專利名稱：一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種具有較高電光轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。目前以氮化鎵(GaN)材料為代表的II1-V族化合物是藍(lán)綠光LED的重要材料體系。因其具有壽命長、 體積小、耐沖擊、不易損壞、安全環(huán)保、使用電壓低、晶?？苫厥?、無熒光燈水銀污染等優(yōu)點， 以及在交通信號燈、筆記本背光源、大型LED顯示器、背景燈、路燈、日光燈、汽車指示燈等眾多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了 LED研發(fā)和商用器件的快速發(fā)展。目前較低的量子效率是限制LED行業(yè)發(fā)展的重要因素之一，其主要原因有兩點，其一是外延層、襯底材料以及空氣之間折射率相差較大，導(dǎo)致發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光在不同折射率材料截面發(fā)生全反射而不能導(dǎo)出芯片；其二是藍(lán)寶石與GaN晶格失配較大，導(dǎo)致外延晶體缺陷密度較大，內(nèi)量子效率低。
目前已經(jīng)提出了幾種可以提高芯片量子效率的方法，主要包括改變芯片的幾何外形，減少光在芯片內(nèi)部的光程，降低光的吸收損耗，如倒金字塔結(jié)構(gòu)；控制和改變自發(fā)輻射，一般采用諧振腔或光子晶體等結(jié)構(gòu)；采用表面粗化的方法，使光在粗糙的半導(dǎo)體和空氣截面發(fā)生漫反射，增加其射出的機(jī)會等。
為了提高器件的內(nèi)量子效率，現(xiàn)在比較多采用圖形化襯底的方法實現(xiàn)。在襯底上設(shè)計制作出微米級或納米級的具有微結(jié)構(gòu)的特定規(guī)則的圖案，使GaN材料由縱向外延變?yōu)闄M向外延，從而有效減少GaN外延材料的缺陷密度，減小有源區(qū)的非輻射性復(fù)合。另外， 圖形化襯底增強(qiáng)了光在GaN和襯底界面的散射，從而增加了光從芯片內(nèi)部出射的概率。專利ZL200410038260.4中介紹了一種濕法刻蝕實現(xiàn)襯底圖形化的方法；專利申請 201010263069. 5中介紹了采用等離子體刻蝕方法實現(xiàn)襯底圖形化。然而無論是濕法刻蝕還是干法刻蝕，基本都會涉及到沉積、光刻、刻蝕、去膠等步驟，過程復(fù)雜，無形當(dāng)中為制作效果引入了多個影響因素，如曝光后圖形效果、保護(hù)膜質(zhì)量等，以上因素都會影響制作出的準(zhǔn)周期性圖形的質(zhì)量，且電感耦合等離子體刻蝕機(jī)成本較高。
采用激光掃描燒蝕的方法制備圖形化襯底不僅可以簡化制作過程，還可以降低生產(chǎn)成本。鑒于此，我們提供了一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。采用飛秒激光器在襯底表面制作襯底圖形，這種方法不同于普通的激光燒蝕。普通的激光燒蝕僅僅是在物質(zhì)表面轟擊出激光光斑大小的坑狀表面，且周期均在Iym以上。本方法可以制備的圖形周期可以小于I μ m，增加表面圖形數(shù)量，進(jìn)一步減少缺陷密度，且提高外量子效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。采用飛秒激光直接在襯底上進(jìn)行掃描燒蝕，在襯底表面形成納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，并在該襯底上生長外延層、 制備芯片。這種結(jié)構(gòu)可以提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和外量子效率，從而提高芯片發(fā)光效率。
—種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法包括以下步驟
(I)清洗襯底；
(2)采用激光燒蝕的方式在襯底表面燒蝕出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)；
(3)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行外延層生長，外延層包括N型層、多量子阱層和P型層；
(4)采用光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進(jìn)行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平
(5)在P型層上沉積透明導(dǎo)電層，其厚度在100_3000nm ；
(6)在前一步驟得到的結(jié)構(gòu)上制備電極，厚度在1500_2000nm ；
(7)沉積SiO2保護(hù)層，厚度在200_350nm ；
(8)將晶圓減薄到100-200 μ m厚，切割成分立芯片；
