CN102064258A - GaN基光电子器件表面粗化的制作方法 - Google Patents

GaN基光电子器件表面粗化的制作方法 Download PDF

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朱建军
张书明
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Abstract

本发明一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，包括：步骤1：取一衬底；步骤2：在该衬底上依次外延生长n型层、i型层及p型层；步骤3：利用纳米加工技术，在p型层上加工形成纳米柱阵列；步骤4：在该纳米柱阵列上外延生长p型表面粗化层。

Description

GaN基光电子器件表面粗化的制作方法
技术领域
本发明涉及一种光电子器件表面粗化工艺，特别一种能使GaN基LED等电-光转化器件及太阳能电池等光-电转化器件表面p型层粗化的方法。
背景技术
以GaN为代表的III族氮化物半导体材料在光电子和微电子领域具有广阔的应用前景。直接带隙GaN、InN、AlN及其合金材料(例如InGaN、AlGaN)的禁带宽度覆盖从红外到紫外的波段，可用于制作发光二极管(LED)、高性能紫外探测器、紫光和蓝绿光激光器(LD)、高效太阳能电池等，广泛应用于全色显示、白光照明、高密度信息存储、激光打印以及水下通信及节能等领域。对于多数光电器件，提高表面的粗糙度可以降低器件表面对光的反射，这不仅可以增加如LED等电-光转化器件的表面出光效率，而且可以降低如太阳能电池、探测器等光-电转化器件表面对入射光的反射，从而提高器件性能。
如图1所示，根据现有工艺制作出的GaN基光电子器件芯片通常是基于一种p-i-n结构，器件芯片的外延生长工艺是在衬底11上形成n型层12，光-电(电-光)转化区(i型层13)及p型层14的叠层结构，这种通过外延方法生长出的外延片表面比较平整，因此制备出器件表面会对光有很强的反射。例如，LED所产生的光达到与空气的界面时，由于GaN基半导体材料与空气的折射率相差较大，因此全反射角小，大于临界角的光将产生全反射回到LED芯片内部，并在芯片内部不断被各个界面反射直到被吸收而导致能量在芯片内部消耗，最终无法出光。对于太阳能电池、探测器等光-电转化器件，平整的芯片表面会反射掉部分入射光，从而降低器件的光-电转化效率。
为降低芯片表面对光的反射，通常会对芯片表面的p型层14表面进行粗化处理。目前，对于GaN基光电子器件表面粗化的方法主要有两种，并主要产生于GaN基LED器件工艺中：一是在外延生长结束后，对GaN基LED表面进行粗化处理，现有方法包括采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法对p-GaN层进行表面粗化，但这种方法会对p-GaN表面造成刻蚀损伤，从而增加电极与p-GaN之间的接触电阻。另一种方法是直接生长粗糙的p-GaN层，通常采用低的生长温度或者重掺Mg的方法使p-GaN层表面粗化，然而这种方法会在p-GaN层中引入很多缺陷，降低p-GaN层的导电型，粗化效果也不理想。
因此，需要提供一种芯片表面更有效的粗化制作方法，以进一步提高GaN基光电子器件的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，最大程度降低芯片表面对光的反射，同时不影响p型层的电学性质，从而提高器件的工作效率。
为达到上述目的，本发明提供一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，包括：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在该衬底上依次外延生长n型层、i型层及p型层；
步骤3：利用纳米加工技术，在p型层上加工形成纳米柱阵列；
步骤4：在该纳米柱阵列上外延生长p型表面粗化层。
所述衬底是蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
所述n型层为n型InxGa1-xN材料，厚度为0-3000nm，0≤x＜1。
所述i型层为本征InyGa1-yN材料或采用InmGa1-mN/InnGa1-nN多量子阱结构或超晶格结构，其中0≤y≤1，0＜m≤1，0≤n≤1，m＞n，该层的厚度为0-500nm。
所述p型层为p型InzGa1-zN材料，厚度为20-300nm，0≤z≤1。
所述纳米加工技术是指：首先制备纳米尺度的掩膜，然后采用干法或湿法刻蚀在外延片表面制备纳米柱阵列。
所述纳米柱阵列的顶面和底面的形状是圆形、规则多边形或者不规则的多边形，纳米柱阵列的顶面和底面的形状为相同，或为不同；纳米柱阵列中纳米柱截面的平均尺寸为0.001-100微米。
所述p型粗化层的材料为p型InXGa1-XN，0≤X≤1。
所述p型粗化层的表面呈尖锥状。
本发明的有益效果是：
1、利用本发明，结合刻蚀进行表面粗化与外延生长进行表面粗化的优势，一方面通过调整纳米柱的密度和尺寸可以有效地控制通过二次外延获得的InXGa1-XN尖锥的尺寸和分布，因此，针对不同器件工作的波长可以更加灵活地控制p型粗化层的粗糙程度；
2、利用本发明，粗糙化后的芯片表面呈尖锥状，这种表面通过对入射光的散射和绕射效果，可以减少表面对入射光反射的几率，提高LED等发光器件的光提取效率或增加入射光在太阳能电池表面的透入效率；
3、利用本发明，通过外延方法获得的这种尖锥状表面由InXGal-XN材料的特定晶体学平面构成的，表面缺陷少，有利于电极的制作；
4、利用本发明，可同时应用于LED等电-光转化器件及太阳能电池等光-电转化器件；
附图说明
为了更加明确地说明本发明的原理，下面以一种具体的实施例及附图来加以描述，其中：
图1是根据现有工艺制作出的GaN基p-i-n结构的光电子器件外延片示意图；
图2是在器件表面加工的InzGa1-zN纳米柱阵列示意图；
图3是纳米柱上生长的生长p型InXGa1-XN粗化层后形成尖锥状表面的示意图。
具体实施方式
本发明提供的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，最大程度降低芯片表面对光的反射，同时不影响p型层的电学性质，从而提高器件的工作效率。
请参阅图1至图3所示，本发明提供了一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，包括：
步骤1：取一衬底11；所述衬底是蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底；
步骤2：在该衬底上外延生长依次生长n型层12，i型层13及p型层14；所述n型层12可为n型InxGa1-xN材料，厚度为0-3000nm，0≤x＜1；所述i型层13可为本征InyGa1-yN或采用InmGa1-mN/InnGa1-nN多量子阱结构或超晶格结构，其中0≤y≤1，0＜m≤1，0≤n≤1，m＞n，该层的厚度为0-500nm；所述p型层14可为p型InzGa1-zN材料，厚度为20-300nm，0≤z≤1；
步骤3：利用纳米加工技术，在p型层14上加工形成纳米柱阵列21，该纳米柱阵列21包括多个纳米柱；所述纳米加工技术是指：首先制备纳米尺度的掩膜，然后采用干法或湿法刻蚀在外延片表面制备纳米柱阵列21；所述纳米柱阵列21中纳米柱的顶面和底面的形状是圆形、规则多边形或者不规则的多边形，纳米柱阵列21中纳米柱的顶面和底面的形状为相同，或为不同；纳米柱阵列21中纳米柱截面的平均尺寸为0.001-100微米；
