CN101740702A - 基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法 - Google Patents

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张建宝
刘榕
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Abstract

本发明涉及一种可增加光抽取效率的基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法，该方法包括：在衬底上生长N型GaN材料、量子阱、P型GaN材料；在P型材料上沉积一层用来欧姆接触的P型透明电极；用熔胶凝胶法在透明电极上制备一层ZnO纳米球；腐蚀ZnO和P型透明电极，露出刻蚀区，然后刻蚀到N型GaN材料；制备P，N压焊点。该发明可以有效提高二极管的光抽取效率，并且制备方法简单，工艺过程易控制，适合量产，对生长设备和工艺条件无特殊要求。

Description

基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管表面粗化方法，特别是涉及一种可增加光抽取效率的基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法。
技术背景
GaN基发光二极管LED以其寿命长、可靠性高、高效节能等优异特性在显示技术和固态照明领域具有广泛的应用。
尽管半导体发光二极管在技术上有了很大的进展并且已经实现商业化，由于在发光效率还不够高，距离取代荧光灯，应用到普通照明还是有一段路要走。因此，如何提高发光效率成为GaN基LED面临的一个主要技术瓶颈。提高LED发光效率的方法有二：一是提高器件的内量子效率，目前，典型的GaN蓝光LED的内量子效率可达70％以上，GaN紫外LED的内量子效率可达80％，因此进一步大幅度提高内量子效率的可能性不大。二是提高器件的光抽取效率，普通GaN基LED的表面是平面状，而且GaN与空气的折射系数相差很大，GaN与空气界面的全反射临界角为25度，在量子阱产生的光只有很小一部分可以出射到空气中，导致外量子效率仅为百分之几。因此，粗化的GaN基LED表面可以减小内部的光反射，增加光抽取率，从而显著的提高器件的发光效率。
目前用于GaN基LED表面粗化的处理方法归纳起来有三种类型。
一、直接在低温下生长粗糙的P型GaN帽层。然而，伴随着表面质量的劣化，样品的结晶质量显著降低，会影响器件材料的光电特性并降低LED的可靠性。另外，通过调整生长参数来控制样品表面的粗糙程度，在工艺上也很不稳定。
二、在晶体表面通过蚀刻的方法来实现，但对于氮化镓系列材料并不适用，这是因为氮化镓系列材料具有很强的耐酸碱特性，在湿式蚀刻时并不容易控制。而采用干法刻蚀虽然可以克服前述的湿式蚀刻问题，但却容易造成晶体的损伤。而且P型氮化镓嫁层通常沉积的厚度很薄(0.1-0.3um)，若直接粗化P型氮化镓层则可能破坏发光层，造成使发光面积减少的缺点。
三、如申请号200680030998.3的专利，使用光辅助电化学腐蚀(PEC)对在氮化镓上的透明电极进行粗化，这种方法比较复杂。而且为了得到比较粗的表面，透明电极要比较厚，透光性会变差，降低发光效率。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有技术存在的问题，提供一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，以提高器件的光取出率，同时不影响器件的其它光电特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下：
(1)在衬底上生长N型GaN材料、量子阱、P型GaN材料；
(2)在P型材料上沉积一层用来欧姆接触的P型透明电极；
(3)用熔胶凝胶法在透明电极上制备一层ZnO纳米球；
(4)腐蚀ZnO和P型透明电极，露出刻蚀区，然后刻蚀到N型GaN材料；
(5)制备P，N压焊点。
如上所述的方法，其特征在于：衬底可以是蓝宝石，碳化硅，或硅。
如上所述的方法，其特征在于：P型透明电极是金属材料或氧化物材料，金属材料为：Pd、Au或NiAu，厚度通常是在10至1000A的范围内，比较好的厚度大约为100A；氧化物材料为ZnO、NiO、MgO、In2O3、TiO2或氧化铟锡(ITO)，厚度在1000A至15000A之间，比较好的厚度大约为2500A。
如上所述的方法，其特征在于：ZnO纳米球是通过溶胶凝胶法制备的。
如上所述的方法，其特征在于：ZnO纳米球直径在20A至5000A之间，整个纳米层的厚度在50A至5000A之间，比较好的厚度约为500A。
如上所述的方法，其特征在于：通过湿法腐蚀P型透明电极和ZnO纳米层(由数个ZnO纳米球组成)，然后通过干法刻蚀到N型GaN材料。
如上所述的方法，其特征在于：P，N压焊点是TiAL，CrNiAL，CrAu，CrPtAu其中任何一种，总厚度10000A至50000A，其中Cr，Ti，Ni，Pt厚度为20A至2000A，Al和Au的厚度为2000A至50000A。
本发明提供的基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法优益之处在于：
