一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法

技术领域

本发明涉及光电器件领域，具体涉及一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法。

背景技术

近年来，发光二极管(LED)无疑成为最受重视的光源技术之一。一方面LED具有体积小的特性；另一方面LED具备低电流、低电压驱动的省电特性。理论上预计，半导体LED照明灯的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍、日光灯的2倍。同时它还具有结构牢固、抗冲击和抗震能力强；超长寿命，可达100000小时；无红外线和紫外线辐射；无汞，有利于环保等众多优点。其中，作为在光电子领域的主要应用之一，GaN基材料得到了越来越多人的关注，利用GaN基半导体材料可制作出超高亮度蓝、绿、白光发光二极管。由于GaN基发光二极管的亮度取得了很大的提高，使得GaN基发光二极管在很多领域都取得了应用，例如交通信号灯、移动电话背光、汽车尾灯、短距离通信、光电计算机互联等。而在不久的将来可能用作节能、环保照明器具的GaN基白光LED则更是将引起照明产业的革命，有着非常广阔的应用前景，半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。基于GaN基LED的重要作用，如何提高GaN基LED的发光效率已成为关注的焦点。研究人员急待开发出可靠的方法来提高光功率，从而大幅度提高LED产品的档次，提高经济效益。目前在20mA的标准工作电流下，典型的GaN基蓝色LED芯片的发光功率约为4mW，许多厂商从提高外量子效率入手来提高出光功率，可使发光功率在4.5mW以上。早期LED组件发展集中在提升其内部量子效率，随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率已有了非常大的改善，目前蓝光GaN基的LED内量子效率可达70％以上，紫外GaN基LED可达80％，进一步改善的空间较小。

半导体材料本身的光电转换效率已远高过其它发光光源，提高GaN基LED的外部量子效率对促进LED的发展应用具有重大意义，鉴于目前其内部量子效率的提高几乎已经接近理论的极限的状况下，提升LED组件的光取出效率将成为重要的课题。这在很大程度上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率，进而达到提升发光效率(或外量子效率)的目的，大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率，目前国内外采用的主要技术途径主要有：生长分布布喇格反射层(DBR)结构、倒装技术、表面粗化技术和光子晶体技术。其中表面粗化技术作为一种制作工艺相对简单的技术被普遍看好，它不需要制作像光子晶体的严格结构尺寸，而且制作方法也较多。通常普通的GaN基LED芯片制作工艺是在蓝宝石衬底上依次生长n-GaN层、多量子阱层及p-GaN层的层叠式结构，接着沉积ITO电流扩散层，然后制作出金属电极。由于GaN材料和ITO薄膜的折射率约为2.5和2.1，比周围空气的折射率大的多，这样在有源层产生的光子在经过p-GaN与ITO界面和ITO与空气界面时就会发生全反射现象，导致大部分光线被折回而不能透出器件表面。通过表面粗化，可以破坏光子的全反射行为，增加光子逃出器件表面的机率，从而提高发光效率。

在目前已提出的表面粗化方法中，虽然均不同程度的提高了LED亮度，然而这些方法也暴露出的技术要求高、过程不易控制、会出现正向偏压升高等缺点。因此，有必要研究出一种制作工艺相对简单、成本低、便于产业化生产的表面粗化方法。

发明内容

本发明的目的在于根据现有的表面粗化技术的不足，提供一种制作工艺相对简单，成本低，粗化效果好的表面粗化方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和蒸镀ITO电流扩展层；

(2)制备单层镍纳米粒子作为掩膜，在p-GaN层或ITO层表面制作粗化结构。

其中，所述步骤(1)中的半导体衬底的材料优选蓝宝石、硅或SiC。

步骤(2)中所述单层镍纳米粒子掩膜的制备方法如下：

①配置镍纳米粒子分散液：将1～20wt％的直径为50nm～200nm的纳米镍粉溶于无水乙醇，加入分散剂，将混合液进行超声分散处理8～30min；

②镍纳米粒子分散液的旋涂：将上述纳米镍粒子分散液旋涂在p-GaN层或ITO层表面上，形成单层镍纳米粒子薄膜；

③单层镍纳米粒子薄膜的烘干：将旋涂有单层镍纳米粒子的外延片样品进行烘干，形成ICP刻蚀所需的单层镍纳米粒子掩膜层。

其中，所述分散剂优选油酸或柠檬酸。

所述单层镍纳米粒子掩膜优选自组装单层镍纳米粒子掩膜。

为了使镍纳米粒子在分散剂中的悬浮性能更好，所述镍纳米粒子在配置分散液前优选非氧化的镍纳米粒子，所以需要进行如下处理：将稀盐酸与纳米镍粉按质量比5∶1混合后进行反应，超声振荡30min后静置20min，倒掉上层清液，并反复洗涤至pH值为6～7。

