CN101807644A - 一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法 - Google Patents
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一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法，涉及一种发光二极管。制备LED的掩膜版，形成粗化的侧面；将光刻后的外延片从P型表面到N型GaN面刻蚀，刻蚀出台面结构，形成与台面高度相同的粗化结构，形成粗化的侧面；在具有台面结构的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，在样品表面沉积Ti/Al/Ti/Au金属层得N电极；在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，在样品表面沉积Ni/Au金属层得P型电流扩展层；在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，在样品表面沉积一层Au得P电极；在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层SiO2。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管(LED)具有低压、省电、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆和节能可靠等优点，除了广泛用于装饰、大屏全彩显示和交通信号灯等领域，也被视为新一代的固态照明光源。但是要实现LED固态照明的目标，还存在着很大问题，就是发光效率依然不够高。衡量LED的发光效率主要由内量子效率和外量子效率两部分决定。近年来，由于材料生长技术的不断改进，GaN基半导体材料的晶体质量得到很大的提高，因此一般来说，高性能的LED的内量子效率都很高([1]Toshio Nishida，Hisao Saito，and Naoki Kobayashi.Efficient and high-power AlGaN-based ultraviolet light-emitting diode grown on bulk GaN[J].ApplPhys Lett，2001，79：711-712.)，提高的空间有限。外量子效率是衡量LED电能转换为光能的效率，其大小等于内量子效率与光子的逃逸率之积。但是由于传统LED矩形腔结构的全内反射问题以及材料本身存在晶格缺陷对光的吸收，衬底对光的吸收导致光子逃逸率很低，导致LED的光提取效率非常低，实际的外量子效率不高。目前，对于提高外量子效率的方法，国内外研究者做了很多工作，生长分布布喇格反射层(DBR)结构、透明衬底技术、衬底剥离技术、倒装芯片技术、异形芯片技术以及表面粗化技术([2]Qi Yun，Dai Ying，Li Anyi.Enhancement ofthe external quantum efficiency of light-emitting-diodes[J].Electronic Components and Materials，2003，22(4)：43-45(in Chinese).)等，其中表面粗化是简单易行且效果明显的方法之一。
对于传统矩形腔结构的LED，氮化镓的折射率为2.5，空气的折射率为1.0，其全内反射临界角(从法线方向到界面方向)为23°，大约只有4％的光可以从芯片正面射出，再加上一部分光从侧面射出，但总的出光效率仍非常低(参见图1：传统结构的出光效率图，在图1中，各标记为1衬底，2N型GaN，3有源层，4P型GaN，5空气)。表面粗化是一种十分有效的处理方法，该技术的基本要点是在芯片表面随机刻蚀产生大量小尺寸结构，改变了光在芯片表面处的出射方向，从而使透光效率明显提高。一般表面粗化的技术是采用激光辐照的方法在传统的InGaN/GaN发光二极管上表面形成纳米级粗糙层，或者应用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术和自然光刻技术在器件表面达到粗化的效果([3]I.Schnitzer，E.Yablonovitch，C.Caneau，T.J.Gmitter and A.Scherer.30％ external quantum efficiency from surface textured，thin-film light-emitting diodes[J].Appl Phys Lett，1993，63：2174-2176.)。经过表面粗化后，传统的矩形腔结构被破坏，光线的出射方向被改变，使得原本无法透射的光线以一定的几率透过器件表面，很大程度增加了光的提取效率。目前对于LED的表面粗化的工作已经做得很多([4]Eun-Hyun Parka and lan T.Ferguson.InGaN-Light Emitting Diode with High Density TruncatedHexagonal Pyramid Shaped p-GaN Hillocks on the Emission Surface[J].Appl Phys Lett，2006，89：251106；[5]M.Hao，T.Egawa and H.Ishikawa.Highly Efficient GaN-Based Light EmittingDiodes with Micropits[J].Appl Phys Lett，2006，89：241907；[6]T.Fujii，Y.Gao，R.Sharma，E.L.Hu，S.P.DenBaars，and S.Nakamura.Increase in the extraction effeciency of GaN-based light-emittingdiodes via surface roughening[J].Appl Phys Lett，2004，84：855-857.)