CN103378253A - 一种新型的GaN基发光二极管表面粗化方法 - Google Patents

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郝锐
马学进
吴质朴
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Abstract

本发明涉及一种新型的可增加光提取效率的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，发光活化层、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；在透明电极上制备一层SiO2纳米球；以SiO2纳米球作为掩膜刻蚀P型透明电极，清洗去掉残余SiO2纳米球，获得具有粗化出光表面的LED器件。该发明可以有效提高二极管的光提取效率，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

一种新型的GaN基发光二极管表面粗化方法
技术领域
本发明涉及一种表面处理方法，特别是涉及一种新型GaN基发光二极管表面粗化方法。
技术背景
当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，以LED(发光二极管)为代表的半导体发光产品，具有节能、环保，以及光源寿命长、体积小等优点，正吸引着世人的目光。
目前氮化镓基发光二极管的常规结构包括第一种N型半导体层，控制发光波长的活化层，第二种P型半导体层，透明电极层，和金属电极。对于GaN基LED来说，GaN为2.5与空气的折射系数相差很大，全反射角为24.5度左右。发光区产生的光在出光面大部分被反射回来，光线的多次反射，由于材料的吸收及非出光面逸光作用，正面出光的比例非常小，只占4％。即使采用图形衬底结构，出光比例也只有12％左右。
人们采用了多种出光技术改善正面出光，其中出光面粗化技术是其中很重要的一类。一种现行方法是直接降低温度生长粗糙的P型材料(US2006007272A1)。然而，生长温度降低导致材料质量劣化，对LED器件的光电性能和可靠性影响很大。另外，通过调整生长参数来控制样品表面的粗糙程度，在外延工艺上不稳定，以及P面粗化引起的黑白电极问题给芯片工艺也造成了复杂性。第二种方法是采用P面刻蚀的办法。但是在GaN基LED结构的P层非常薄，只有几百个nm的厚度，无论是干刻工艺和湿刻工艺都很难精确控制深度，而且对材料也会造成损伤。另一种可行方法是采用粗化透明电极层的办法。目前已经报道的类似工艺有采用单层镍纳米粒子作为掩膜刻蚀透明电极层(CN101702419A)，采用ZnO纳米球作为掩膜沉积在透明电极层同时刻蚀ZnO和透明电极层形成粗化出光面(CN101740702A)。这些方法存在掩膜材料不易获得没有实现商业化和工艺后处理比较复杂增加现有工序的复杂性等问题。
发明内容
本发明的目的是：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：一种新型的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、发光活化层、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)在透明电极上均匀分散一层SiO2纳米球材料；
(4)以SiO2纳米球作为掩膜，刻蚀P型透明电极成粗化表面
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，厚度在10至1000A的范围内，比较好的厚度大约为100A；氧化物材料为SiO2、ZnO、NiO、MgO、In2O3、TiO2或ITO(In2O3-SnO2)，厚度在100A至20000A之间，比较好的厚度大纸为2500A。
如上所述的方法，其特征在于SiO2纳米球直径在20A至30000A之间，整个纳米层的厚度在20A至30000A之间，比较好的纳米球的直径约为3000A。
如上所述的方法，其特征在于通过干法刻蚀P型透明电极。
本发明提供的一种新型的GaN基发光二极管表面粗化方法优益之处在于：
1、透明电极的折射率(如ITO折射率2.0)比较大，造成光从LED器件出射时全反射造成的损失比较大，透明电极表面粗化会减少全反射的作用直接提高出光。
2、SiO2纳米球的制备已经工业化，成本低，而且容易清洗掉，不会对出光和器件性能产生干扰。芯片工艺简单，易重复，成本低，适合大批量生产。
3、该粗化工艺简单，易重复，成本低，适合大批量生产。
附图说明
图1常规结构的GaN基发光二极管结构的剖面示意图。
图2为表面粗化的GaN基发光二极管结构的剖面示意图。
图中：衬底1，N型半导体层2，N型电极3，发光层4，P型半导体层5，透明电极层6，P型电极7
具体实施方式
为了更具体地说明本发明，现给出若干实施例。但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。
本发明提供一种新型的GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，实现步骤如下：
