁上。
所述的衬底成分为氧化铝；
所述的图形化衬底(PSS)的材质为氧化铝；所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；
所述的N-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为1～3μm；
所述的发光层的结构为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；
所述的P-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为50～100nm；
所述的电流扩展层的材料为ITO，厚度为10～20nm；
所述的低折射率介质层的材料为SiO2，厚度介于四分之一入射光波长与两个入射光波长之间；
所述的DBR由高、低折射率材料组成，高折射率层的材料为TiO2，低折射率层的材料为SiO2，二者厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为0～50对；
所述的金属反射层的材料为Al，厚度为50～150nm；
所述的P-型电极的为Cr/Au；厚度10～200nm；
所述的N-型电极的材料为Cr/Au，厚度10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％；
所述的第三种二极管中，图形化N-型半导体材料层表面的材料为GaN，所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；
所述的第三种二极管中所述的N-型电极的材料为Cr/Au，厚度为10～200nm，面积为N-型半导体传输层的5～30％。
所述的第一种具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到图形化衬底；
第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；P-型半导体材料，厚度为50～100nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第三步，在第二步得到的P-型半导体材料上通过电子束蒸发或磁控溅射沉积电流扩展层，厚度为10～20nm；通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，刻蚀深度为0.5～2μm，曝露出10～20％的N-型半导体材料；
第四步，在蓝宝石衬底背面采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备一层低折射率介质层，再在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR结构层高低折射率材料层按照四分之一波长的厚度交替生长形成；
第五步，在第四步得到的DBR结构上蒸镀或溅射金属反射层，厚度为50～150nm；
第六步，蒸镀并且光刻制作出P-型电极，厚度为10～200nm；
第七步，在曝露的N-型半导体传输层上蒸镀并且光刻制作出N-型电极，厚度10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％；
由此得到具有光散射结构和ODR的发光二极管。
所述的第二种具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到图形化衬底；
第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；P-型半导体材料，厚度为50～100nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第三步，在第二步得到的P-型半导体材料上通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积电流扩展层，厚度为10～20nm；通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，刻蚀深度为0.5～2μm，曝露出10～20％的N-型半导体材料；
第四步，在第三步得到的电流扩展上采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备低折射率介质层，再在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR结构层高低折射率材料层按照四分之一波长的厚度交替生长形成；
第五步，在第四步得到的DBR上通过光刻制作圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔间隔为10～60nm，曝露出电流扩展层105，并在曝露出电流扩展层、圆孔侧壁及DBR上蒸镀金属反射层，厚度为50～150nm；
第六步，在曝露的N-型半导体传输层上蒸镀并且光刻制作出N-型电极，厚度为10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％；
由此得到具有光散射结构和ODR的发光二极管。
所述的第三种具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；P-型半导体材料，厚度为50～100nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第二步，在第一步得到的P-型半导体材料上通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积电流扩展层，厚度为10～20nm；
第三步，在第二步得到的电流扩展层上采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备低折射率介质层，再在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR结构层高低折射率材料层按照四分之一波长的厚度交替生长形成；
第四步，在第三步得到的DBR上通过光刻制作圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔呈四方分布，间隔为10～60nm，曝露出电流扩展层105，并在曝露出电流扩展层、圆孔侧壁及DBR上蒸镀金属反射层，厚度为50～150nm；
