CN102130223B - 一种GaN基LED外延片表面粗化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN基LED外延片表面粗化方法，包括以下步骤：(1)制备外延片，在衬底上外延生长成核层，在成核层表面依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、发光层多量子阱结构、P型AlGaN层和P型GaN层；其中P型GaN层的生长分为两部分；(2)配制HF酸溶液；(3)用金属将Pt导线焊接在P型GaN表面作为阳极，阴极使用Pt电极与步骤(2)配制的HF酸溶液连接；(4)在阳极和阴极之间连接一个10V--50V电源；(5)腐蚀，使P型GaN表面形成明显的粗化图形。本发明通过改变外延生长条件和PEC腐蚀结合制得GaN基LED外延片粗化表面，工艺简单，降低了成本；粗化效果明显，光提取效率更高，同时避免了干法刻蚀或高温腐蚀对量子阱的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基蓝绿发光二极管外延片表面的粗化方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近年来，半导体发光二极管受到人们的广泛关注，它具有体积小、效率高、寿命长等优点。宽禁带III-V半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。目前，普通绿色至紫外范围的发光二极管广泛应用于交通信号灯、全色显示、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。近些年来，紫外发光二极管进入市场，主要用于生物粒子的探测(如吸收范围在260-340nm的细菌芽孢的探测)、空气和水的纯化、医疗和诊断等。与一般的发光二极管相比，紫外发光二极管对材料的质量要求更高。
目前发光二极管芯片的光提取效率是限制二极管发光外量子效率的主要因素。提取效率低的主要原因是衬底、外延层和空气之间的折射率差值较大。GaN的的折射率约为2.4，而蓝宝石和空气分别为1.7和1，有源区发出的光在GaN与蓝宝石衬底界面，GaN与空气界面会发生全反射，导致光不能有效的导出芯片。目前解决该问题的方法主要有PSS衬底(蓝宝石衬底图形化)技术，表面粗化技术和侧壁腐蚀技术等方法，都是通过改变GaN与衬底或者GaN与空气或者衬底与空气之间接触面的几何图形，从而改变光的反射方向，使光偏离全反射角，从而提高光的提取效率。
表面粗化技术是一种改变GaN与空气接触面的几何图形的一种技术，如中国专利文献CN101521258A公开的《一种提高发光二极管外量子效率的方法》，该方法提供了一种粗化方法，是通过提高表面P型GaN的Mg掺杂浓度，从而达到表面粗化的目的；中国专利文献CN101714594A公开了一种《氮化镓基发光二极管外延层表面粗化的方法》，该方法通过在外延层表面生长SiOx或SiNx薄膜，在薄膜上涂覆光刻胶并制备掩膜图案，对SiOx或SiNx进行刻蚀，得到图形化的SiOx或SiNx薄膜，并以此为掩膜外延生长P型GaN，从而得到粗化的LED表面。但是这些方法存在着工艺复杂、成本高、粗化效果差等不足。使用重掺Mg的方法进行粗化会使反应室存在Mg原子的记忆效应，减短MOCVD设备的维护周期，不利于生产的稳定性；生长SiOx等薄膜再用光刻法制备掩膜的工艺比较复杂，很容易降低产品的良率；而干法刻蚀或高温腐蚀又会对量子阱造成损伤。
发明内容
本发明针对现有发光二极管外延片粗化方法存在的不足，提供一种工艺简单、成本低、能够提高光取出效率的GaN基LED外延片表面粗化方法。该方法结合外延生长条件与PEC(光助电化学)电化学腐蚀。
本发明的GaN基LED外延片表面粗化方法，包括以下步骤：
(1)按MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法制备外延片，在衬底(蓝宝石或PSS或SiC)上外延生长GaN或AlN或AlGaN成核层，然后在成核层表面依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、发光层多量子阱结构、P型AlGaN层和P型GaN层；其中P型GaN层的生长分为两部分，第一部分是在生长压力100--200torr、P型GaN生长速率0.5μm/小时--2μm/小时、生长温度900℃--1050℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度为100nm--300nm，第二部分是在生长压力400--500torr、生长速度2μm/小时--5μm/小时、生长温度750℃--850℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度约500nm--700nm，这样生长后的P型GaN表面具有粗化形貌；
