CN101355118A - 光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，包括：依次在衬底外延生长N－GaN层、有源层、P－GaN层；在其上沉积一层掩蔽层，涂光刻胶，并刻出N－GaN电极区域；在N－GaN电极区域上刻蚀，形成N－GaN电极区；去除剩余掩蔽层，清洗；在P－GaN层和N－GaN电极区上同时制备出透明导电膜，剥离得到P－GaN和N－GaN透明导电电极；在其上光刻出P－GaN和N－GaN电极金属压焊区域，在其上同时用电子束分步蒸发，得到P－GaN和N－GaN电极金属压焊区；光刻出增透膜区域并制备增透膜；将衬底背面减薄，抛光，制作反射镜；划片，封装，测试，完成器件的制作。
Description
技术领域
本发明用于半导体光电子器件制造技术领域，具体涉及到一种一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法。
背景技术
白光LED的出现，使高亮度LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。LED作为照明光源与现有的照明光源相比具有节约能源，寿命长，体积小，发光效率高，无污染，色彩丰富等优点。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，其寿命可达十万小时；而且，LED可实现无汞化，这对于环境保护和节约能源都具有非常重要的意义。以InGaN/GaN MQW蓝光芯片激发黄光荧光粉(YAG:Ce3+)是最常用的制备白光LED的方法。随着对InGaN/GaN MQW蓝光材料的研究深入和功率型白光LED器件制备性能的稳步提高，半导体固体照明光源作为新一代照明革命的绿色固体光源显示出巨大的应用潜力。
虽然GaN基功率型LED的研究取得了很大进步，发光效率迅速提高，但与完全替代传统光源的要求还相距甚远。目前，量子效率、电流分布均匀性和器件散热能力已经成为制约LED性能提高的技术瓶颈；如何提高功率型GaN LED光的提取效率也成为人们研究的热点之一。
针对GaN基功率型LED光的提取效率问题，人们从器件结构、制作工艺等方面提出了许多解决方案，如倒装结构，谐振腔结构，金属反射镜，表面粗化，光子晶体的利用等，取得了较大的进步。特别在电极的制备上，P-GaN采用透明电极的方法已经被较多的使用，而N-GaN多采用金属欧姆接触电极，由于金属对光有较高的吸收，这无疑影响了LED的提取效率。本发明提出了一种新型的、高光效的透明光学复合膜作P，N电极的GaN基功率型LED的设计与制备方法。
发明内容
本发明的目的是在于，提供一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，该方法的N-GaN欧姆接触电极亦采用透明光学复合膜。P-GaN，N-GaN欧姆接触电极均采用透明导电膜加光学增透膜这种光学复合膜结构，其可减小GaN介质与传输介质如空气之间的光损耗，能明显提高出光效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明通过一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：依次在衬底外延生长N-GaN层、有源层、P-GaN层；
步骤2：在P-GaN层上采用PECVD的方法沉积一层掩蔽层；
步骤3：在掩蔽层上涂光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在掩蔽层上刻出N-GaN电极区域；
步骤4：去除剩余的光刻胶，采用ICP干法刻蚀的方法在N-GaN电极区域上刻蚀，形成N-GaN电极区；
步骤5：湿法去除剩余掩蔽层，清洗；
步骤6：用光刻、电子束蒸发的方法，在P-GaN层和N-GaN电极区上同时制备出透明导电膜，剥离得到P-GaN透明导电电极和N-GaN透明导电电极；
步骤7：在P-GaN透明导电电极和N-GaN透明导电电极上光刻出P-GaN电极金属压焊区域和N-GaN电极金属压焊区域，在P-GaN电极金属压焊区域和N-GaN电极金属压焊区域上同时用电子束分步蒸发，得到P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区；
步骤8：对P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区进行合金化处理；
步骤9：光刻出增透膜区域；
步骤10：在器件的增透膜区域制备增透膜；
步骤11：将衬底背面减薄，抛光，制作反射镜；
步骤12：划片，封装，测试，完成器件的制作。
其中P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区为多层金属膜结构。
其中该多层金属膜结构为Cr/Ag/Pt/Au。
其中透明导电膜采用透明导电材料为ITO或ZnO。
其中光学增透膜采用折射率介于上述透明导电膜与封装材料或空气之间的介质材料。
其中掩蔽层的材料为SiO2。
本发明的有益效果是：
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
光学复合膜作P，N电极的GaN功率型LED结构，即P，N电极同时采用透明导电膜加光学增透膜结构，减小了GaN介质与传输介质如空气等之间的光学损耗，能明显提高出光效率；P，N电极同时制作，也使得制作工艺得到简化。介质增透膜具有高的致密性和绝缘性，能够阻止有源区断面形成漏电通道，起到器件钝化膜的作用，节省了一般器件中单独制作钝化膜步骤，简化了工艺。P，N电极金属压焊区采用多层金属膜结构，减少了压焊区对光的吸收；总之，利用本发明来制备GaN功率型LED，能有效减少光吸收，提高光的提取效率，简化工艺，降低工艺成本。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是GaN功率型LED外延材料结构剖面示意图，在衬底1上采用外延的方法形成N-GaN层2、有源层3和P-GaN层4；