1、ZnO的折射率2.0，与透明电极的折射率(如ITO折射率2.0)及GaN的折射率2.3相近。这样从GaN量子阱发出的光进入到ZnO时，全反射造成的损失比较小。
2、使用溶胶凝胶法，不需要太厚的ZnO纳米层就可以得到比较粗的表面，所以ZnO纳米层本身对光的吸收非常少；ZnO纳米球尺寸大小容易调节，粗化程度比较高，表面为标准的半球形。所以这种表面粗化的方法可以显著提高光的抽取效率。
3、由于粗化层是在透明电极上面，所以不会损伤GaN材料，对器件性能也没有任何不良影响。
4、用溶胶凝胶法制备ZnO纳米球，工艺简单，易重复，成本低，适合大批量生产。
附图说明：
图1为本发明放大倍数为30000倍的ZnO纳米球体的照片。
图2为表面粗化的GaN基发光二极管结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
图2中的标记说明：1-P压焊点，2-透明P型电极，3-P型GaN材料，4-量子阱，5-N型GaN材料，6-衬底，7-纳米ZnO粗化层，8-N压焊点。
表面用ZnO纳米球粗化的GaN基发光二极管依次包括：衬底，GaN基外延层，P型材料上用来欧姆接触的透明电极，ZnO纳米球，P、N压焊点。
其中，所述的衬底可以是蓝宝石，碳化硅，或硅。
其中，所述的GaN基外延层包括N型材料，量子阱，P型材料。
其中，所述P型透明电极可以是金属材料或氧化物材料，金属材料为：Pd、Au或NiAu；氧化物材料为ZnO、NiO mgO、In2O3、TiO2或氧化锢锡(ITO)。
其中，所述的ZnO纳米球是通过溶胶凝胶法制备的，直径在20A至5000A之间。整个纳米层的厚度在50A至5000A之间，比较好的厚度约为500A。
通过湿法腐蚀P型透明电极和ZnO纳米层，然后通过干法刻蚀到N型GaN材料。
其中，所述的P，N压焊点是TiAL，CrNiAL，CrAu，CrPtAu其中任何一种，总厚度10000A至50000A，其中Cr，Ti，Ni，Pt厚度为20A至2000A，Al和Au的厚度为2000A至50000A。
下面参照附图，以蓝宝石衬底为例说明表面粗化的GaN基发光二极管的制备方法，步骤为：
(1)在蓝宝石衬底6上利用化学气相沉积的方法依次生长N型GaN材料5，量子阱4，P型GaN材料3；
(2)通过电子束蒸发在P型GaN材料上沉积一层ITO透明P型电极2，膜厚2500A，方块电阻8-10欧姆；
(3)用溶胶凝胶法在ITO上制备一层厚度为500A的ZnO纳米ZnO粗化层7，如图1所示，薄膜表面呈半球状；
(4)通过光刻，湿发腐蚀，去除刻蚀区上的ITO和ZnO；
(5)通过干法刻蚀去除刻蚀区的GaN材料，直到N型GaN；
(6)用电子束蒸发沉积CrNiAl，厚度依次为200A，450A，2000A。
应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.基于ZnO纳米球的GaN基发光二极管表面粗化方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下：
(1)在衬底上生长N型GaN材料、量子阱、P型GaN材料；
(2)在P型材料上沉积一层用来欧姆接触的P型透明电极；
(3)用熔胶凝胶法在透明电极上制备一层ZnO纳米球；
(4)腐蚀ZnO和P型透明电极，露出刻蚀区，然后刻蚀到N型GaN材料；
(5)制备P，N压焊点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：衬底是蓝宝石，碳化硅，或硅。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：P型透明电极是金属材料或氧化物材料，金属材料为：Pd、Au或NiAu，厚度在10至1000A的范围内；氧化物材料为ZnO、NiO、MgO、In2O3、TiO2或ITO，厚度在1000A至15000A之间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：金属材料厚度为100A，氧化物材料厚度为2500A。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：ZnO纳米球是通过溶胶凝胶法制备的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：ZnO纳米球直径在20A至5000A之间，整个纳米层的厚度在50A至5000A之间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：纳米层的厚度为500A。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过湿法腐蚀P型透明电极和ZnO纳米层，然后通过干法刻蚀到N型GaN材料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：P，N压焊点是TiAL，CrNiAL，CrAu，CrPtAu其中任何一种，总厚度10000A至50000A，其中Cr，Ti，Ni，Pt厚度为20A至2000A，Al和Au的厚度为2000A至50000A。
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