專利名稱：一種GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電器件領(lǐng)域，具體涉及一種GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO 層的表面粗化方法。
背景技術(shù)：
近年來，發(fā)光二極管(LED)無疑成為最受重視的光源技術(shù)之一。 一方面LED具有 體積小的特性；另一方面LED具備低電流、低電壓驅(qū)動的省電特性。理論上預(yù)計(jì)，半導(dǎo)體LED 照明燈的發(fā)光效率可以達(dá)到甚至超過白熾燈的10倍、日光燈的2倍。同時(shí)它還具有結(jié)構(gòu)牢 固、抗沖擊和抗震能力強(qiáng)；超長壽命，可達(dá)100000小時(shí)；無紅外線和紫外線輻射；無汞，有利 于環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)。其中，作為在光電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一，GaN基材料得到了越來越多 人的關(guān)注，利用GaN基半導(dǎo)體材料可制作出超高亮度藍(lán)、綠、白光發(fā)光二極管。由于GaN基 發(fā)光二極管的亮度取得了很大的提高，使得GaN基發(fā)光二極管在很多領(lǐng)域都取得了應(yīng)用， 例如交通信號燈、移動電話背光、汽車尾燈、短距離通信、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)等。而在不久的將 來可能用作節(jié)能、環(huán)保照明器具的GaN基白光LED則更是將引起照明產(chǎn)業(yè)的革命，有著非常 廣闊的應(yīng)用前景，半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí)，其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈?；贕aN基 LED的重要作用，如何提高GaN基LED的發(fā)光效率已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。研究人員急待開發(fā)出 可靠的方法來提高光功率，從而大幅度提高LED產(chǎn)品的檔次，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前在20mA 的標(biāo)準(zhǔn)工作電流下，典型的GaN基藍(lán)色LED芯片的發(fā)光功率約為4mW，許多廠商從提高外量 子效率入手來提高出光功率，可使發(fā)光功率在4. 5mW以上。早期LED組件發(fā)展集中在提升 其內(nèi)部量子效率，隨著外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量 子效率已有了非常大的改善，目前藍(lán)光GaN基的LED內(nèi)量子效率可達(dá)70X以上，紫外GaN基 LED可達(dá)80X，進(jìn)一步改善的空間較小。 半導(dǎo)體材料本身的光電轉(zhuǎn)換效率已遠(yuǎn)高過其它發(fā)光光源，提高GaN基LED的外部 量子效率對促進(jìn)LED的發(fā)展應(yīng)用具有重大意義，鑒于目前其內(nèi)部量子效率的提高幾乎已經(jīng) 接近理論的極限的狀況下，提升LED組件的光取出效率將成為重要的課題。這在很大程度 上要求設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)來改善芯片出光效率，進(jìn)而達(dá)到提升發(fā)光效率(或外量子效率) 的目的，大功率芯片技術(shù)也就專注于如何提升出光效率來提升芯片的發(fā)光效率，目前國內(nèi) 外采用的主要技術(shù)途徑主要有生長分布布喇格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)、倒裝技術(shù)、表面粗化技 術(shù)和光子晶體技術(shù)。其中表面粗化技術(shù)作為一種制作工藝相對簡單的技術(shù)被普遍看好，它 不需要制作像光子晶體的嚴(yán)格結(jié)構(gòu)尺寸，而且制作方法也較多。