一種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法

2024-04-05 16:01:05

專利名稱：一種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法
技術領域：
本發明涉及光電器件領域，具體涉及一種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO 層的表面粗化方法。
背景技術：
近年來，發光二極體(LED)無疑成為最受重視的光源技術之一。 一方面LED具有 體積小的特性；另一方面LED具備低電流、低電壓驅動的省電特性。理論上預計，半導體LED 照明燈的發光效率可以達到甚至超過白熾燈的10倍、日光燈的2倍。同時它還具有結構牢 固、抗衝擊和抗震能力強；超長壽命，可達100000小時；無紅外線和紫外線輻射；無汞，有利 於環保等眾多優點。其中，作為在光電子領域的主要應用之一，GaN基材料得到了越來越多 人的關注，利用GaN基半導體材料可製作出超高亮度藍、綠、白光發光二極體。由於GaN基 發光二極體的亮度取得了很大的提高，使得GaN基發光二極體在很多領域都取得了應用， 例如交通信號燈、行動電話背光、汽車尾燈、短距離通信、光電計算機互聯等。而在不久的將 來可能用作節能、環保照明器具的GaN基白光LED則更是將引起照明產業的革命，有著非常 廣闊的應用前景，半導體照明一旦成為現實，其意義不亞於愛迪生發明白熾燈。基於GaN基 LED的重要作用，如何提高GaN基LED的發光效率已成為關注的焦點。研究人員急待開發出 可靠的方法來提高光功率，從而大幅度提高LED產品的檔次，提高經濟效益。目前在20mA 的標準工作電流下，典型的GaN基藍色LED晶片的發光功率約為4mW，許多廠商從提高外量 子效率入手來提高出光功率，可使發光功率在4. 5mW以上。早期LED組件發展集中在提升 其內部量子效率，隨著外延生長技術和多量子阱結構的發展，超高亮度發光二極體的內量 子效率已有了非常大的改善，目前藍光GaN基的LED內量子效率可達70X以上，紫外GaN基 LED可達80X，進一步改善的空間較小。 半導體材料本身的光電轉換效率已遠高過其它發光光源，提高GaN基LED的外部 量子效率對促進LED的發展應用具有重大意義，鑑於目前其內部量子效率的提高几乎已經 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 上要求設計新的晶片結構來改善晶片出光效率，進而達到提升發光效率(或外量子效率) 的目的，大功率晶片技術也就專注於如何提升出光效率來提升晶片的發光效率，目前國內 外採用的主要技術途徑主要有生長分布布喇格反射層(DBR)結構、倒裝技術、表面粗化技 術和光子晶體技術。其中表面粗化技術作為一種製作工藝相對簡單的技術被普遍看好，它 不需要製作像光子晶體的嚴格結構尺寸，而且製作方法也較多。通常普通的GaN基LED芯 片製作工藝是在藍寶石襯底上依次生長n-GaN層、多量子阱層及p-GaN層的層疊式結構，接 著沉積ITO電流擴散層，然後製作出金屬電極。由於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，這樣在有源層產生的光子在經過p-GaN與ITO界面和 ITO與空氣界面時就會發生全反射現象，導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率，從而提高發光效率。 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要求高、過程不易控制、會出現正向偏壓升高等缺點。因此，有必要研 究出一種製作工藝相對簡單、成本低、便於產業化生產的表面粗化方法。

發明內容
本發明的目的在於根據現有的表面粗化技術的不足，提供一種製作工藝相對簡
單，成本低，粗化效果好的表面粗化方法。 本發明是通過以下技術方案予以實現的 —種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或IT0層的表面粗化方法，其特徵在於包括 如下步驟 (1)在半導體襯底上依次生長低溫GaN緩衝層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱 層、p-GaN層和蒸鍍IT0電流擴展層； (2)製備單層鎳納米粒子作為掩膜，在p-GaN層或ITO層表面製作粗化結構。
其中，所述步驟(1)中的半導體襯底的材料優選藍寶石、矽或SiC。
步驟(2)中所述單層鎳納米粒子掩膜的製備方法如下 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 於無水乙醇，加入分散劑，將混合液進行超聲分散處理8 30min ; ②鎳納米粒子分散液的旋塗將上述納米鎳粒子分散液旋塗在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乾將旋塗有單層鎳納米粒子的外延片樣品進行烘 幹，形成ICP刻蝕所需的單層鎳納米粒子掩膜層。
其中，所述分散劑優選油酸或檸檬酸。 所述單層鎳納米粒子掩膜優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 優選非氧化的鎳納米粒子，所以需要進行如下處理將稀鹽酸與納米鎳粉按質量比5 : l混 合後進行反應，超聲振蕩30min後靜置20min，倒掉上層清液，並反覆洗滌至pH值為6 7 。
