CN103633196A - 一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法。在GaN基外延层上蒸镀一层ITO、ZnO或者单层石墨烯透明电极，在透明电极上沉积一层薄SiO2层，利用SiO2在不同温度下退火形成的结晶图形做掩膜，用干法刻蚀刻蚀掉裸露在外的透明电极，再用HF溶液去除SiO2结晶图形得到具有图形化的透明电极。此发明在制备时不仅通过透明电极图形化提高了光提取效率，还降低传统的光刻掩膜工艺成本和耗时。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及GaN基发光二极管技术领域，尤其涉及在透明电极上刻制图形化的技术方法。
背景技术
作为新的节能产品，LED产品应用范围越来越广泛，应用领域不断在扩展，尤其在照明、显示器等方面。随之，在LED市场中最受关注的是如何提亮效果。
在LED发光二极管芯片制备中，为了提高光的提取效率，通常在传统的LED上引用垂直结构、倒装芯片、表面粗化，隐形切割等方法，也有大量的文章和专利阐述过，但是每一种方法都有工艺和设备上的不稳定限制，或者成本过高。目前，表面粗化是大家一直在关注的一种技术，在LED各个层表面进行粗化试验，尤其是在透明电极（ITO、ZnO或者石墨烯）表面进行图形化，效果非常好。
申请号为201010226996.X的中国发明申请，用常规光刻掩膜腐蚀工艺在透明导电薄膜上制作空洞，形成带有网状的透明导电薄膜，网状空洞可以很薄或者没有导电层，不仅实现良好的欧姆接触，同时提高了透光率，光的提取效率也提高了。但是此工艺在光刻、腐蚀上成本高、耗时大，并且腐蚀工艺不稳定；申请号为200510073285.2的中国发明申请，提出一种具有表面图形化和微结构的高亮度发光二极管，采用纳米压印技术在发光面上制备各种图形的有机材料薄膜，间接地在LED表面形成有利于有源区发射光逸出的微结构，使得光在出射介质的界面面积得到增加，增加后的表面呈现为大量方向无序排列的小区域，造成光线在有源区和介质的界面上一定程度上是随机出射的。此发明利用的纳米压印设备昂贵，并且制作掩模板工艺复杂。
以上的相关报道表明，在透明电极上各种图形化后，GaN基LED外量子效率大大提高，但是图形化工艺不够均匀，常常引起电压偏高；并且在图形化时，通常用金属或者光刻胶做掩膜，但是金属、光刻成本高，光刻胶毒性大，对生产人员有一定的困难及危险。
发明内容
针对以上问题，本发明选择最常见的SiO2材料作为掩膜。SiO2材料绝缘，无毒，工艺简单，最主要是利用SiO2在不同温度下的结晶图形用做掩膜，避免了传统的光刻胶掩膜、金属掩膜、湿法刻蚀工艺的缺点。
本发明的技术方案为：
一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其步骤包括：
1）在GaN基外延层上蒸镀厚度在1000
Å ~ 2000Å的透明电极；
2）在透明电极上沉积厚度为10 Å~100 Å的SiO2层；
3）在250~400℃，氮气条件下进行退火5-10分钟，SiO2层结晶形成SiO2图形掩膜；所述图形掩膜的图形包括菱形、梯形、圆形、三角形；
4）用干法刻蚀去除裸露在外的透明电极；
5）用HF溶液去除SiO2图形掩膜。
本发明的优选方案为所述步骤1）中的蒸镀方法为电子束蒸发。
本发明的优选方案为所述透明电极为ITO、ZnO或者单层石墨烯。
本发明的优选方案为所述步骤2）中采用PECVD沉积SiO2层。
本发明的优选方案为所述步骤4）中的干法刻蚀为ICP或者RIE。
本发明在透明电极上图形化，利用SiO2在不同温度下的结晶特性制备掩膜。本发明中采用250~400℃的温度进行恒温加热退火5-10分钟，然后在室温下自然降温；SiO2在不同温度中退火，会有β-磷石英、γ-磷石英、β-白硅石、γ-白硅石不同结晶的转变，形成菱形、梯形、圆形、三角形等不同图形的掩膜。
本发明的工艺步骤节省了对SiO2层的光刻步骤，可以降低光刻成本和耗时、减少光刻胶等有毒物质对人体的危害；实现了高亮度、高效率，低成本的生产宗旨。在干法刻蚀时，根据刻蚀时间调控透明电极刻蚀深度，避免了图形化工艺的不均匀和电压偏高等现象，同时保证了透明电极的高透光率、低电阻率，光提取效率大大提高。该方法还可用于制备GaN基PSS衬底、P外延层和N外延层等各种图形化。
附图说明：
图1 已制备有透明电极和SiO2层的GaN基LED外延层示意图；
图2 SiO2层经过退火形成图形掩膜的示意图；
图3 透明电极全透图形化的示意图；
图4 透明电极未全透图形化的示意图；
其中：1— GaN基外延层；2—透明电极；3—SiO2层；
4— SiO2图形掩膜；5— 图形化的透明电极。
具体实施方式：
实施例一.