第五步，剥离蓝宝石衬底，在N-型半导体材料上通过光刻和湿法刻蚀，得到图形化N-型半导体材料层表面；
第六步，在第五步得到的N-型半导体材料层表面上蒸镀并且光刻制作出N-型电极，面积为图形化N-型半导体材料层表面面积的5～30％；
由此得到具有光散射结构和ODR的发光二极管。
本发明的实质性特点为：
当前技术中的ODR结构中的DBR仅是在一定角度范围有高反射率，对于角度大的光，主要是通过金属反射镜进行反射，而金属反射镜一般都存在吸收，所以光被下面的ODR反射时，大角度的入射光将有一部分被金属吸收。本发明中，我们主要针对有散射结构的LED，在全反射镜和半导体中插入一层较厚的低折射率材料，从而使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，且通过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。全内反射时产生的倏逝场会激发金属表面等离子体激元(SPPs)，SPPs共振吸收会增加ODR的金属吸收，因此低折射率材料层需要有足够的厚度，从而使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高LED的LEE。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下：
本发明的发光二极管其特征是进一步提高了具有光散射结构的LED的光提取效率，通过在DBR与半导体中插入一层低折射率材料，从而能使大角度的入射光通过全内反射而非金属反射，后经过散射结构的进一步散射后逃逸出LED。但是全反射时产生的倏逝场会激发金属表面等离子体激元(SPPs)，SPPs共振吸收也会增加ODR的金属吸收，因此低折射率材料层需要有足够的厚度，从而使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加。图5、图6、图7分别为采用光散射结构(图形化衬底PSS)和全反射镜(ODR)的正装、倒装、垂直结构的LED的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图。从图中可以看到光提取效率随着SiO2层厚度的增加先增大后趋于稳定。仿真中光波长为400nm，由图中可以看到当SiO2层的厚度达到一个波长时，光提取效率达到平稳值(50％)。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为只具有ODR结构的正装发光二极管LED芯片的外延结构示意图，即不具备光散射结构。
图2为本发明办法中，实施例1具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的正装发光二极管LED芯片示意图。
图3为本发明办法中，实施例2具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的倒装发光二极管LED芯片示意图。
图4为本发明办法中，实施例3具有图形化N-型半导体材料层表面和厚度为一个波长的低折射率介质层的垂直倒装发光二极管LED芯片示意图。
图5为实施例1中得到的正装结构的发光二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图；
图6为实施例2中得到的倒装结构的发光二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图；
图7为实施例3中得到的垂直结构的发光二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图；
其中，101.衬底，102.N-型半导体材料层，103.发光层，104.P-型半导体材料层，105.电流扩展层，106.高折射率层，107.低折射率层，108.金属反射层，109.N-型电极，110.P-型电极，111.图形化衬底层，112.低折射率介质层，113.图形化N-型半导体材料层表面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
图1所示实施例表明，现有技术中的具有ODR结构的正装LED芯片结构，依次包括：衬底101、N-型半导体传输层102、发光层103、P-型半导体传输层104、电流扩展层105、P-型电极110和N-型电极109，衬底背面有高折射率层106和低折射率层107组成的DBR层、金属反射层108。此结构中的ODR仅是在一定角度范围有高反射率，对于角度大的光，主要是通过金属反射镜进行反射，而金属反射镜一般都存在吸收，所以光被下面的ODR反射时，大角度的入射光将有一部分被金属吸收。
图2-4是为了说明本发明方法适用于具有光散射结构的所有结构的LED，LED有三种结构：正装结构的LED(如图2)、倒装结构的LED(如图3)和垂直结构的LED(如图4)。由于LED的结构不同，全反射镜(ODR)的位置就不同，随之低折射率介质层的位置也就不同。且光散射结构不仅限于图形化衬底，光散射结构有光子晶体结构、图形衬底结构、表面随机粗化结构或侧壁粗化结构等各种结构。产业界常用的两种散射结构是图形衬底结构和表面随机粗化结构。本发明办法中图和实施例结合起来，是用了其中一种光散射结构：图形衬底结构。
实施例1
本实施例的具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的正装发光二极管LED芯片结构如图2所示，由下至上依次包括：金属反射层108、DBR层、低折射率介质层112、衬底101、图形化衬底层(PSS)111、N-型半导体传输层102、发光层103、P-型半导体传输层104、电流扩展层105、P-型电极110；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层107和高折射率层106，生长周期可为零；并且，N-型半导体传输层102存在着自身面积10～20％的曝露部分，厚度为1μm，上面有N-型电极109，所述的N-型电极109的面积为N-型半导体传输层102中曝露部分的10～80％。
上述中衬底101使用蓝宝石，蓝宝石衬底的成分为氧化铝；