當對p-GaN表面進行粗化處理時，在ICP刻蝕過程中，優選用Cl2/BCl3/Ar作為刻 蝕氣體，刻蝕條件優選為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，刻蝕時間為10s lmin， 刻蝕後在p-GaN層表面形成凹凸狀形貌；將刻蝕後的樣品放入乙醇溶液中，超聲清洗將鎳 納米粒子掩膜去除並衝洗乾淨。 當對ITO電流擴展層進行粗化處理時，在ICP刻蝕過程中，優選用Cl2/BCl3/Ar 或Cl2/Ar作為刻蝕氣體，刻蝕條件優選為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 間為1 4min，刻蝕後在ITO電流擴展層表面形成凹凸狀形貌；將刻蝕後的樣品放入乙醇 溶液中，超聲清洗將鎳納米粒子掩膜去除並衝洗乾淨。 上述ICP刻蝕過程中，可以通過ICP刻蝕處理的時間來控制p-GaN層或ITO電流 擴展層的粗糙程度，特別是對p-GaN層的粗化時，為了發揮器件的光電特性，刻蝕深度不超過p-GaN層厚度的1/2較佳。 GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化過程中，在半導體襯底上生長 外延均為本領域中的常用技術。 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果 本發明GaN基LED晶片結構中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，破壞了光子在經過p-GaN與ITO界面和ITO與空氣界面時發生的反射 現象，增加了光子逃出器件表面的機率，提高了發光效率。本發明方法過程易於控制，製作 工藝相對簡單，成本低，過程容易控制，便於產業化生產。


圖1是常規GaN基LED的結構示意圖，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緩衝層，9為藍 寶石襯底； 圖2是通過對ITO電流擴展層表面粗化提高出光率的GaN基LED的結構示意圖， 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緩衝層，9為藍寶石襯底； 圖3是通過p-GaN層表面粗化提高出光率的GaN基LED的結構示意圖，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緩衝層，9為藍寶石襯底； 圖4是通過對p-GaN層和IT0電流擴展層同時粗化提高出光率的GaN基LED的結
構示意圖，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緩衝層，9為藍寶石襯底； 圖5是IT0電流擴散層表面粗化的GaN基LED與普通GaN基LED電流電壓關係對
比曲線； 圖6是IT0電流擴展層表面粗化的GaN基LED與普通GaN基LED發光強度對比曲 線。
具體實施例方式
以下結合實施例來進一步解釋本發明，但實施例並不對本發明做任何限定。
實施例1 通過粗化ITO電流擴展層表面提高LED出光率的方法主要包括以下步驟
(1)採用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)在半導體襯底上依次生長出低溫 GaN緩衝層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p_GaN層和蒸鍍ITO層的層疊式結構。其 中半導體襯底的材料為藍寶石； (2)對生長出的外延片進行MESA光刻和ICP刻蝕，直到n型GaN暴露出來；
(3)採用電子束沉積法在在經MESA光刻後的基片上沉積一層ITO薄膜作為電流擴 展層，薄膜的厚度為350nm; (4)稱取3g納米鎳粒子於30mL乙醇中，加入0. 6g擰檬酸，超聲分散15min。在分 散液配製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)和納米鎳粉以質量比5 : i放入燒杯中進行反應，採用超聲波清洗機超聲振蕩
30min，然後停止振蕩，靜置20min，倒掉上層清液，並反覆用去離子水洗滌至pH值為6 7， 然後再進行分散實驗； (5)將配製好的納米鎳粒子分散液以3800rpm的速度旋塗在ITO表面上，旋塗時間 是60s，然後將基片在氮氣保護的烘箱內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，刻蝕時間為180s，刻蝕後在ITO表面形成粗化結構，接著將ICP刻蝕後的基 片放入乙醇溶液中超聲清洗，去除鎳納米粒子； (7)金屬電極製作在形成ITO電流擴散層表面粗化的基礎上，通過常規的LED電
極製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表示所製備的GaN基LED的電流-電壓特性曲線和發光強度_電
流的特性曲線，結果顯示ITO層表面粗化的LED發光強度比ITO層表面未粗化的LED提高