图2是在图1上PECVD沉积一层SiO2掩蔽层5的示意图；
图3是在图2上涂光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在SiO2掩蔽层5上刻出长条形N-GaN电极区域6的示意图；
图4是图3经过ICP干法刻蚀的后，在N-GaN电极区域6上形成N-GaN电极区7的示意图；
图5是图4湿法去除剩余SiO2掩蔽层5，清洗后的示意图；
图6是图5经过光刻、电子束蒸发的方法，在P-GaN层4和N-GaN电极区7上同时制备出透明导电膜，剥离得到P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9的示意图；
图7是在图6中的P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9上光刻出P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11的示意图；
图8是在图7中的P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11上同时用电子束分步蒸发，得到P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13的示意图；
图9是在图8上光刻出增透膜区域14的示意图；
图10是在图9上的增透膜区域14制备增透膜15的示意图；
图11是本发明的长条线阵结构P，N-GaN电极结构俯视图，图中16对应为P-GaN电极金属压焊区，17对应为N-GaN电极金属压焊区，18对应为P-GaN电极区，19对应为N-GaN电极区。
具体实施方式
请参阅图1-图10，一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：依次在衬底1外延生长N-GaN层2、有源层3、P-GaN层4(参阅图1)；
步骤2：在P-GaN层4上采用PECVD的方法沉积一层掩蔽层5；该掩蔽层5的材料为SiO2(参阅图2)；
步骤3：在掩蔽层5上涂光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在掩蔽层5上刻出N-GaN电极区域6(参阅图3)；
步骤4：去除剩余的光刻胶，采用ICP干法刻蚀的方法在N-GaN电极区域6上刻蚀，形成N-GaN电极区7(参阅图4)；
步骤5：湿法去除剩余掩蔽层5，清洗(参阅图5)；
步骤6：用光刻、电子束蒸发的方法，在P-GaN层4和N-GaN电极区7上同时制备出透明导电膜，剥离得到P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9(参阅图6)；该透明导电膜采用透明导电材料为ITO或ZnO；
步骤7：在P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9上光刻出P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11(参阅图7)，在P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11上同时用电子束分步蒸发，得到P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13(参阅图8)；该P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13为多层金属膜结构，该多层金属膜结构为Cr/Ag/Pt/Au；
步骤8：对P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13进行合金化处理；
步骤9：光刻出增透膜区域14(参阅图9)；
步骤10：在器件的增透膜区域14制备增透膜15(参阅图10)；该光学增透膜15采用折射率介于上述透明导电膜与封装材料或空气之间的介质材料；
步骤11：将衬底1背面减薄，抛光，制作反射镜；
步骤12：划片，封装，测试，完成器件的制作。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明适用于多种LED结构，如倒装结构，垂直结构等，本实施例采用优化设计的长条线阵结构，如图11所示，图中16对应为后叙的P-GaN电极金属压焊区，17对应为后叙的N-GaN电极金属压焊区，18对应为后叙的P-GaN电极区，19对应为后叙的N-GaN电极区，该结构充分考虑了器件的电、热等特性。模拟和实验结果表明，该结构具有较好的电学特性以及良好的散热性能。
本实施例的光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备过程包括如下步骤，
步骤1：依次在蓝宝石衬底1上外延生长N-GaN层2、有源层3和P-GaN层4，如图1所示；其中衬底亦可采用碳化硅(SiC)等其它材料。
步骤2：在P-GaN 4上采用PECVD方法沉积一层SiO2掩蔽层5，如图2所示；其中所述的PECVD沉积SiO2掩蔽层，生长温度为300℃，工作气体流量比约为N2∶SiH4∶N2O＝4∶1.5∶15，腔室压力小于1.5torr，射频功率小于50W，这主要考虑工艺上的要求。该方法具有对LED发光材料的射频损伤小，获得的SiO2致密性好和绝缘强度高的优点。