所述的图形化衬底(PSS)111即在蓝宝石衬底通过光刻和刻蚀技术使其表面呈现图形化。图形化为由三角阵列的突起组成的图案，三角阵列的周期(即相邻两个突起中心的距离)与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触，所述的突起包括半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起。本实施例使用的是圆锥状突起，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径相同，固定在0.5μm；
N-型半导体传输层102的材料为GaN，厚度为3μm；
发光层103的结构为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；
P-型半导体传输层104的材料为GaN，厚度为50nm；
电流扩展层105的材料为ITO，厚度为10nm；
低折射率介质层112的材料为SiO2，厚度为一个发射光波长；
高折射率层106的材料为TiO2，低折射率层107的材料为SiO2，厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为20对；
金属反射层108的材料为Al，厚度为100nm；
P-型电极110的材料为Cr/Au，厚度为100nm；
N-型电极109的材料为Cr/Au，厚度为100nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的60％；
上述具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的正装发光二极管LED芯片结构，其制备方法如下：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到圆锥状突起蓝宝石图形化衬底层111，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径都固定在0.5μm；
第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料102，厚度为3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；P-型半导体材料104，厚度为50nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第三步，在第二步得到的P-型半导体材料104上通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积电流扩展层105，厚度为50nm；通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，刻蚀深度为2μm，曝露出20％的N-型半导体材料102；
第四步，在蓝宝石衬底背面采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备一层低折射率介质层112，厚度为一个波长，在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR层由高低折射率材料层按照四分之一波长厚度交替生长形成；
第五步，在第四步得到的DBR结构上蒸镀或溅射Al金属反射层108，厚度为100nm；
第六步，蒸镀并且光刻制作出P-型电极110和N-型电极109。
由此得到本实施例的一种具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的正装发光二极管LED芯片结构。
按照本实施例结构得到的正装结构二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图如图5所示，仿真中光波长为400nm的紫光，从图上可以看出，当SiO2层达到一个波长厚度时，光提取效率达到平稳值(49％)，因此SiO2层厚度选为一个波长。这样就使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高光提取效率。
实施例2
本实施例的具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的倒装发光二极管LED芯片结构如图3所示，由下至上依次包括：衬底101、图形化衬底层111、N-型半导体传输层102、发光层103、P-型半导体传输层104、电流扩展层105、低折射率介质层112、DBR层、金属反射层108，所述的DBR层包括交替生长的低折射率层107和高折射率层106，生长周期可为零；N-型半导体传输层102存在自身面积10～20％的曝露部分，厚度为1μm，上面有N-型电极109，所述的N-型电极109的面积为N-型半导体传输层102中曝露部分面积的10～80％；并且，在所述低折射率层介质层112和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔呈四方型阵列分布，间隔为10～60nm。前后左右间隔相同。
上述中所述的图形化衬底层(PSS)111即在蓝宝石衬底通过光刻和刻蚀技术使其表面呈现图形化。图形化为由三角阵列的突起组成的图案，三角阵列的周期(即相邻两个突起中心的距离)与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触，所述的突起包括半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起。本实施例使用的是圆锥状突起，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径相同，固定在0.5μm；
N-型半导体传输层102的材料为GaN，厚度为3μm；
发光层103的结构为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；
P-型半导体传输层104的材料为GaN，厚度为50nm；
电流扩展层105的材料为ITO，厚度为10nm；
低折射率介质层112的材料为SiO2，厚度为一个发射光波长；