步骤4：在该纳米柱阵列21上外延生长p型表面粗化层31；所述p型粗化层31材料可为p型InXGa1-XN材料，0≤X≤1；所述p型粗化层31的表面呈尖锥状。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1-图3所示。使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底11上依次外延生长n型层12、i型层13、p型层14，其中所述衬底11为蓝宝石衬底；n型层12为n型GaN外延层，厚度为3000nm；所述i型层13为In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱结构，厚度为60nm；所述p型层14为p型GaN材料，厚度为150nm；随后在p型层14上沉积200纳米厚的SiO2介质膜；然后在SiO2介质膜上蒸镀一层金属Ni，并通快速退火的方法使金属Ni聚集成直径在10-200纳米左右的金属岛。利用金属岛作为掩模材料，刻蚀p型层14，刻蚀深度为100nm，从而制作出纳米柱阵列21；随后，再次通过MOCVD方法在带有纳米柱阵列21的外延片表面生长p型粗化层31，所述p型粗化层31为200纳米厚的p型In0.1Ga0.9N层，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的LED外延片；
实施例二：参见图1-图3所示。使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底11上依次外延生长n型层12、i型层13、p型层14，其中所述衬底11为n型GaN衬底材料；n型层12为n型GaN外延层，厚度为300nm；所述i型层13为In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱结构，厚度为60nm；所述p型层14为p型GaN材料，厚度为150nm；随后在p型层14上沉积200纳米厚的SiO2介质膜；然后在SiO2介质膜上蒸镀一层金属Ni，并通快速退火的方法使金属Ni聚集成直径在10-200纳米左右的金属岛。利用金属岛作为掩模材料，刻蚀p型层14，刻蚀深度为100nm，从而制作出纳米柱阵列21；随后，再次通过MOCVD方法在带有纳米柱阵列21的外延片表面生长p型粗化层31，所述p型粗化层31为200纳米厚的p型In0.1Ga0.9N层，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的LED外延片；
实施例三：参见图1-图3所示。使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底11上依次外延生长n型层12、i型层13、p型层14，其中所述衬底11为蓝宝石衬底；n型层12为n型GaN外延层，厚度为3000nm；所述i型层13为本征In0.2Ga0.8N层，厚度为200nm；所述p型层14为p型GaN材料，厚度为150nm；随后在p型层14上沉积200纳米厚的SiO2介质膜；然后在SiO2介质膜上蒸镀一层金属Ni，并通快速退火的方法使金属Ni聚集成直径在10-200纳米左右的金属岛。利用金属岛作为掩模材料，刻蚀p型层14，刻蚀深度为100nm，从而制作出纳米柱阵列21；随后，再次通过MOCVD方法在带有纳米柱阵列21的外延片表面生长p型粗化层31，所述p型粗化层31为200纳米厚的p型In0.1Ga0.9N层，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的GaN基太阳能电池外延片；
实施例四：参见图1-图3所示。使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底11上依次外延生长n型层12、i型层13、p型层14，其中所述衬底11为蓝宝石衬底；n型层12为n型GaN外延层，厚度为3000nm；所述i型层13为In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱结构，厚度为60nm；所述p型层14为p型GaN材料，厚度为150nm；随后在p型层14上沉积200纳米厚的SiO2介质膜；然后在SiO2介质膜上利用全息曝光的方法制作模版图形，刻蚀p型层14，刻蚀深度为100nm，从而制作出纳米柱阵列21；随后，再次通过MOCVD方法在带有纳米柱阵列21的外延片表面生长p型粗化层31，所述p型粗化层31为200纳米厚的p型In0.1Ga0.9N层，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的LED外延片；
实施例五：参见图1-图3所示。使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底11上依次外延生长n型层12、i型层13、p型层14，其中所述衬底11为蓝宝石衬底；n型层12为n型GaN外延层，厚度为3000nm；所述i型层13为In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱结构，厚度为60nm；所述p型层14为p型GaN材料，厚度为150nm；随后在p型层14上沉积200纳米厚的SiO2介质膜；然后在SiO2介质膜上蒸镀一层金属Ni，并通快速退火的方法使金属Ni聚集成直径在10-200纳米左右的金属岛。利用金属岛作为掩模材料，刻蚀p型层14，刻蚀深度为100nm，从而制作出纳米柱阵列21；随后，再次通过MOCVD方法在带有纳米柱阵列21的外延片表面生长p型粗化层31，所述p型粗化层31为200纳米厚的p型GaN层，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的LED外延片；
在上述实施例一至五中，衬底11还可为Si衬底，SiC衬底或GaN衬底；用来作为刻蚀掩膜的介质材料还可为SiNx；
在上述实施例一至五中，外延生长方法还可为分子束外延(MBE)；加工制作的纳米柱阵列21，其中纳米柱的底面和侧面垂直、或成0.1-90度的任意角度，顶面的形状为圆型、多边形；加工制作的带有纳米柱阵列21的外延片可放入金属有机物化学气相淀积(MOCVD)反应室内，在通NH3保护的条件下升温到100-1200度之间，对纳米柱阵列进行退火以去除纳米加工过程对纳米柱阵列21表面引入的损伤；通过退火对纳米柱阵列21的侧面、顶面进行几何整形，使构成纳米柱阵列21表面的晶面更有利于随后的材料外延生长。可选择再用MOCVD方法在退火后的纳米柱阵列21上二次外延生长一层p型GaN材料，利用同质外延来进一步降低纳米加工对p型GaN材料的损伤，提高纳米柱21阵列的晶体质量。
本发明的主要目的在于提供一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，最大程度降低芯片表面对光的反射，同时不影响p型层14的电学性质，从而提高器件的工作效率。具体涉及这样一种利用纳米加工技术在对于现有平板状芯片表面制作进行加工，制作出如图2所示的纳米柱21阵列。再次在带有纳米柱21阵列的外延片表面生长p型层31，最终获得具有尖锥状结构粗化表面的GaN光电器件外延片；利用这种方法可以有效降低表面对入射光反射的几率，提高GaN基光电子器件如LED等发光器件的光提取效率或增加入射光在太阳能电池表面的透入效率。
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例而已，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 (9)