通常普通的GaN基LED芯 片制作工藝是在藍(lán)寶石襯底上依次生長n-GaN層、多量子阱層及p-GaN層的層疊式結(jié)構(gòu)，接 著沉積ITO電流擴(kuò)散層，然后制作出金屬電極。由于GaN材料和ITO薄膜的折射率約為2. 5 和2. 1，比周圍空氣的折射率大的多，這樣在有源層產(chǎn)生的光子在經(jīng)過p-GaN與ITO界面和 ITO與空氣界面時(shí)就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，導(dǎo)致大部分光線被折回而不能透出器件表面。通 過表面粗化，可以破壞光子的全反射行為，增加光子逃出器件表面的機(jī)率，從而提高發(fā)光效率。 在目前已提出的表面粗化方法中，雖然均不同程度的提高了 LED亮度，然而這些 方法也暴露出的技術(shù)要求高、過程不易控制、會出現(xiàn)正向偏壓升高等缺點(diǎn)。因此，有必要研 究出一種制作工藝相對簡單、成本低、便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的表面粗化方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有的表面粗化技術(shù)的不足，提供一種制作工藝相對簡
單，成本低，粗化效果好的表面粗化方法。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 —種GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或IT0層的表面粗化方法，其特征在于包括 如下步驟 (1)在半導(dǎo)體襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱 層、p-GaN層和蒸鍍IT0電流擴(kuò)展層； (2)制備單層鎳納米粒子作為掩膜，在p-GaN層或ITO層表面制作粗化結(jié)構(gòu)。
其中，所述步驟(1)中的半導(dǎo)體襯底的材料優(yōu)選藍(lán)寶石、硅或SiC。
步驟(2)中所述單層鎳納米粒子掩膜的制備方法如下 ①配置鎳納米粒子分散液將1 20wt%的直徑為50nm 200nm的納米鎳粉溶 于無水乙醇，加入分散劑，將混合液進(jìn)行超聲分散處理8 30min ; ②鎳納米粒子分散液的旋涂將上述納米鎳粒子分散液旋涂在p-GaN層或ITO層 表面上，形成單層鎳納米粒子薄膜； ③單層鎳納米粒子薄膜的烘干將旋涂有單層鎳納米粒子的外延片樣品進(jìn)行烘 干，形成ICP刻蝕所需的單層鎳納米粒子掩膜層。
其中，所述分散劑優(yōu)選油酸或檸檬酸。 所述單層鎳納米粒子掩膜優(yōu)選自組裝單層鎳納米粒子掩膜。 為了使鎳納米粒子在分散劑中的懸浮性能更好，所述鎳納米粒子在配置分散液前 優(yōu)選非氧化的鎳納米粒子，所以需要進(jìn)行如下處理將稀鹽酸與納米鎳粉按質(zhì)量比5 : l混 合后進(jìn)行反應(yīng)，超聲振蕩30min后靜置20min，倒掉上層清液，并反復(fù)洗滌至pH值為6 7 。
當(dāng)對p-GaN表面進(jìn)行粗化處理時(shí)，在ICP刻蝕過程中，優(yōu)選用Cl2/BCl3/Ar作為刻 蝕氣體，刻蝕條件優(yōu)選為BC13的流量為2 15sccm， Ar的流量為5 30sccm， Cl2的流量 為110 35sccm，ICP功率為500 750W，RF功率為100 300W，刻蝕時(shí)間為10s lmin， 刻蝕后在p-GaN層表面形成凹凸?fàn)钚蚊?；將刻蝕后的樣品放入乙醇溶液中，超聲清洗將鎳 納米粒子掩膜去除并沖洗干凈。 當(dāng)對ITO電流擴(kuò)展層進(jìn)行粗化處理時(shí)，在ICP刻蝕過程中，優(yōu)選用Cl2/BCl3/Ar 或Cl2/Ar作為刻蝕氣體，刻蝕條件優(yōu)選為BC13的流量為5 10sccm， Ar的流量為2 15sccm，Cl2的流量為25 60sccm， ICP功率為200 500W，RF功率為100 350W，刻蝕時(shí) 間為1 4min，刻蝕后在ITO電流擴(kuò)展層表面形成凹凸?fàn)钚蚊?；將刻蝕后的樣品放入乙醇 溶液中，超聲清洗將鎳納米粒子掩膜去除并沖洗干凈。 