当对p-GaN表面进行粗化处理时，在ICP刻蚀过程中，优选用Cl₂/BCl₃/Ar作为刻蚀气体，刻蚀条件优选为：BCl₃的流量为2～15sccm，Ar的流量为5～30sccm，Cl₂的流量为110～35sccm，ICP功率为500～750W，RF功率为100～300W，刻蚀时间为10s～1min，刻蚀后在p-GaN层表面形成凹凸状形貌；将刻蚀后的样品放入乙醇溶液中，超声清洗将镍纳米粒子掩膜去除并冲洗干净。

当对ITO电流扩展层进行粗化处理时，在ICP刻蚀过程中，优选用Cl₂/BCl₃/Ar或Cl₂/Ar作为刻蚀气体，刻蚀条件优选为：BCl₃的流量为5～10sccm，Ar的流量为2～15sccm，Cl₂的流量为25～60sccm，ICP功率为200～500W，RF功率为100～350W，刻蚀时间为1～4min，刻蚀后在ITO电流扩展层表面形成凹凸状形貌；将刻蚀后的样品放入乙醇溶液中，超声清洗将镍纳米粒子掩膜去除并冲洗干净。

上述ICP刻蚀过程中，可以通过ICP刻蚀处理的时间来控制p-GaN层或ITO电流扩展层的粗糙程度，特别是对p-GaN层的粗化时，为了发挥器件的光电特性，刻蚀深度不超过p-GaN层厚度的1/2较佳。

GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化过程中，在半导体衬底上生长外延均为本领域中的常用技术。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法，通过将p-GaN层或ITO层的粗化，破坏了光子在经过p-GaN与ITO界面和ITO与空气界面时发生的反射现象，增加了光子逃出器件表面的机率，提高了发光效率。本发明方法过程易于控制，制作工艺相对简单，成本低，过程容易控制，便于产业化生产。

附图说明

图1是常规GaN基LED的结构示意图，其中，1为P电极，2为ITO层，3为p-GaN层，4为量子阱，5为N电极，6为n-GaN层，7为不掺杂GaN层，8为低温GaN缓冲层，9为蓝宝石衬底；

图2是通过对ITO电流扩展层表面粗化提高出光率的GaN基LED的结构示意图，其中，1为P电极，2为表面粗化ITO层，3为p-GaN层，4为量子阱，5为N电极，6为n-GaN层，7为不掺杂GaN层，8为低温GaN缓冲层，9为蓝宝石衬底；

图3是通过p-GaN层表面粗化提高出光率的GaN基LED的结构示意图，其中，1为P电极，2为ITO层，3为表面粗化p-GaN层，4为量子阱，5为N电极，6为n-GaN层，7为不掺杂GaN层，8为低温GaN缓冲层，9为蓝宝石衬底；

图4是通过对p-GaN层和ITO电流扩展层同时粗化提高出光率的GaN基LED的结构示意图，其中，1为P电极，2为表面粗化ITO层，3为表面粗化p-GaN层，4为量子阱，5为N电极，6为n-GaN层，7为不掺杂GaN层，8为低温GaN缓冲层，9为蓝宝石衬底；

图5是ITO电流扩散层表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED电流电压关系对比曲线；

图6是ITO电流扩展层表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED发光强度对比曲线。

具体实施方式

以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何限定。

实施例1

通过粗化ITO电流扩展层表面提高LED出光率的方法主要包括以下步骤：

(1)采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在半导体衬底上依次生长出低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和蒸镀ITO层的层叠式结构。其中半导体衬底的材料为蓝宝石；

