CN100362673C - 一种提高半导体发光二极管光提取效率的表面钝化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光二极管表面钝化方法，适于多种波长的LED。现用在LED上的钝化层是SiO2和SiNx，不能很好改善LED光特性。本发明步骤：已经制备好N电极(5)和P电极(2)的LED样品放入到PECVD设备的腔室；N2预热：使用流量为400～1000sccm的N2预热5～20分钟；等离子体处理：等离子体的射频功率为10～30W，N2为400～1000sccm，启辉5至15分钟；在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：通入硅烷，氮气，一氧化二氮的混合气或者硅烷，氨气，一氧化二氮混合气，使用高、低频源交替的方法用PECVD生长钝化层的光学厚度为LED发射波长四分之一的奇数倍，折射率为P型半导体(3)折射率的开方；光刻腐蚀去掉出光面电极上的SiOxNy。
Description
一.技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管(LED)表面钝化方法，适合于多种波长(红光、蓝光、绿光等)的半导体LED。
二.背景技术
发光二极管由于其具有体积小、寿命长、效率高、高耐震性、同时耗电量少、发热少，广泛应用到日常生活中的各项用品，如各种家电的指示灯或光源等。近年来更由于多色彩及高亮度化的发展趋势，应用范围更向户外显示发展如照明灯、大型户外显示屏、交通信号灯等。
半导体表面是具有特殊性质的表面，对外界气氛极为敏感，严重的影响半导体器件的特性，半导体LED也不例外。为了提高器件的可靠性和稳定性，必须对表面采取有效的保护措施。由于钝化层的生长是在完成电极制备之后，因此生长温度不易过高，否则电极性能会变坏。而低温下生长的钝化层往往存在黏附性不好，易剥落，致密度差，针孔密度大等缺点。现用在LED上的钝化层是SiO2和SiNx，但是对于LED器件来说，不仅要求有好的电特性，更要求有高的光提取效率。SiO2和SiNx作为钝化层不能很好的改善LED光特性。
公知的LED的构造如图1、图2所示。其结构至少包括：P电极2，P型半导体3，多量子阱有源区4，N型电极5，N型半导体6，衬底7。器件制备过程如下：在一块生长好LED结构晶圆上，用光刻法在晶圆上用光刻胶或者二氧化硅为掩膜做出LED的台结构图型，然后用离子刻蚀系统ICP刻过多量子阱有源区4一直到N型半导体6形成LED台面；刻出LED台后剥离去掉光刻胶；样品用王水清洗后，用光刻法掩膜，用溅射或蒸发的方法在LED台顶部的P半导体3上制作P电极2；对P电极2进行合金；利用光刻法对P电极2和LED台的侧壁进行胶保护，用溅射金属或蒸发金属的方法在LED台的底部N型半导体6上沉积N电极5；N电极5不与LED台的侧壁相接触；剥离光刻胶，这样在器件上就制备好了N电极5和P电极2，钝化工艺过程就在制备好N电极5和P电极2之后进行，用来提高器件的光提取效率和可靠性。
三.发明内容
本发明的目的是提出用一种新的材料替换SiO2和SiNx作为半导体发光二极管表面和侧壁钝化层，采用新工艺方法，制备出的钝化膜具有黏附性好、致密度高、均匀性好，并且能够极大的提高LED的光提取效率等优点。
本发明提供了一种提高半导体发光二极管光提取效率的表面钝化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)已经制备好N电极5和P电极2的LED样品放入到等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备的腔室；
2)N2预热：使用流量为400～1000sccm的N2预热5～20分钟；
3)等离子体处理：等离子体的射频功率为10～30W，N2的流量为400～1000sccm，启辉5至15分钟；
4)在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：通入硅烷，氮气，一氧化二氮的混合气或者硅烷，氨气，一氧化二氮混合气，在13.56MHz的高频源和50～460kHz低频源交替变换的生长条件下用PECVD生长钝化层，该钝化层的光学厚度为LED发射波长四分之一的奇数倍，折射率为P型半导体3折射率的开方；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉出光面电极上的SiOxNy增透膜。
SiOxNy不同与SiO2和SiNx材料，一般来说SiO2的折射率为1.46左右，SiN的折射率为2.0左右，SiOxNy可以通过调节反应气体的比例值使得折射率在1.5～1.9之间变化。采用N2预热的过程，能够使得样品在腔室内受热均匀。在生长SiOxNy增透膜前对样品进行N2等离子体处理是为了增加样片的表面和侧壁的表面活性，已达到提高黏附性的目的。在生长过程中使用高频和低频交替生长，可以达到降低膜层应力和提高膜层均匀性以及提高致密度的目的。因为使用这个高频条件生长出的膜具有张应力，使用低频制备的SiOxNy具有压应力，高频和低频交替使用，就能够使得应力相互抵消，以达到降低应力的目的。而且在低频下生长的SiOxNy比高频下生长的膜要致密，采用这种方法，能够在保证高的生长速率的情况下得到性能好的钝化层。由于P型半导体3与空气的折射率差很大，导致很多从有源区发射到表面的光子又被反射到内部，使得光提取效率低。在N电极5和P电极2之外的地方生长光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，折射率为P型半导体3折射率的开方的SiOxNy，能够降低LED器件表面与空气之间的折射率差，起到增透作用，从而能够极大地提高半导体LED的光提取效率。