1.一种GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，包括：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在该衬底上依次外延生长n型层、i型层及p型层；
步骤3：利用纳米加工技术，在p型层上加工形成纳米柱阵列；
步骤4：在该纳米柱阵列上外延生长p型表面粗化层。
2.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述衬底是蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述n型层为n型InxGa1-xN材料，厚度为0-3000nm，0≤x＜1。
4.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述i型层为本征InyGa1-yN材料或采用InmGa1-mN/InnGa1-nN多量子阱结构或超晶格结构，其中0≤y≤1，0＜m≤1，0≤n≤1，m＞n，该层的厚度为0-500nm。
5.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述p型层为p型InzGa1-zN材料，厚度为20-300nm，0≤z≤1。
6.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述纳米加工技术是指：首先制备纳米尺度的掩膜，然后采用干法或湿法刻蚀在外延片表面制备纳米柱阵列。
7.根据权利要求1或6所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述纳米柱阵列的顶面和底面的形状是圆形、规则多边形或者不规则的多边形，纳米柱阵列的顶面和底面的形状为相同，或为不同；纳米柱阵列中纳米柱截面的平均尺寸为0.001-100微米。
8.根据权利要求1所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述p型粗化层的材料为p型InXGa1-XN，0≤X≤1。
9.根据权利要求1或8所述的GaN基光电子器件表面粗化的制作方法，所述p型粗化层的表面呈尖锥状。
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