高折射率层106的材料为TiO2，低折射率层107的材料为SiO2，厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为20对；
金属反射层108的材料为Al，在倒装结构中作为电极，厚度为100nm；
N-型电极109的材料为Cr/Au，厚度为100nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的60％；
上述具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的倒装发光二极管LED芯片结构，其制备方法如下：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到圆锥状突起蓝宝石图形化衬底层111，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径都固定在0.5μm；
第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料102，厚度为3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；P-型半导体材料104，厚度为50nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第三步，在第二步得到的P-型半导体材料104上通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积电流扩展层105，厚度为50nm；通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，刻蚀深度为2μm，曝露出20％的N-型半导体材料102；
第四步，在第三步得到的电流扩展,105上采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备低折射率介质层112，厚度为一个波长，在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR层由高低折射率材料层按照四分之一波长厚度交替生长形成；
第五步，在第四步得到的DBR上通过光刻制作圆孔，圆孔孔径为50nm，圆孔间隔为50nm，曝露出电流扩展层105，并在曝露出电流扩展层105、圆孔侧壁及DBR上蒸镀金属反射层108，厚度为100nm；
第六步，蒸镀并且光刻制作出N-型电极109，厚度为100nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的60％。
由此得到本实施例的一种具有图形化衬底和厚度为一个波长的低折射率介质层的倒装发光二极管LED芯片结构。
按照本实施例结构得到的倒装结构二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图如图6所示，仿真中光波长为400nm，从图上可以看出，当SiO2层达到一个波长厚度时，光提取效率达到平稳值(48％)，因此SiO2层厚度选为一个波长。这样就使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高光提取效率。
实施例3
本实施例的具有图形化N-型半导体材料层表面和厚度为一个波长的低折射率介质层的垂直倒装发光二极管LED芯片结构如图4所示，由上至下依次包括：图形化N-型半导体材料层表面113、N-型半导体传输层102、发光层103、P-型半导体传输层104、电流扩展层105、低折射率介质层112、DBR层和金属反射层108；所述的图形化N-型半导体材料层表面113还分布有N-型电极109，N-型电极109的面积为图形化N-型半导体材料层表面113面积的20％；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层107和高折射率层106，生长周期可为零；在所述低折射率层介质层112和DBR层均设有圆孔，圆孔孔径为20～100nm，圆孔呈四方分布，间隔为10～60nm。金属反射层108是打孔之后最后蒸镀到圆孔底部和侧壁的，所以自然形成圆孔。
上述中N-型半导体传输层102的材料为GaN，厚度为3μm，然后通过光刻和湿法刻蚀，得到图形化N-型半导体材料层表面113，图形化为由三角阵列的突起组成的图案，三角阵列的周期(即相邻两个突起中心的距离)与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触，所述的突起包括半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起。本实施例使用的是圆锥状突起，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径相同，固定在0.5μm；
发光层103的结构为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；
P-型半导体传输层104的材料为GaN，厚度为50nm；
电流扩展层105的材料为ITO，厚度为10nm；
低折射率介质层112的材料为SiO2，厚度为一个发射光波长；
高折射率层106的材料为TiO2，低折射率层107的材料为SiO2，厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为20对；
金属反射层108的材料为Al，在垂直倒装结构中作为电极，厚度为100nm；
N-型电极109的材料为Cr/Au，厚度为100nm，面积为N-型半导体传输层的20％。
上述具有图形化N-型半导体材料层表面和厚度为一个波长的低折射率介质层的垂直倒装发光二极管LED芯片结构，其制备方法如下：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上依次生长N-型半导体材料102，厚度为3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层103为5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为4nm；P-型半导体材料104，厚度为50nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第二步，在第一步得到的P-型半导体材料104上通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积电流扩展层105，厚度为50nm；