其中步驟(2)所述激光燒灼為采用飛秒激光器進(jìn)行的激光掃描燒蝕，激光脈寬為30-150fs，激光能量密度控制在O. 05-0. 9mJ/cm2,重復(fù)頻率為1_20000Ηζ，掃描速度為 O. 1 -1mm/s η
所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。
所述納米級準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)為蒙古包形、類圓錐形或類圓柱形。
步驟(2)所述燒灼過程中襯底置于水中或者氣體環(huán)境中，所述氣體包括空氣、六氟化硫、氫氣、氧氣或氮氣。
透明導(dǎo)電層材料為氧化銦錫、氧化鋅或金。
電極材料為鋁、鋁/金、鎳/金、鈦/金、鉻/金、鉻/鉬/金、鎳/銀/鎳/金。
本發(fā)明創(chuàng)新之處在于采用飛秒激光直接在襯底上制作納米級準(zhǔn)周期性圖形結(jié)構(gòu)， 這種方法與濕法、干法刻蝕工藝方法相比工藝簡單，與以往的激光加工方法相比圖形尺寸更小。且由于采用激光直接進(jìn)行掃描燒蝕，避免了常規(guī)的制作方法在進(jìn)行沉積、光刻、刻蝕、 去膠等過程中引入的影響因素。本方法不僅簡化了制作過程還降低了生產(chǎn)成本，在襯底上形成了準(zhǔn)周期性納米結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)可以有效地減少截面反射、減少內(nèi)部吸收、改善外延生長缺陷，這些方法可以進(jìn)一步提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和外量子效率，從而提高芯片發(fā)光效率。


圖1飛秒激光制備納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)示意圖
圖2藍(lán)寶石襯底納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)完成后的示意圖
圖3完成生長后的外延片示意圖
圖4Mesa平臺完成后的示意圖
圖5透明導(dǎo)電層完成后的示意圖
圖6電極完成后的示意圖
圖7保護(hù)層完成后的不意圖
其中10_藍(lán)寶石襯底，11-納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，20-外延層，30-Mesa平臺， 40-透明導(dǎo)電層，50-電極，60-保護(hù)層，300-激光，301-三維平移臺具體實施方式
下面以藍(lán)寶石襯底為例，結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施步驟。
實施例1
1、用H2SO4 = H2O2清洗藍(lán)寶石襯底。
2、將藍(lán)寶石襯底固定在三維平移臺上；校正激光入射方向，使激光垂直襯底表面入射，因為此時的激光形成的等離子體對激光能量吸收效率最高；在襯底表面燒灼出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，形狀為凸起的類圓錐形；選用的飛秒激光脈寬為30fs，能量為O. 05mJ/ cm2,重復(fù)頻率為IKHz,掃描速度為O.1 mm/so該過程中襯底位于氮氣氣氛中。
3、通過MOCVD生長外延層，包括N型層、多量子阱層和P型層。
4、通過光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進(jìn)行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平臺， 刻蝕厚度為2. O μ m。
5、在P型層上制作ITO透明導(dǎo)電層，厚度為350nm，蒸鍍時通入氧氣的流量為 3sccm ;在50CTC退火15分鐘，退火后透明導(dǎo)電層對462nm光的透射率大于90%,片電阻小于 20Ω/cm2ο
6、制作招/金電極,厚度為1500nm。
7、沉積厚度為200nm的SiO2保護(hù)層。
8、最后研磨晶圓至100 μ m厚,切割成分立芯片。
實施例2
1、用H2SO4 = H2O2清洗藍(lán)寶石襯底。
2、將藍(lán)寶石襯底固定在三維平移臺上；校正激光入射方向，使激光垂直襯底表面入射，因為此時的激光形成的等離子體對激光能量吸收效率最高；在襯底表面燒灼出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，形狀為凸起的蒙古包形；選用的飛秒激光脈寬為90fs，能量為O. 5mJ/cm2, 重復(fù)頻率為IOKHz，掃描速度為O. 5mm/s。該過程中襯底位于空氣中。
3、通過MOCVD生長外延層，包括N型層、多量子阱層和P型層。
4、通過光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進(jìn)行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平臺， 刻蝕厚度為2. O μ m。
5、在P型層上制作氧化鋅透明導(dǎo)電層，厚度為3000nm ；在500 V退火15分鐘，退火后透明導(dǎo)電層對462nm光的透射率大于90%,片電阻小于20Ω/αιι2。
