提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法

摘要

本发明提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，属于以Si作为衬底生长GaN基LED的技术领域；所要解决的技术问题是提供一种能够提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法；采用的技术方案为：提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，按以下步骤进行：第一步、用SiO2作为衬底的底层；第二步、用Si作为衬底的第二层；第三步：在Si层上生长GaN层；本发明利用GaN、Si和SiO2这几种不同材料的界面反射效应，减少衬底材料对蓝绿光的吸收，提高了LED的出光效率。

权利要求

1.提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，其特征在于：按以下步骤进行：第一步、用SiO2作为衬底的底层，SiO2层（3）的厚度d2的计算公式为：其中：λ为蓝绿光的波长，波长范围为530nm～580nm，n2为SiO2的折射率，k为整数；

第二步、用Si作为衬底的第二层，Si层（2）的厚度d1的计算公式为：其中：λ为蓝绿光的波长，波长范围为530nm～580nm，n1为Si的折射率，k为整数；

第三步：在Si层上生长GaN层（1）。

2.根据权利要求1所述的提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，其特征在于：所述的SiO2层（3）和Si层（2）均为多层，且一层SiO2层（3）和一层Si层（2）间隔设置，最底层为SiO2层（3），最顶层为Si层（2），GaN层（1）设置在最顶层的Si层上方。

3.根据权利要求1或2所述的提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，其特征在于：所述Si层（2）的最小厚度为77.485nm～84.795nm，所述SiO2层（3）的最小厚度为

172.078nm～188.312nm。

4.根据权利要求3所述的提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，其特征在于：所述Si层（2）的最小厚度为80.409nm，所述SiO2层（3）的最小厚度为178.571nm。

说明书

提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法

技术领域

[0001] 本发明提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，属于以Si作为衬底生长GaN基LED的技术领域。

背景技术

[0002] 衬底是半导体照明产业技术发展的基石，衬底材料决定了器件的性能指标。由于技术难度大，全球只有Cree和日亚化学等少数企业具备研制衬底材料的能力，其中Cree主要做SiC衬底，日亚化学主要做蓝宝石衬底。目前用于批量生产GaN外延片的衬底材料仅有蓝宝石和碳化硅衬底，其它诸如Si、ZnO衬底还处于研发或小批量生产阶段。

[0003] 用Si作为衬底生长GaN基LED是业界寄予厚望的一个技术路径，它和现有微电子工艺接轨，无需巨大的设备开发成本；大尺寸衬底还可以进一步提高相对于蓝宝石和碳化硅衬底的价格优势；可以直接和现有硅基光电子探测器和MEMS集成。但是目前存在材料失配引起龟裂、发光效率低、工作电压高、可靠性差等困难，一直没有得到大规模生产。另外硅材料对于蓝绿光的强烈吸收导致了硅基LED出光效率低下，也是影响Si作为LED衬底材料的一个主要因素。

发明内容

[0004] 本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种能够提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，按以下步骤进行：

[0006] 第一步、用SiO2作为衬底的底层，SiO2层的厚度d2的计算公式为：其中：λ为蓝绿光的波长，波长范围为530nm～580nm，n2为SiO2的折射率，k为整数；

[0007] 第二步、用Si作为衬底的第二层，Si层的厚度d1的计算公式为：其中：λ为蓝绿光的波长，波长范围为530nm～580nm，n1为Si的折射率，k为整数；

[0008] 第三步：在Si层上生长GaN层。

[0009] 所述的SiO2层和Si层均为多层，且一层SiO2层和一层Si层间隔设置，最底层为SiO2层，最顶层为Si层，GaN层设置在最顶层的Si层上方。

[0010] 所述Si层的最小厚度为77.485nm～84.795nm，所述SiO2层的最小厚度为172.078nm～188.312nm。

[0011] 所述Si层的最小厚度为80.409nm，所述SiO2层的最小厚度为178.571nm。

[0012] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

[0013] 本发明利用GaN、Si和SiO2这几种不同材料的界面反射效应，减少衬底材料对蓝绿光的吸收，提高了LED的出光效率，为大规模的利用Si作为LED外延衬底材料奠定了基础。而用Si作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，具有良好的导电性、导热性和热稳定性等。

附图说明

[0014] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0015] 图1为本发明所述方法的一种实施例。

[0016] 图2为本发明所述方法的另一种实施例。

具体实施方式

[0017] 如图1、图2所示，本发明提高硅衬底上蓝绿光LED出光效率的方法，按以下步骤进行：第一步、用SiO2作为衬底的底层，SiO2层3的厚度的计算公式为： 其中：λ为蓝绿光的波长，n2为SiO2的折射率，k为整数。

[0018] 第二步、用Si作为衬底的第二层，Si层2的厚度的计算公式为： 其中：λ为蓝绿光的波长，n1为Si的折射率，k为整数。

[0019] 第三步：在Si层上生长GaN层1。

[0020] 所述的SiO2层3和Si层2均为多层，多层SiO2层3和多层Si层2间隔设置，最底层为SiO2层3，最顶层为Si层2，GaN层1设置在最顶层的Si层上方。

[0021] 所述Si层2的最小厚度为77.485nm～84.795nm，所述SiO2层3的最小厚度为172.078nm～188.312nm。

[0022] 所述Si层2的最小厚度为80.409nm，所述SiO2层3的最小厚度为178.571nm。

[0023] 其中，Si层2、SiO2层3和GaN层1的生长或涂覆技术为现有技术。

[0024] 蓝绿光的平均波长 GaN的折射率n0=2.4，Si的折射率n1=3.42，SiO2的折射率n2=1.54。

[0025] 一、各层膜的厚度计算：

[0026] 以光线垂直入射为例，有半波损失，

[0027] 即： 其中：k为整数，k=0,1,2,3…

[0028] 由此：Si层2的最小厚度：

[0029] 同理：SiO2层3的最小厚度：

[0030] 以上计算是按蓝绿光的平均波长计算的，考虑到蓝绿光的波长范围为530nm～580nm，按上述方法计算得到：Si层2最小厚度的范围为77.485nm～84.795nm，SiO2层3最小厚度的范围为172.078nm～188.312nm。根据实际需要可加厚膜的厚度，但需符合k为整数的条件。

[0031] 二、有效反射率的提高：

[0032] 第一次反射光的振幅：

[0033] 第二次反射光的振幅：

[0034] 反射光的强度：

[0035] 反射率为：

[0036] 无SiO2膜时反射光的强度：

[0037] 反射率为：

[0038] 故反射率增加为：Δ=29.4%-3.10%=26.3%

[0039] 上面计算的是镀制一层Si层2和SiO2层3时反射率的提高值。若想进一步提高光的反射率，如图2所示，可以通过镀制多层Si层2和SiO2层3的工艺来实现。