上述发明的工艺方法具有以下优点：
1)采用氮气预热能够提高样品受热均匀性，从而有利于提高PECVD法生长膜的均匀性；
2)采用氮气等离子体处理，增加了样品表面和侧壁的活性，有利于提高钝化膜的黏附性；
3)采用高频源和低频源交替生长，有利于降低膜的应力和提高致密性，提高芯片可靠性和成品率；
4)采用的折射率为P型半导体3折射率的开方，降低了器件表面材料和空气的折射率差，能极大地提高器件的光提取效率；
5)钝化层的光学厚度为四分之一LED发射波长的奇数倍，能够达到最佳的增透效果，提高LED的光提取效率，在器件上生长SiOxNy增透膜后，光功率能够提高20％以上。
四.附图说明
图1为带有SiOxNy增透膜的LED的剖面图
1-SiOxNy增透膜，2-P电极，3-P型半导体，4-多量子阱有源区，5-N型电极，6-N型半导体，7-衬底；
图2为带有SiOxNy增透膜的LED的俯视图
1-SiOxNy增透膜，2-P型电极，5-N型电极
五.具体实施方式
实施例1：
1)已经制备好N电极5和P电极2的GaAs基红光LED样品
放入到PECVD的腔室；
2)N2预热：N2的流量为400sccm，时间为5分钟；
3)等离子体处理：等离子体的高频功率为10W，N2的流量为400sccm，启辉时间5分钟；
4)在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：沉积温度为300℃，通入硅烷，一氧化二氮，氨气的流量分别为400sccm，30sccm，20sccm，在12秒的13.56MHz高频源和8秒的50kHz低频源交替变换的条件下进行生长，用PECVD沉积的光学厚度为四分之三的红光波长，即4650，折射率为1.84；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉出光面电极上的SiOxNy增透膜。
将样品减薄、解理后封装，并用杭州远方PMS-50(PLUS)UV光功率仪器对生长SiOxNy增透膜的LED和没有SiOxNy增透膜的LED封装后测试，有SiOxNy增透膜的LED光总辐射功率为1.73mW，光强141.2mcd；没有SiOxNy增透膜的LED光总辐射功率为1.23mW，光强为99.1mcd；本发明使得红光LED光功率提高了40.6％，光强提高了42.5％。两种LED测试条件同为20mA恒流下测得。
实施例2：
1)将已经制备好N电极5和P电极2的GaN基蓝光LED样品放入到PECVD的腔室；
2)N2预热：N2流量为600sccm，时间为10分钟；
3)等离子体处理：等离子体的高频功率为20W，N2为600sccm，启辉时间Q10分钟；
4)在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：沉积温度为200℃，通入硅烷，一氧化二氮，氮气的流量分别为250sccm，180sccm，600sccm，在12秒的13.56MHz高频源和8秒的200kHZ低频源交替变换的条件下进行生长，用PECVD沉积的光学厚度为四分之三的蓝光波长，即3450，折射率为1.56；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉出光面电极上的SiOxNy增透膜。
用台湾维明LED tester LED-628A型探针测试仪对同一样品，分别对生长SiOxNy增透膜前后的GaN基蓝光LED进行了测试，本发明使得GaN基蓝光LED的光输出提高了40％。两种LED测试条件同为20mA恒流下测得。并且在提高光特性的同时，器件的电特性没有变坏。
实施例3：
1)已经制备好N电极5和P电极2的GaN基绿光LED样品放入到PECVD的腔室；
2)N2预热：N2流量为1000sccm，时间为20分钟；
3)等离子体处理：等离子体的高频功率为30W，N2为1000sccm，启辉时间15分钟；
4)在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：沉积温度为100℃，通入硅烷，一氧化二氮，氮气的流量分别为250sccm，120sccm，400sccm，在12秒的13.56MHz高频源和8秒的460kHZ低频源交替变换的条件下进行生长，用PECVD沉积的光学厚度为四分之三的绿光波长，即3900，折射率为1.56；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉出光面电极上的SiOxNy增透膜。
Claims (1)
1.一种提高半导体发光二极管光提取效率的表面钝化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将已经制备好N电极(5)和P电极(2)的LED样品放入到PECVD设备的腔室；
2)N2预热：使用流量为400～1000sccm的N2预热5～20分钟；
3)等离子体处理：等离子体的射频功率为10～30W，N2的流量为400～1000sccm，启辉5至15分钟；
4)在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：通入硅烷，氮气，一氧化二氮的混合气或者硅烷，氨气，一氧化二氮混合气，在13.56MHz的高频源和50～460kHz低频源交替变换的生长条件下用PECVD生长钝化层，该钝化层的光学厚度为LED发射波长四分之一的奇数倍，折射率为P型半导体(3)折射率的开方；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉出光面电极上的增透膜。
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