，在不考虑光被吸收的情况下，有源区产生的光子射向器件表面时，当入射角大于全反射角时，光子由于全反射将会在器件内部来回反射，始终不能透过器件表面，因此光子在器件表面及内部经多次反射最终将会到达器件的侧面。对于这些到达器件侧面的光子来说，此时的侧面等效于器件的表面，同样存在全反射问题，所以，我们对侧面进行粗化可以达到与表面粗化相同的效果，从而提高LED的出光效率。
发明内容
本发明的目的在于为了克服采用常规LED器件结构存在的出光效率低等不足，提供一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)制备LED的掩膜版，掩膜版的图形边缘具有粗化结构，将所述粗化结构转移到外延片上，形成粗化的侧面；
2)在外延片P型表面涂上光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干，然后进行腐蚀，将光刻后的外延片，通过ICP刻蚀方法，从P型表面到N型GaN面刻蚀，刻蚀出台面结构，形成与台面高度相同的粗化结构，形成粗化的侧面；
3)在具有台面结构的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用磁控溅射技术在样品表面沉积Ti/Al/Ti/Au金属层，然后剥离，得到N电极；
4)在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积Ni/Au金属层，然后剥离，得到P型电流扩展层；
5)在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积一层Au，形成P电极；
6)最后用低压化学气相沉积系统在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层薄的SiO2，再经过光刻和腐蚀工艺，在器件表面形成一层保护膜，只露出电极部分，得高出光效率GaN基发光二极管。
在步骤1)中，所述将所述粗化结构转移到外延片上，可以采用光刻技术将所述粗化结构转移到外延片上。
本发明所用的GaN基LED外延片可利用金属有机化学气相沉积系统进行外延生长得到。
与现有的GaN基发光二极管的制备方法相比，本发明的突出优点是：在传统GaN基LED制备工艺的基础之上，通过对掩膜版边缘进行一定形状的粗化处理，在进行刻蚀台面结构工艺过程的同时刻蚀出粗化的侧面，粗化的侧面能够提高发光二极管的光提取率，实现GaN基LED的高出光效率。
附图说明
图1为传统LED结构的出光效率图；
图2为GaN基LED外延片剖面图；
图3为刻出台面结构后外延片剖面图；
图4为刻出台面结构和三角状粗化侧面后外延片示意图；
图5为得到N电极后外延片示意图；
图6为得到P电极后外延片示意图；
图7为梯形形状粗化LED侧面局部图；
图8为圆弧形状粗化LED侧面局部图；
图9为不规则形状粗化LED侧面局部图。
附图中的标号说明如下：
1：衬底 2：N型GaN
3：有源层 4：P型GaN
5：空气 6：衬底
7：缓冲层 8：N型GaN
9：多量子阱有源层 10：P型AlGaN
11：P型GaN 12：台面结构
13：N电极 14：P电极
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
1、设计边缘为多边形形状(包括三角形0～90°、正方形、长方形、梯形以及其它多边形形状)的掩膜版，通过金属有机化学气相沉积系统在衬底6上依次生长缓冲层7、N型GaN 8、多量子阱有源层9、P型AlGaN 10以及P型GaN 11，获取GaN基LED外延片，GaN基LED外延片剖面图参见图2。
2、在外延片P型GaN 11表面涂上光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干(掩膜版为上面所设计的掩膜版)，接着在H3PO4溶液中进行腐蚀。在ICP功率＝500W，DC bias＝250V，Cl2＝30sccm条件下，通过ICP刻蚀方法从P型GaN 11表面通过P型AlGaN 10和有源层9一直到N型GaN 8面刻蚀。由于掩膜版边缘为多边形形状突起，因此刻蚀之后会在外延片的侧面形成多边形形状(如图4、7)的粗化侧面，同时刻出台面结构12(如图3)。
3、在具有台面结构的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用磁控溅射技术在样品表面沉积溅射Ti/Al/Ti/Au金属层，然后剥离，得到N电极13(如图5)。
4、在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积Ni/Au金属层，然后剥离，得到P型电流扩展层。
5、在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积一层Au，此时，P电极14形成(如图6)。