上述ICP刻蝕過程中，可以通過ICP刻蝕處理的時(shí)間來控制p-GaN層或ITO電流 擴(kuò)展層的粗糙程度，特別是對p-GaN層的粗化時(shí)，為了發(fā)揮器件的光電特性，刻蝕深度不超過p-GaN層厚度的1/2較佳。 GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化過程中，在半導(dǎo)體襯底上生長 外延均為本領(lǐng)域中的常用技術(shù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法，通過將p-GaN 層或ITO層的粗化，破壞了光子在經(jīng)過p-GaN與ITO界面和ITO與空氣界面時(shí)發(fā)生的反射 現(xiàn)象，增加了光子逃出器件表面的機(jī)率，提高了發(fā)光效率。本發(fā)明方法過程易于控制，制作 工藝相對簡單，成本低，過程容易控制，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是常規(guī)GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為P電極，2為IT0層，3為p-GaN 層，4為量子阱，5為N電極，6為n-GaN層，7為不摻雜GaN層，8為低溫GaN緩沖層，9為藍(lán) 寶石襯底； 圖2是通過對ITO電流擴(kuò)展層表面粗化提高出光率的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖， 其中，1為P電極，2為表面粗化ITO層，3為p-GaN層，4為量子阱，5為N電極，6為n-GaN 層，7為不摻雜GaN層，8為低溫GaN緩沖層，9為藍(lán)寶石襯底； 圖3是通過p-GaN層表面粗化提高出光率的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為 P電極，2為ITO層，3為表面粗化p-GaN層，4為量子阱，5為N電極，6為n-GaN層，7為不摻 雜GaN層，8為低溫GaN緩沖層，9為藍(lán)寶石襯底； 圖4是通過對p-GaN層和IT0電流擴(kuò)展層同時(shí)粗化提高出光率的GaN基LED的結(jié)
構(gòu)示意圖，其中，1為P電極，2為表面粗化ITO層，3為表面粗化p-GaN層，4為量子阱，5為
N電極，6為n-GaN層，7為不摻雜GaN層，8為低溫GaN緩沖層，9為藍(lán)寶石襯底； 圖5是IT0電流擴(kuò)散層表面粗化的GaN基LED與普通GaN基LED電流電壓關(guān)系對
比曲線； 圖6是IT0電流擴(kuò)展層表面粗化的GaN基LED與普通GaN基LED發(fā)光強(qiáng)度對比曲 線。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明，但實(shí)施例并不對本發(fā)明做任何限定。
實(shí)施例1 通過粗化ITO電流擴(kuò)展層表面提高LED出光率的方法主要包括以下步驟
(1)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在半導(dǎo)體襯底上依次生長出低溫 GaN緩沖層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p_GaN層和蒸鍍ITO層的層疊式結(jié)構(gòu)。其 中半導(dǎo)體襯底的材料為藍(lán)寶石； (2)對生長出的外延片進(jìn)行MESA光刻和ICP刻蝕，直到n型GaN暴露出來；
(3)采用電子束沉積法在在經(jīng)MESA光刻后的基片上沉積一層ITO薄膜作為電流擴(kuò) 展層，薄膜的厚度為350nm; (4)稱取3g納米鎳粒子于30mL乙醇中，加入0. 6g擰檬酸，超聲分散15min。在分 散液配制前如果鎳納米粒子表面氧化了，則先要將表面的氧化物除去，具體操作是將稀鹽酸(i : 10)和納米鎳粉以質(zhì)量比5 : i放入燒杯中進(jìn)行反應(yīng)，采用超聲波清洗機(jī)超聲振蕩
30min，然后停止振蕩，靜置20min，倒掉上層清液，并反復(fù)用去離子水洗滌至pH值為6 7， 然后再進(jìn)行分散實(shí)驗(yàn)； (5)將配制好的納米鎳粒子分散液以3800rpm的速度旋涂在ITO表面上，旋涂時(shí)間 是60s，然后將基片在氮?dú)獗Ｗo(hù)的烘箱內(nèi)12(TC烘烤30min形成單層鎳納米粒子；