6、制作鎳/金電極，厚度為1700nm。
7、沉積厚度為280nm的SiO2保護(hù)層。
8、最后研磨晶圓至150 μ m厚,切割成分立芯片。
實施例3
1、用H2SO4 = H2O2清洗藍(lán)寶石襯底。
2、將藍(lán)寶石襯底固定在三維平移臺上；校正激光入射方向，使激光垂直襯底表面入射，因為此時的激光形成的等離子體對激光能量吸收效率最高；在襯底表面燒灼出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，形狀為凸起的類圓柱形；選用的飛秒激光脈寬為150fs，能量為O. 9mJ/ cm2，重復(fù)頻率為20KHz，掃描速度為lmm/s。該過程中襯底位于水中。
3、通過MOCVD生長外延層，包括N型層、多量子阱層和P型層。
4、通過光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進(jìn)行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平臺， 刻蝕厚度為2. O μ m。
5、在P型層上制作金透明導(dǎo)電層，厚度為IOOnm;在500°C退火15分鐘，退火后透明導(dǎo)電層對462nm光的透射率大于90%,片電阻小于20Ω/αιι2。
6、制作鉻/鉬/金電極，厚度為2000nm。
7、沉積厚度為350nm的SiO2保護(hù)層。
8、最后研磨晶圓至200 μ m厚,切割成分立芯片。
權(quán)利要求
1.一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法包括以下步驟 (1)清洗襯底； (2)采用激光燒蝕的方式在襯底表面燒蝕出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)； (3)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行外延層生長，外延層包括N型層、多量子阱層和P型層； (4)采用光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進(jìn)行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平臺； (5)在P型層上沉積透明導(dǎo)電層，其厚度在100-3000nm； (6)在前一步驟得到的結(jié)構(gòu)上制備電極，厚度在1500-2000nm; (7)沉積SiO2保護(hù)層，厚度在200-350nm； (8)將晶圓減薄到100-200iim厚，切割成分立芯片； 其特征在于，步驟(2)所述激光燒灼為采用飛秒激光器進(jìn)行的激光掃描燒蝕，激光脈寬為30-150fs，激光能量密度控制在0. 05-0. 9mJ/cm2，重復(fù)頻率為l-20000Hz，掃描速度為0.1-1mm/Sn
2.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于所述納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)為蒙古包形、類圓錐形或類圓柱形。
4.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于步驟(2)所述燒灼過程中襯底置于水中或者氣體環(huán)境中，所述氣體包括空氣、六氟化硫、氫氣、氧氣或氮氣。
5.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于透明導(dǎo)電層材料為氧化銦錫、氧化鋅或金。
6.如權(quán)利要求1所述的一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于電極材料為鋁、鋁/金、鎳/金、鈦/金、鉻/金、鉻/鉬/金、鎳/銀/鎳/金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法，其采用飛秒激光器對襯底以掃描燒蝕的方式制備出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，普通的激光燒蝕方法僅在表面燒蝕出激光光斑大小的坑，本發(fā)明的燒蝕方法能在光斑內(nèi)形成若干圖形；以制備的圖形化襯底為模板，使用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉淀系統(tǒng)生長外延片；以制備的圖形化襯底外延片進(jìn)行芯片制備。本發(fā)明實現(xiàn)了高亮度、高穩(wěn)定性芯片的制備，具有與干法制備圖形化襯底的方法相比工藝簡單和成本低廉的優(yōu)勢。
文檔編號H01L33/00GK103022277SQ201110290769
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者肖志國, 孫英博, 武勝利, 唐勇, 李倩影, 薛念亮, 劉偉, 閆曉紅 申請人:大連美明外延片科技有限公司