30%以上。 實施例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)採用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)在半導體襯底上依次生長出低溫 GaN緩衝層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p_GaN層及蒸鍍ITO層的層疊式結構。其 中，p-GaN層由lOnm厚的p-GaN層和180nm厚的摻鎂p型GaN層構成，半導體襯底的材料 為矽； (2)稱取3g納米鎳粒子於30mL乙醇中，加入0.6g油酸，超聲分散10min。在分散 液配製前對鎳納米粒子表面進行去氧化處理，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)和納米鎳粉以質量比5 : l放入燒杯中進行反應，採用超聲波清洗機 超聲振蕩30min，然後停止振蕩，靜置20min，倒掉上層清液，並反覆用去離子水洗滌至pH值 為6 7，然後再進行分散液配製； (3)將配製好的納米鎳粒子分散液以4000rpm的速度旋塗在p-GaN層表面上，旋 塗時間是50s，然後將基片在氮氣保護的烘箱內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，刻蝕時間為30s，刻蝕後在p-GaN表面 形成粗化結構，接著將ICP刻蝕後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行MESA光刻和ICP刻蝕，直到n型GaN暴露 出來； (3)採用電子束沉積法在經MESA光刻和ICP刻蝕後的基片上沉積一層厚度為 250nm的ITO薄膜作為電流擴展層； (7)金屬電極製作在形成p-GaN層表面粗化的基礎上，通過常規的LED金屬電極 製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的結構示意圖如圖3所示。
綜上所述，本發明通過對IT0電流擴散層或p-GaN層的表面粗化可以提高GaN基 LED的的發光強度。粗化過程採用ICP幹法刻蝕技術，並以自組裝的單層鎳納米粒子作為掩 膜。同時使用該方法也可以獲得P-GaN層和ITO電流擴展層同時粗化的結構(圖4)，結果 能使更多有源層產生的光子逃出晶片表面，達到提高LED發光效率的目的。
權利要求
一種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法，其特徵在於包括如下步驟(1)在半導體襯底上依次生長低溫GaN緩衝層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p-GaN層和蒸鍍ITO電流擴展層；(2)製備單層鎳納米粒子作為掩膜，在p-GaN層或ITO層表面製作粗化結構。
2. 根據權利要求1所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於步驟(1)中所述半導體襯底的材料為藍寶石、矽或SiC。
3. 根據權利要求1所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於步驟(2)中所述單層鎳納米粒子掩膜的製備方法如下(1) 配置鎳納米粒子分散液將1 20wt^的直徑為50nm 200nm的納米鎳粉溶於無 水乙醇，加入分散劑，將混合液進行超聲分散處理8 30min ;(2) 鎳納米粒子分散液的旋塗將上述納米鎳粒子分散液旋塗在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乾將旋塗有單層鎳納米粒子的外延片樣品進行烘乾， 形成ICP刻蝕所需的單層鎳納米粒子掩膜層。
4. 根據權利要求3所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於步驟(1)中所述分散劑為油酸或檸檬酸。
5. 根據權利要求1或3所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方 法，其特徵在於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. 根據權利要求3所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於所述納米鎳粉是非氧化的，在配製分散液前需進行如下處理將稀鹽酸與納米 鎳粉按質量比5 : l混合後進行反應，超聲振蕩30min後靜置20min，倒掉上層清液，並反覆 洗滌至pH值為6 7。
7. 根據權利要求1所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於當對P-GaN層進行表面粗化處理時，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，刻蝕時間為10s lmin，刻蝕後在 P-GaN層表面形成凹凸狀形貌。
8. 根據權利要求1所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於當對ITO層進行表面粗化處理時，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，刻蝕時間為1 4min，刻 蝕後在ITO電流擴展層表面形成凹凸狀形貌。
9. 根據權利要求7所述的GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法， 其特徵在於對P-GaN層進行表面粗化時，所述刻蝕的深度不超過p-GaN層厚度的1/2。
全文摘要
本發明公開了一種GaN基LED晶片結構中p-GaN層或ITO層的表面粗化方法。該方法包括如下步驟(1)在半導體襯底上依次生長低溫GaN緩衝層、不摻雜GaN層、n-GaN層、多量子阱層、p-GaN層的層疊式結構和蒸鍍ITO電流擴展層；(2)製備單層鎳納米粒子作為掩模，在p-GaN層或ITO層表面製作粗化結構。本發明方法步驟簡單，成本低，粗化效果好；通過本發明方法對GaN基LED的p-GaN層或ITO層進行表面粗化，可以抑制晶片內光子的全反射，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 優先權日2009年10月30日
發明者何安和, 何苗, 章勇, 範廣涵 申請人:華南師範大學