(6)將覆有單層鎳納米粒子掩膜的ITO表面進(jìn)行ICP光刻處理，選擇Cl2/Ar作為 刻蝕等離子氣體，刻蝕條件為Ar的流量為5sccm， Cl2的流量為35sccm， ICP功率為350W， RF功率為150W，刻蝕時(shí)間為180s，刻蝕后在ITO表面形成粗化結(jié)構(gòu)，接著將ICP刻蝕后的基 片放入乙醇溶液中超聲清洗，去除鎳納米粒子； (7)金屬電極制作在形成ITO電流擴(kuò)散層表面粗化的基礎(chǔ)上，通過常規(guī)的LED電
極制備工藝形成所需的電極(圖2)，其中電極材料為Cr/Ni/Au(5nm/20nm/1000nm)。 (8)圖5和圖6表示所制備的GaN基LED的電流-電壓特性曲線和發(fā)光強(qiáng)度_電
流的特性曲線，結(jié)果顯示ITO層表面粗化的LED發(fā)光強(qiáng)度比ITO層表面未粗化的LED提高
30%以上。 實(shí)施例2 通過粗化p-GaN層表面提高GaN基LED出光率的方法主要包括以下步驟
(1)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在半導(dǎo)體襯底上依次生長出低溫 GaN緩沖層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p_GaN層及蒸鍍ITO層的層疊式結(jié)構(gòu)。其 中，p-GaN層由lOnm厚的p-GaN層和180nm厚的摻鎂p型GaN層構(gòu)成，半導(dǎo)體襯底的材料 為硅； (2)稱取3g納米鎳粒子于30mL乙醇中，加入0.6g油酸，超聲分散10min。在分散 液配制前對鎳納米粒子表面進(jìn)行去氧化處理，即將納米鎳粉的表面氧化物除去，具體操作 是將稀鹽酸(l : 10)和納米鎳粉以質(zhì)量比5 : l放入燒杯中進(jìn)行反應(yīng)，采用超聲波清洗機(jī) 超聲振蕩30min，然后停止振蕩，靜置20min，倒掉上層清液，并反復(fù)用去離子水洗滌至pH值 為6 7，然后再進(jìn)行分散液配制； (3)將配制好的納米鎳粒子分散液以4000rpm的速度旋涂在p-GaN層表面上，旋 涂時(shí)間是50s，然后將基片在氮?dú)獗Ｗo(hù)的烘箱內(nèi)12(TC烘烤30分鐘形成單層鎳納米粒子掩 膜； (4)將覆有單層鎳納米粒子掩膜的p-GaN層表面進(jìn)行ICP刻蝕處理，選擇C12/ BC13/Ar作為刻蝕等離子氣體，刻蝕條件為C12的流量為15sccm，BC13的流量為5sccm，Ar 的流量為10sccm， ICP功率為550W， RF功率為150W，刻蝕時(shí)間為30s，刻蝕后在p-GaN表面 形成粗化結(jié)構(gòu)，接著將ICP刻蝕后的基片放入乙醇溶液中超聲清洗，去除鎳納米粒子；
(2)對p-GaN層表面已粗化的基片進(jìn)行MESA光刻和ICP刻蝕，直到n型GaN暴露 出來； (3)采用電子束沉積法在經(jīng)MESA光刻和ICP刻蝕后的基片上沉積一層厚度為 250nm的ITO薄膜作為電流擴(kuò)展層； (7)金屬電極制作在形成p-GaN層表面粗化的基礎(chǔ)上，通過常規(guī)的LED金屬電極 制備工藝形成所需的電極，其中電極材料為Cr/Ni/Au(5nm/20nm/1000nm)。
(S)p-GaN層表面粗化的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
綜上所述，本發(fā)明通過對IT0電流擴(kuò)散層或p-GaN層的表面粗化可以提高GaN基 LED的的發(fā)光強(qiáng)度。粗化過程采用ICP干法刻蝕技術(shù)，并以自組裝的單層鎳納米粒子作為掩 膜。同時(shí)使用該方法也可以獲得P-GaN層和ITO電流擴(kuò)展層同時(shí)粗化的結(jié)構(gòu)(圖4)，結(jié)果 能使更多有源層產(chǎn)生的光子逃出芯片表面，達(dá)到提高LED發(fā)光效率的目的。
權(quán)利要求