(1)在衬底上生长N型GaN材料、发光活化层、P型GaN材料；
(2)在P型材料上沉积一层用来欧姆接触的透明电极；
(3)在透明电极上均匀分散一层SiO2纳米球材料；
(4)以SiO2纳米球作为掩膜，刻蚀透明电极成粗化表面
本发明提出的GaN基发光二极管如图2所示，包括：依次层叠生长的N型半导体层2，发光层4，P型半导体层5，粗化的透明电极层6。
实施例1，首先，通过MOCVD方法在蓝宝石衬底1上依次生长n型半导体层
2、控制发光波长的发光层4和p型半导体层5。退火后得到氮化镓外延片。以上形成氮化镓系外延片的方法已为本发明所属的技术领域中具有通常知识者所熟悉，故不再详述。
在外延片之上真空蒸镀电流扩展层(透明电极层ITO)6，厚度为1000-6000A，蒸镀温度为100-700℃。采用旋涂的方法在透明电极上均匀分散一层直径为300nm的SiO2纳米球溶液。在50-500℃的温度下烘干溶液，接着进行ICP干刻，刻蚀时间10-500秒。最后用氢氟酸溶液洗掉SiO2纳米球，获得干净的粗化表面。
进一步采用常规的氮化镓芯片工艺进行加工。当芯片尺寸为10*23mil时，此结构氮化镓系发光二极管封装后测得的光通量相比于结构如图1所示的同样尺寸的氮化镓系发光二极管提高了约15％。
实施例2，首先，通过MOCVD方法在硅衬底1上依次生长n型半导体层2、控制发光波长的发光层4和p型半导体层5。退火后得到氮化镓外延片。以上形成氮化镓系外延片的方法已为本发明所属的技术领域中具有通常知识者所熟悉，故不再详述。
在外延片之上真空蒸镀电流扩展层(透明电极层)6，厚度为1000-6000A，蒸镀温度为100-700℃。采用旋涂的方法在透明电极上均匀分散一层直径为300nm的SiO2纳米球溶液。在50-500℃的温度下烘干溶液，接着进行ICP干刻，刻蚀时间10-500秒。最后用氢氟酸溶液洗掉SiO2纳米球，获得干净的粗化表面。
进一步采用常规的氮化镓芯片工艺进行加工。当芯片尺寸为10*23mil时，此结构氮化镓系发光二极管封装后测得的光通量相比于结构如图1所示的同样尺寸的氮化镓系发光二极管提高了约13％。
实施例3，首先，通过MOCVD方法在蓝宝石衬底1上依次生长n型半导体层
2、控制发光波长的发光层4和p型半导体层5。退火后得到氮化镓外延片。以上形成氮化镓系外延片的方法已为本发明所属的技术领域中具有通常知识者所熟悉，故不再详述。
在外延片之上真空蒸镀电流扩展层(透明电极层)6，厚度为1000-6000A，蒸镀温度为100-700℃。采用旋涂的方法在透明电极上均匀分散一层直径为600nm的SiO2纳米球溶液。在50-500℃的温度下烘干溶液，接着进行ICP干刻，刻蚀时间10-500秒。最后用氢氟酸溶液洗掉SiO2纳米球，获得干净的粗化表面。
进一步采用常规的氮化镓芯片工艺进行加工。当芯片尺寸为10*23mil时，此结构氮化镓系发光二极管封装后测得的光通量相比于结构如图1所示的同样尺寸的氮化镓系发光二极管提高了约10％。
实施例4，首先，通过MOCVD方法在蓝宝石衬底1上依次生长n型半导体层
2、控制发光波长的发光层2和p型半导体层4。退火后得到氮化镓外延片。以上形成氮化镓系外延片的方法已为本发明所属的技术领域中具有通常知识者所熟悉，故不再详述。
在外延片之上真空蒸镀电流扩展层(透明电极层ZnO)6，厚度为1000-6000A，蒸镀温度为100-700℃。采用旋涂的方法在透明电极上均匀分散一层直径为600nm的SiO2纳米球溶液。在50-500℃的温度下烘干溶液，接着进行ICP干刻，刻蚀时间10-500秒。最后用氢氟酸溶液洗掉SiO2纳米球，获得干净的粗化表面。
进一步采用常规的氮化镓芯片工艺进行加工。当芯片尺寸为10*23mil时，此结构氮化镓系发光二极管封装后测得的光通量相比于结构如图1所示的同样尺寸的氮化镓系发光二极管提高了约10％。

Claims (7)

1.一种新型的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、发光活化层、P型GaN材料；
(2)在P型材料上沉积一层用来欧姆接触的透明电极；
(3)在透明电极上均匀分散一层SiO2纳米球材料；
(4)以SiO2纳米球作为掩膜，刻蚀透明电极成粗化表面。
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SiO2、ZnO、NiO、MgO、In2O3、TiO2或ITO(In2O3-SnO2)，厚度在100A至20000A之间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：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：SiO2纳米球直径在20A至30000A之间，整个纳米层的厚度在20A至30000A之间。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：纳米层的厚度为3000A。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过干法腐蚀P型透明电极。
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