CN101964386A - 一种粗化表面发光二极管制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗化表面发光二极管制作方法，利用电化学蚀刻粗化未掺杂氮化镓外延层，在发光二极管结构中引入须状体粗化形貌，既避免了降温外延生长带来的电性劣化，又避免了氮极性面粗化薄膜芯片的复杂工艺和低成品率，可以获得工艺简单、低成本、高取光效率的粗化表面氮化镓基发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的制作方法，更为具体的是涉及粗化表面氮化镓基发光二极管的制作方法。
背景技术
近年来，以氮化镓基宽带隙半导体材料为代表的半导体照明技术的发展引起全世界范围内的广泛关注。随着外延和芯片工艺技术的不断改进，氮化镓基发光二极管的发光效率得到不断提升。然而，要真正意义上普及半导体照明，仍然需要在现有的光效水平上继续提高。发光二极管的光效主要取决于内量子效率和取光效率，前者由发光材料本身的外延晶体质量决定，而后者则由芯片结构、出光界面形貌、封装材料的折射率等因素决定。由于氮化镓基半导体材料的折射率与空气或者封装材料（如环氧树脂）的差异较大，因此在芯片内部存在严重的全反射，大部分的光被限制在芯片内部并最终被吸收，这极大限制了芯片的取光效率。为了抑制全反射从而提高芯片取光效率，各种针对出光表面的粗化方法被运用到芯片结构当中并得到较好的效果，这其中针对外延表面粗化由于粗化效果较好而得到广泛应用，例如通过在生长过程中降温而得到“V”形坑状表面粗化的p型氮化镓外延层，或者是通过湿法粗化氮极性面获得金字塔形貌的薄膜氮化镓发光二极管芯片。然而，降温生长粗化p型氮化镓外延层会降低表面载流子浓度导致工作电压升高和光效降低，氮极性面的粗化虽然可以得到极高的取光效率但其制作工艺复杂且成品率较低。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术制作表面粗化发光二极管的技术缺陷，以提高氮化镓基发光二极管的取光效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种粗化表面发光二极管制作方法，制作步骤如下：
1） 在蓝宝石衬底上形成氮化镓基发光外延层，自下而上依次由n型氮化镓基外延层、有源层、p型氮化镓基外延层和非掺杂氮化镓基外延层组成；
2）在非掺杂氮化镓基外延层之上定义掩膜区和粗化区，并在掩膜区的非掺杂氮化镓基外延层上镀一金属层作为掩膜以覆盖整个掩膜区；
3）采用电化学湿法蚀刻粗化区的未掺杂氮化镓基外延层，蚀刻停止在p型氮化镓基外延层表面，形成粗化的须状体表面形貌，暴露出部分区域的p型氮化镓基外延层，粗化后去除掩膜金属层；
4）在粗化区的p型氮化镓基外延层和非掺杂氮化镓基外延层上制作透明导电层；
5）蚀刻去除掩膜区的未掺杂氮化镓基外延层、p型氮化镓基外延层和有源层，暴露出n型氮化镓基外延层；
6）分别在透明导电层和n型氮化镓基外延层上制作p电极和n电极。
步骤3是本发明的创新点，通过采用电化学湿法蚀刻处理未掺杂氮化镓基外延层，一方面可以将非掺杂氮化镓基外延层粗化成须状体形貌的表面以利于提升取光效率，另一方面，由于未加偏压的情况下，电化学蚀刻无法蚀刻p型氮化镓基外延层，所以蚀刻会停止其上并且将其暴露，以利于后续与透明导电层形成欧姆接触。须状体粗化形貌获得的机理是：湿法蚀刻先从晶体质量较好、无缺陷的外延层区域开始的；而缺陷会导致自由空穴消失，所以在其附近，蚀刻被抑制住。因此，蚀刻并不是均匀地发生在所有区域内，局部晶体质量好的区域开始形成蚀刻凹陷直至被完全蚀刻。氮化镓外延层中存在一定密度的线位错缺陷，线位错是有效的非辐射复合中心，起到空穴吸收器的作用，因而，缺陷周围的外延层的蚀刻速率不像无缺陷区域那样快。这就使得须状物在长时间蚀刻后得以存留，而须状物的密度与位错密度直接相关。
在本发明中，作为掩膜的金属层材料选自Ti、Ni、Pt、Au或Cr，金属层在电化学蚀刻中又可以作为阴极，从而实现无电极电化学蚀刻。电化学蚀刻采用碱性溶液，并且可以通过外加紫外光照射或者加温到80℃以上加快蚀刻速率。