一種GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法，其特征在于包括如下步驟(1)在半導(dǎo)體襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p-GaN層和蒸鍍ITO電流擴(kuò)展層；(2)制備單層鎳納米粒子作為掩膜，在p-GaN層或ITO層表面制作粗化結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于步驟(1)中所述半導(dǎo)體襯底的材料為藍(lán)寶石、硅或SiC。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于步驟(2)中所述單層鎳納米粒子掩膜的制備方法如下(1) 配置鎳納米粒子分散液將1 20wt^的直徑為50nm 200nm的納米鎳粉溶于無 水乙醇，加入分散劑，將混合液進(jìn)行超聲分散處理8 30min ;(2) 鎳納米粒子分散液的旋涂將上述納米鎳粒子分散液旋涂在p-GaN層或ITO層表 面上，形成單層鎳納米粒子薄膜；(3) 單層鎳納米粒子薄膜的烘干將旋涂有單層鎳納米粒子的外延片樣品進(jìn)行烘干， 形成ICP刻蝕所需的單層鎳納米粒子掩膜層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于步驟(1)中所述分散劑為油酸或檸檬酸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方 法，其特征在于所述單層鎳納米粒子掩膜為自組裝單層鎳納米粒子掩膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于所述納米鎳粉是非氧化的，在配制分散液前需進(jìn)行如下處理將稀鹽酸與納米 鎳粉按質(zhì)量比5 : l混合后進(jìn)行反應(yīng)，超聲振蕩30min后靜置20min，倒掉上層清液，并反復(fù) 洗滌至pH值為6 7。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于當(dāng)對P-GaN層進(jìn)行表面粗化處理時(shí)，所述步驟(2)中用Cl"BCl乂Ar作為刻蝕氣 體，刻蝕條件為BC13的流量為2 15sccm， Ar的流量為5 30sccm， Cl2的流量為110 35sccm， ICP功率為500 750W，RF功率為100 300W，刻蝕時(shí)間為10s lmin，刻蝕后在 P-GaN層表面形成凹凸?fàn)钚蚊病?br> 8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于當(dāng)對ITO層進(jìn)行表面粗化處理時(shí)，所述步驟(2)中用Cl"BCl3/Ar或Cl"Ar作 為刻蝕氣體，刻蝕條件為BC13的流量為5 lOsccm， Ar的流量為2 15sccm， Cl2的流量 為25 60sccm， ICP功率為200 500W， RF功率為100 350W，刻蝕時(shí)間為1 4min，刻 蝕后在ITO電流擴(kuò)展層表面形成凹凸?fàn)钚蚊病?br> 9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特征在于對P-GaN層進(jìn)行表面粗化時(shí)，所述刻蝕的深度不超過p-GaN層厚度的1/2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法。該方法包括如下步驟(1)在半導(dǎo)體襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p-GaN層的層疊式結(jié)構(gòu)和蒸鍍ITO電流擴(kuò)展層；(2)制備單層鎳納米粒子作為掩模，在p-GaN層或ITO層表面制作粗化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法步驟簡單，成本低，粗化效果好；通過本發(fā)明方法對GaN基LED的p-GaN層或ITO層進(jìn)行表面粗化，可以抑制芯片內(nèi)光子的全反射，提高器件的出光效率。
文檔編號H01L33/14GK101702419SQ20091019347
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者何安和, 何苗, 章勇, 范廣涵 申請人:華南師范大學(xué)