第三步，在第二步得到的电流扩展层上采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备低折射率介质层112，厚度为一个波长，在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR结构层高低折射率材料层按照四分之一波长厚度交替生长形成；
第四步，在第三步得到的DBR上通过光刻制作圆孔，圆孔孔径为50nm，圆孔呈四方分布，间隔为50nm，曝露出电流扩展层105，并在曝露出电流扩展层105、圆孔侧壁及DBR上蒸镀金属反射层108，厚度为100nm；
第五步，剥离蓝宝石衬底，在N-型半导体材料102上通过光刻和湿法刻蚀，得到图形化N-型半导体材料层表面113，每个锥型的底部与相邻的锥接触，锥的高度与锥的底直径相同，固定在0.5μm；
第六步，在第五步得到的图形化N-型半导体材料层表面113上蒸镀并且光刻制作出N-型电极109，厚度为100nm，面积为N-型半导体传输层的20％。
由此得到本实施例的一种具有图形化N-型半导体材料层表面和厚度为一个波长的低折射率介质层的垂直倒装发光二极管LED芯片结构。
按照本实施例结构得到的垂直结构二极管的LEE随低折射率层(SiO2层)厚度的变化关系图如图7所示，仿真中光波长为400nm，从图上可以看出，当SiO2层达到一个波长厚度时，光提取效率达到平稳值(51％)，因此SiO2层厚度选为一个波长。这样就使全反射时的倏逝波能量到达金属表面时会衰减到足够小，从而减少金属反射镜的吸收，反射率增加，从而提高光提取效率。
上述实施例均能达到，图形化出光面结构改变了有源区发出的光的传播路线，减小了发生全反射的概率，增强了光散射，使得更多的光逃逸到空气中；通过在DBR与半导体中插入一层较厚的低折射率材料，使更多的光通过全反射而非金属反射逃逸出LED，从而减少金属反射镜的吸收，使得反射率增加，从而提高LED的光提取效率，且本发明方法可操作性强，工艺简单，成本低，易于实现。
本发明所涉及的原材料均可通过公知途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (2)
1.一种具有光散射结构和ODR的发光二极管，其特征为所述的发光二极管为有以下结构的发光二极管：
由下至上依次包括：金属反射层、DBR层、低折射率介质层、衬底、图形化衬底层(PSS)、N-型半导体传输层、发光层、P-型半导体传输层、电流扩展层、P-型电极；所述的DBR层包括交替生长的低折射率层和高折射率层；并且，N-型半导体传输层存在着自身面积10～20％的曝露部分，曝露部分的厚度为0.5～1.5μm，上面有N-型电极；所述的N-型电极的面积为N-型半导体传输层中曝露部分的10～80％；
所述的衬底成分为氧化铝；
所述的图形化衬底(PSS)的材质为氧化铝；所述的图形化为由三角阵列的突起图案组成，三角阵列的周期与突起直径相同，即相邻的突起底部相互接触；突起的高度为0.5μm～1μm；所述的突起为半球状突起、圆锥状突起、圆柱状突起或脊状突起；
所述的N-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为1～3μm；
所述的发光层的结构为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；
所述的P-型半导体传输层的材料为GaN，厚度为50～100nm；
所述的电流扩展层的材料为ITO，厚度为10～20nm；
所述的低折射率介质层的材料为SiO2，厚度介于四分之一入射光波长与两个入射光波长之间；
所述的DBR层由高、低折射率材料组成，高折射率层的材料为TiO2，低折射率层的材料为SiO2，二者厚度均为λ/4n，两种材料交替生长，生长周期为0～50对；
所述的金属反射层的材料为Al，厚度为50～150nm；
所述的P-型电极的材质为Cr/Au；厚度为10～200nm；
所述的N-型电极的材质为Cr/Au，厚度为10～200nm。
2.如权利要求1所述的具有光散射结构和ODR的发光二极管的制备方法，其特征为包括以下步骤：
第一步，通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)技术在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用光刻工艺和ICP(等离子体刻蚀)技术得到突起，所述的突起形成图案，得到图形化衬底；
第二步，在衬底上依次生长N-型半导体材料，厚度为1～3μm，生长温度为950℃，气压为60mbar；发光层为4～5个周期的In0.07Ga0.93N/GaN层，其中量子垒GaN的厚度为7～8nm，量子阱In0.07Ga0.93N的厚度为3～4nm；P-型半导体材料，厚度为50～100nm，生长温度为970℃，气压为90mbar；
第三步，在第二步得到的P-型半导体材料上通过电子束蒸发或磁控溅射沉积电流扩展层，厚度为10～20nm；通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶，刻蚀深度为0.5～2μm，曝露出10～20％的N-型半导体材料；
第四步，在蓝宝石衬底背面采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术制备一层低折射率介质层，再在低折射率介质层上用电子束蒸镀DBR结构，DBR结构层高低折射率材料层按照四分之一波长厚度交替生长形成；
第五步，在第四步得到的DBR结构上蒸镀或溅射Al金属反射层，厚度为50～150nm；
第六步，蒸镀并且光刻制作出P-型电极，厚度为10～200nm；
第七步，在曝露的N-型半导体传输层上蒸镀并且光刻制作出N-型电极，厚度10～200nm，面积为N-型半导体传输层曝露部分的10～80％；
由此得到具有光散射结构和ODR的发光二极管。
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