(2)对生长出的外延片进行MESA光刻和ICP刻蚀，直到n型GaN暴露出来；

(3)采用电子束沉积法在在经MESA光刻后的基片上沉积一层ITO薄膜作为电流扩展层，薄膜的厚度为350nm；

(4)称取3g纳米镍粒子于30mL乙醇中，加入0.6g柠檬酸，超声分散15min。在分散液配制前如果镍纳米粒子表面氧化了，则先要将表面的氧化物除去，具体操作是将稀盐酸(1∶10)和纳米镍粉以质量比5∶1放入烧杯中进行反应，采用超声波清洗机超声振荡30min，然后停止振荡，静置20min，倒掉上层清液，并反复用去离子水洗涤至pH值为6～7，然后再进行分散实验；

(5)将配制好的纳米镍粒子分散液以3800rpm的速度旋涂在ITO表面上，旋涂时间是60s，然后将基片在氮气保护的烘箱内120℃烘烤30min形成单层镍纳米粒子；

(6)将覆有单层镍纳米粒子掩膜的ITO表面进行ICP光刻处理，选择Cl₂/Ar作为刻蚀等离子气体，刻蚀条件为：Ar的流量为5sccm，Cl₂的流量为35sccm，ICP功率为350W，RF功率为150W，刻蚀时间为180s，刻蚀后在ITO表面形成粗化结构，接着将ICP刻蚀后的基片放入乙醇溶液中超声清洗，去除镍纳米粒子；

(7)金属电极制作：在形成ITO电流扩散层表面粗化的基础上，通过常规的LED电极制备工艺形成所需的电极(图2)，其中电极材料为Cr/Ni/Au(5nm/20nm/1000nm)。

(8)图5和图6表示所制备的GaN基LED的电流-电压特性曲线和发光强度-电流的特性曲线，结果显示ITO层表面粗化的LED发光强度比ITO层表面未粗化的LED提高30％以上。

实施例2

通过粗化p-GaN层表面提高GaN基LED出光率的方法主要包括以下步骤：

(1)采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在半导体衬底上依次生长出低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层及蒸镀ITO层的层叠式结构。其中，p-GaN层由10nm厚的p-GaN层和180nm厚的掺镁p型GaN层构成，半导体衬底的材料为硅；

(2)称取3g纳米镍粒子于30mL乙醇中，加入0.6g油酸，超声分散10min。在分散液配制前对镍纳米粒子表面进行去氧化处理，即将纳米镍粉的表面氧化物除去，具体操作是将稀盐酸(1∶10)和纳米镍粉以质量比5∶1放入烧杯中进行反应，采用超声波清洗机超声振荡30min，然后停止振荡，静置20min，倒掉上层清液，并反复用去离子水洗涤至pH值为6～7，然后再进行分散液配制；

(3)将配制好的纳米镍粒子分散液以4000rpm的速度旋涂在p-GaN层表面上，旋涂时间是50s，然后将基片在氮气保护的烘箱内120℃烘烤30分钟形成单层镍纳米粒子掩膜；

(4)将覆有单层镍纳米粒子掩膜的p-GaN层表面进行ICP刻蚀处理，选择Cl2/BCl3/Ar作为刻蚀等离子气体，刻蚀条件为：Cl2的流量为15sccm，BCl3的流量为5sccm，Ar的流量为10sccm，ICP功率为550W，RF功率为150W，刻蚀时间为30s，刻蚀后在p-GaN表面形成粗化结构，接着将ICP刻蚀后的基片放入乙醇溶液中超声清洗，去除镍纳米粒子；

(2)对p-GaN层表面已粗化的基片进行MESA光刻和ICP刻蚀，直到n型GaN暴露出来；

(3)采用电子束沉积法在经MESA光刻和ICP刻蚀后的基片上沉积一层厚度为250nm的ITO薄膜作为电流扩展层；

(7)金属电极制作：在形成p-GaN层表面粗化的基础上，通过常规的LED金属电极制备工艺形成所需的电极，其中电极材料为Cr/Ni/Au(5nm/20nm/1000nm)。

(8)p-GaN层表面粗化的GaN基LED的结构示意图如图3所示。

综上所述，本发明通过对ITO电流扩散层或p-GaN层的表面粗化可以提高GaN基LED的的发光强度。粗化过程采用ICP干法刻蚀技术，并以自组装的单层镍纳米粒子作为掩膜。同时使用该方法也可以获得p-GaN层和ITO电流扩展层同时粗化的结构(图4)，结果能使更多有源层产生的光子逃出芯片表面，达到提高LED发光效率的目的。