(2)配制HF酸溶液，HF酸与水的体积比例为1∶5--1∶30；
(3)用金属Ti或Ni或Au将Pt导线焊接在P型GaN表面作为阳极，阴极使用Pt电极与步骤(2)配制的HF酸溶液连接；
(4)在阳极和阴极之间连接一个电源，电压要求为10V--50V；
(5)在紫外灯或者汞灯的照射下通入电流开始腐蚀，紫外灯或者汞灯要求功率400W--1000W，腐蚀时间为20分钟-1小时；该过程加剧P型GaN生长后表面的粗化形貌，使表面形成明显的粗化图形；
(6)腐蚀过程完成后，将外延片取出，在稀释后体积浓度为1∶5--1∶20的HCl溶液和去离子水中分别超声振荡1分钟-3分钟；最终获得粗化表面的LED外延片。
本发明通过改变外延生长条件和PEC腐蚀结合制得GaN基LED外延片粗化表面，不需要经过光刻等工艺步骤，工艺简单，降低了成本；粗化效果相对单纯外延生长条件粗化更加明显，光提取效率更高，同时避免了干法刻蚀或高温腐蚀对量子阱的损伤。
附图说明
图1是制备的外延片结构示意图。
图2是外延生长后的外延片表面示意图。
图3是PEC腐蚀过程示意图。
图4是本发明方法获得的外延片粗化表面的示意图。
具体实施方式
本发明的GaN基LED外延片表面粗化方法，具体包括以下步骤：
(1)按常规MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法在蓝宝石、PSS或SiC衬底上生长LED外延层结构，首先在蓝宝石、PSS或SiC衬底上外延生长GaN、AlN或AlGaN成核层，然后在成核层上依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、发光层多量子阱结构、P型AlGaN层和P型GaN层。制备的外延片结构如图1所示。其中P型GaN层的生长分为两部分，第一部分是在生长压力100--200torr、P型GaN生长速率0.5μm/小时--2μm/小时、生长温度900℃--1050℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度为100nm--300nm，第二部分是在生长压力400--500torr、生长速度2μm/小时--5μm/小时、生长温度750℃--850℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度约500nm--700nm，这样生长后的P型GaN表面具有粗化形貌，如图2所示。
(2)配制HF酸溶液，HF酸与水的体积比例为1∶5--1∶30。
(3)如图3所示，用金属Ti或Ni或Au将Pt导线焊接在LED的P型GaN表面作为阳极，阴极使用Pt电极与HF酸溶液连接。
(4)如图3所示，在阳、阴极之间连接一个电源，电压要求10V--50V。
(5)在紫外灯或者汞灯的照射下通入电流开始腐蚀，紫外灯或者汞灯要求功率400W--1000W，腐蚀时间为20分钟-1小时。该过程加剧P型GaN生长后表面的粗化形貌，使表面形成明显的粗化图形。
(6)腐蚀过程完成后，将外延片取出在稀释后体积浓度为1∶5--1∶20的HCl溶液和去离子水中分别超声振荡1分钟-3分钟，最终获得如图4所示的粗化表面的LED外延片。
Claims (1)
1.一种GaN基LED外延片表面粗化方法，包括以下步骤：
(1)按MOCVD方法制备外延片，在衬底上外延生长GaN或AlN或AlGaN成核层，然后在成核层表面依次生长GaN缓冲层、N型GaN层、发光层多量子阱结构、P型AlGaN层和P型GaN层；其中P型GaN层的生长分为两部分，第一部分是在生长压力100--200torr、P型GaN生长速率0.5μm/小时--2μm/小时、生长温度900℃--1050℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度为100nm--300nm，第二部分是在生长压力400--500torr、生长速度2μm/小时--5μm/小时、生长温度750℃--850℃的条件下生长P型GaN，该部分的P型GaN的厚度为500nm--700nm，这样生长后的P型GaN表面具有粗化形貌；
(2)配制HF酸溶液，HF酸与水的体积比例为1∶5--1∶30；
(3)用金属Ti或Ni或Au将Pt导线焊接在P型GaN表面作为阳极，阴极使用Pt电极与步骤(2)配制的HF酸溶液连接；
(4)在阳极和阴极之间连接一个电源，电压要求为10V--50V；
(5)在紫外灯或者汞灯的照射下通入电流开始腐蚀，紫外灯或者汞灯要求功率400W--1000W，腐蚀时间为20分钟-1小时；该过程加剧P型GaN生长后表面的粗化形貌，使表面形成明显的粗化图形；
(6)腐蚀过程完成后，将外延片取出，在稀释后体积浓度为1∶5--1∶20的HCl溶液和去离子水中分别超声振荡1分钟-3分钟；最终获得粗化表面的LED外延片。
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