步骤3：按照长条线阵电极结构，在SiO2掩蔽层5上涂光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在SiO2掩蔽层5上刻出N-GaN电极区域6，如图3所示。
步骤4：去除剩余的光刻胶，采用低损伤ICP干法刻蚀的方法在N-GaN电极区域6上刻蚀，形成N-GaN电极区7，如图4所示；采用低损伤ICP干法刻蚀不仅能获得较好的台面结构，同时也将刻蚀损伤大大降低。
步骤5：采用SiO2腐蚀液湿法去除剩余SiO2掩蔽层5，清洗，得到的GaN基LED结构如图5所示。
步骤6：用光刻、电子束蒸发的方法，在P-GaN层4和N-GaN电极区7上同时制备出透明导电膜ITO，剥离得到P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9，如图6所示；该透明导电膜也可采用其他透明导电材料，如ZnO等。该步骤地特点在于，由于P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9采用了相同的材料，因此可以同时制作，在工艺上光刻和蒸发可以同时进行，大大简化了分别制作P-GaN透明导电电极和N-GaN透明导电电极的工艺。
步骤7：在P-GaN透明导电电极8和N-GaN透明导电电极9上光刻出P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11，在P-GaN电极金属压焊区域10和N-GaN电极金属压焊区域11上同时用电子束分步蒸发，得到P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13，如图8所示。其中P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13为多层金属膜结构Cr/Ag/Pt/Au，该结构降低了电极对光的吸收，可以提高功率型GaN基LED的光提取效率。多层金属膜也可以采用其他结构，如Ni/Ag/Pt/Au等。
步骤8：对P-GaN电极金属压焊区12和N-GaN电极金属压焊区13进行合金化处理，目的使得金属电极与ITO层良好的接触电阻，并提高界面处的附着力。
步骤9：光刻出增透膜区域14，如图9所示；该区域包括了除P-GaN电极金属压焊区12，N-GaN电极金属压焊区13之外的区域。
步骤10：在器件的增透膜区域14制备增透膜15，如图10所示；本实施例采用离子束溅射方法制备厚度与LED发光波长相应的Al2O3增透膜。由于Al2O3增透膜是一种介质膜，通过离子束溅射方法制备可获得较高的致密性和绝缘性，能够阻止在暴露的有源区断面形成漏电通道，起到器件钝化膜的作用，这节省了一般LED器件制备中需单独制备钝化膜的步骤，简化了工艺。光学增透膜亦可采用电子束蒸发制备，材料亦可采用折射率介于上述透明导电膜与封装材料或空气之间的其他介质材料。
步骤11：将蓝宝石衬底1背面减薄，抛光，制作反射镜；本实施例采用离子束溅射制备SiO2/Ta2O5系介质膜高反膜，反射率高达99％以上。反射镜也可以采用通常的金属反射镜，如Ag等。但采用介质膜反射镜可以获得更高的反射率，能进一步提高LED的出光效率。
步骤12：划片，封装，测试，完成器件的制作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：依次在衬底外延生长N-GaN层、有源层、P-GaN层；
步骤2：在P-GaN层上采用PECVD的方法沉积一层掩蔽层；
步骤3：在掩蔽层上涂光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在掩蔽层上刻出N-GaN电极区域；
步骤4：去除剩余的光刻胶，采用ICP干法刻蚀的方法在N-GaN电极区域上刻蚀，形成N-GaN电极区；
步骤5：湿法去除剩余掩蔽层，清洗；
步骤6：用光刻、电子束蒸发的方法，在P-GaN层和N-GaN电极区上同时制备出透明导电膜，剥离得到P-GaN透明导电电极和N-GaN透明导电电极；
步骤7：在P-GaN透明导电电极和N-GaN透明导电电极上光刻出P-GaN电极金属压焊区域和N-GaN电极金属压焊区域，在P-GaN电极金属压焊区域和N-GaN电极金属压焊区域上同时用电子束分步蒸发，得到P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区；
步骤8：对P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区进行合金化处理；
步骤9：光刻出增透膜区域；
步骤10：在器件的增透膜区域制备增透膜；
步骤11：将衬底背面减薄，抛光，制作反射镜；
步骤12：划片，封装，测试，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，其中P-GaN电极金属压焊区和N-GaN电极金属压焊区为多层金属膜结构。
3.根据权利要求2所述的一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，其中该多层金属膜结构为Cr/Ag/Pt/Au。
4.根据权利要求1所述的一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，其中透明导电膜采用透明导电材料为ITO或ZnO。
5.根据权利要求1所述的一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，其中光学增透膜采用折射率介于上述透明导电膜与封装材料或空气之间的介质材料。
6.根据权利要求1所述的一种光学复合膜作电极的GaN功率型LED的制备方法，其特征在于，其中掩蔽层的材料为SiO2。
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