本发明的有益效果是：利用电化学蚀刻粗化未掺杂氮化镓外延层，在发光二极管结构中引入须状体粗化形貌，既避免了降温外延生长带来的电性劣化，又避免了氮极性面粗化薄膜芯片的复杂工艺和低成品率，可以获得工艺简单、低成本、高取光效率的粗化表面氮化镓基发光二极管。
附图说明
图1~5是本发明优选实施例的粗化表面发光二极管制作过程的示意图。
图中各部件符号标注如下：
10：蓝宝石衬底
11：缓冲层
12：n-GaN层
13：多量子阱（MQW）
14：p-GaN层
15：u-GaN层
15R：须状体u-GaN
16：ITO层
17：p电极
18：n电极
20：Ti/Au掩膜层
100：粗化区
200：掩膜区。
具体实施方式：
下面结合图1~5和优选实施例对本发明做进一步说明。
一种粗化表面发光二极管制作方法，其制作步骤包括：
如图1所示，在蓝宝石衬底10上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次外延生长：缓冲层11、n-GaN层12、多量子阱（MQW）13、p-GaN层14和u-GaN层15。
如图2所示，采用光刻在u-GaN层15上分别定义出粗化区100和掩膜区200，粗化区即为后续的发光台面，采用电子束蒸发在掩膜区200的u-GaN层15上蒸镀一Ti/Au掩膜层20，厚度为50~100nm。
如图3所示，采用电化学蚀刻处理粗化区100区域内的u-GaN层15，具体工艺条件包括：“采用辐射范围在280～350nm的汞灯照射发光外延层表面，功率密度为50mW/cm2，蚀刻液采用0.05摩尔/升的KOH溶液，温度为室温”，蚀刻持续时间120分钟，最终蚀刻形成一定密度的须状体15R，其余区域的u-GaN层15被完全蚀刻且停止在p-GaN层14，从而将这些区域的p-GaN层14暴露出；电化学蚀刻结束后将Ti/Au掩膜层20用王水蚀刻去除。
如图4所示，在粗化区（发光台面）上制作光刻胶掩膜，采用干法ICP蚀刻，将无掩膜保护区域的u-GaN层15、p-GaN层14和MQW13蚀刻去除，暴露出n-GaN层12。
如图5所示，采用电子束蒸发方法在粗化区（发光台面）上制作ITO透明导电层16，厚度为250nm，ITO层16均匀地覆盖在粗化区的须状体u-GaN 15R和暴露出的p-GaN层14上，整个出光界面呈须状形貌，ITO层16与p-GaN层14形成欧姆接触。在ITO层16之上制作p电极17；在n-GaN层12上制作n电极18。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
Claims (4)
1.一种粗化表面发光二极管制作方法，其步骤包括：
1）在蓝宝石衬底上依次生长n型氮化镓基外延层、有源层、p型氮化镓基外延层和非掺杂氮化镓基外延层；
2）在非掺杂氮化镓基外延层上定义掩膜区和粗化区，并在掩膜区的非掺杂氮化镓基外延层上镀一金属层，以覆盖整个掩膜区；
3）采用电化学湿法蚀刻粗化区的未掺杂氮化镓基外延层，蚀刻停止在p型氮化镓基外延层表面，形成粗化的须状体表面形貌，暴露出部分区域的p型氮化镓基外延层，粗化后去除掩膜金属层；
4）在粗化区的p型氮化镓基外延层和非掺杂氮化镓基外延层上制作透明导电层；
5）蚀刻去除掩膜区的未掺杂氮化镓基外延层、p型氮化镓基外延层和有源层，暴露出n型氮化镓基外延层；
6）分别在透明导电层和n型氮化镓基外延层上制作p电极和n电极。
2.根据权利要求1所述的粗化表面发光二极管制作方法，其特征在于：所述金属层材料选自Ti、Ni、Pt、Au或Cr。
3.根据权利要求1所述的粗化表面发光二极管制作方法，其特征在于：所述电化学蚀刻是在紫外光照射条件下或者加温的条件下进行。
4.根据权利要求1所述的粗化表面发光二极管制作方法，其中的电化学蚀刻溶液呈碱性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110202 |