6、最后用低压化学气相沉积系统在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层薄的SiO2，再经过光刻和腐蚀工艺，在器件表面形成电流一层保护膜，只露出电极部分。
实施例二
1、设计边缘为圆弧(包括各种椭圆弧)状的掩膜版，通过金属有机化学气相沉积系统在衬底6上依次生长缓冲层7，N型GaN 8，多量子阱有源层9，P型AlGaN 10以及P型GaN 11获取GaN基LED外延片(图2)。
2、在外延片P型GaN 11表面涂上光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干(掩膜版为上面所设计的掩膜版)，接着在H3PO4溶液中进行腐蚀。在ICP功率＝500W，DC bias＝250V，Cl2＝30sccm条件下，通过ICP刻蚀方法从P型GaN 11表面通过P型AlGaN 10和有源层9一直到N型GaN 8面刻蚀。由于掩膜版边缘为圆弧状突起，因此刻蚀之后会在外延片的侧面形成拱状(如图8)的粗化侧面，同时刻出台面结构12(如图3)。
3、在具有台面结构的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用磁控溅射技术在样品表面沉积溅射Ti/Al/Ti/Au金属层，然后剥离，得到N电极13(如图5)。
4、在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积Ni/Au金属层，然后剥离，得到P型电流扩展层。
5、在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积一层Au，此时，P电极14形成(如图6)。
6、最后用低压化学气相沉积系统在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层薄的SiO2，再经过光刻和腐蚀工艺，在器件表面形成电流一层保护膜，只露出电极部分。
实施例三
1、设计边缘为不规则形状(包括实施例一和实施例二中形状的组合)的掩膜版，通过金属有机化学气相沉积系统在衬底6上依次生长缓冲层7，N型GaN 8，多量子阱有源层9，P型AlGaN 10以及P型GaN 11获取GaN基LED外延片(图2)。
2、在外延片P型GaN 11表面涂上光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干(掩膜版为上面所设计的掩膜版)，接着在H3PO4溶液中进行腐蚀。在ICP功率＝500W，DC bias＝250V，Cl2＝30sccm条件下，通过ICP刻蚀方法从P型GaN 11表面通过P型AlGaN 10和有源层9一直到N型GaN8面刻蚀。由于掩膜版边缘为不规则形状突起，因此刻蚀之后会在外延片的侧面形成不规则形状(如图9)的粗化侧面，同时刻出台面结构12(如图3)。
3、在具有台面结构的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用磁控溅射技术在样品表面沉积溅射Ti/Al/Ti/Au金属层，然后剥离，得到N电极13(如图5)。
4、在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积Ni/Au金属层，然后剥离，得到P型电流扩展层。
5、在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积一层Au，此时，P电极14形成(如图6)。
6、最后用低压化学气相沉积系统在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层薄的SiO2，再经过光刻和腐蚀工艺，在器件表面形成电流一层保护膜，只露出电极部分。
Claims (2)
1.一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备LED的掩膜版，掩膜版的图形边缘具有粗化结构，将所述粗化结构转移到外延片上，形成粗化的侧面；
2)在外延片P型表面涂上光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干，然后进行腐蚀，将光刻后的外延片，通过ICP刻蚀方法，从P型表面到N型GaN面刻蚀，刻蚀出台面结构，形成与台面高度相同的粗化结构，形成粗化的侧面；
3)在具有台面结构的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用磁控溅射技术在样品表面沉积Ti/Al/Ti/Au金属层，然后剥离，得到N电极；
4)在具有台面结构和N电极的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积Ni/Au金属层，然后剥离，得到P型电流扩展层；
5)在具有电流扩展层的GaN基LED外延片表面涂上正性胶，进行对准、曝光、显影、烘干之后，利用电子束蒸发方法在样品表面沉积一层Au，形成P电极；
6)最后用低压化学气相沉积系统在具有电极结构的GaN基LED外延片表面沉积一层薄的SiO2，再经过光刻和腐蚀工艺，在器件表面形成一层保护膜，只露出电极部分，得高出光效率GaN基发光二极管。
2.如权利要求1所述的一种高出光效率GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述将所述粗化结构转移到外延片上，是采用光刻技术将所述粗化结构转移到外延片上。
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