参照附图，本实施例中GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其步骤包括：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀ITO透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为1000 Å。
2.用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为10 Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3.把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于250℃、氮气环境下的退火炉中5分钟，SiO2生成菱形的β-磷石英结晶图形。
4.用菱形的β-磷石英结晶做透明电极的掩膜，利用ICP刻蚀暴露在外的透明电极；以Cl2和BCl3为主要气体刻蚀，其两者流量比为10:1；刻蚀时间为15分钟，刻蚀透明电极的深度为1000 Å，如图三所示。
5.刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除β-磷石英结晶图形，制备出菱形图形化透明电极。
实施例二：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀ITO透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为1000 Å。
2.用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为50 Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3.把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于300℃、氮气环境下的退火炉中6分钟，SiO2生成梯形的γ-磷石英结晶图形。
4.用梯形的γ-磷石英结晶做透明电极的掩膜，利用ICP刻蚀暴露在外的透明电极；以Cl2和BCl3为主要气体刻蚀，其两者流量比为10:1；刻蚀时间为10分钟，刻蚀透明电极的深度为600 Å，如图四所示。
5.刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除γ-磷石英结晶图形，制备出梯形图形化透明电极。
实施例三：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀ZnO透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为1500 Å。
2.用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为100 Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3.把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于300℃、氮气环境下的退火炉中7分钟，SiO2生成菱形γ-磷石英结晶图形。
4.用菱形γ-磷石英结晶做透明电极的掩膜，利用ICP刻蚀暴露在外的透明电极；以Cl2和BCl3为主要气体刻蚀，其两者流量比为10:1；刻蚀时间为20分钟，刻蚀透明电极的深度为1500 Å, 如图三所示。
5.刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除γ-磷石英结晶图形，制备出菱形图形化透明电极。
实施例四：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀ZnO透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为1500 Å。
2.用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为100Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3.把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于350℃、氮气环境下的退火炉中10分钟，SiO2生成圆形的β-白硅石结晶图形。
4.用圆形的β-白硅石结晶图形做透明电极的掩膜，利用ICP刻蚀暴露在外的透明电极；以Cl2和BCl3为主要气体刻蚀，其两者流量比为10:1；刻蚀时间为15分钟，刻蚀透明电极的深度为1000 Å, 如图四所示。
5.刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除β-白硅石结晶图形，制备出圆形图形化透明电极。
实施例五：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀单层石墨烯透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为2000 Å。
2. 用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为50Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3. 把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于400℃、氮气环境下的退火炉中8分钟，SiO2生成三角形γ-白硅石结晶图形。
4.用三角形γ-白硅石结晶图形做透明电极的掩膜，利用RIE刻蚀暴露在外的透明电极；以SF6为主要气体刻蚀，施加高频70MHZ的电压，真空度为5×10-6 Torr，刻蚀时间为一小时，刻蚀透明电极的深度为2000
Å，如图三所示 。
5. 刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除γ-白硅石结晶图形，制备出三角形图形化透明电极。
实施例六：
1.在GaN基外延层上用电子束蒸发蒸镀单层石墨烯透明电极：电子束轰击源的功率为1KW，衬底温度为300℃，真空度为2×10-5Torr；蒸镀的透明电极厚度为2000 Å。
2. 用PECVD在透明电极上沉积一层超薄SiO2层：生长温度200℃，沉积SiO2厚度为50 Å，便于在退火时，SiO2分子间的化学键断裂而形成结晶图形。
3. 把长有超薄SiO2层的GaN基外延片置于350℃、氮气环境下的退火炉中7分钟，SiO2生成梯形的β-白硅石结晶图形。
4.用梯形的β-白硅石结晶图形做透明电极的掩膜，利用RIE刻蚀暴露在外的透明电极；以SF6为主要气体刻蚀，施加高频70MHZ的电压，真空度为5×10-6 Torr，刻蚀时间为45分钟，刻蚀透明电极的深度为1500 Å，如图四所示 。
5. 刻蚀后将整个GaN基外延层浸泡在浓度为98%的HF酸中30分钟，去除β-白硅石结晶图形，制备出梯形图形化透明电极。
Claims (5)
1.一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其特征在于其步骤包括：
1）在GaN基外延层上蒸镀厚度在1000 Å ~2000Å的透明电极；
2）在透明电极上沉积厚度为10 Å~100 Å的SiO2层；
3）在250~400℃，氮气条件下进行退火5-10分钟，SiO2层结晶形成SiO2图形掩膜；所述图形掩膜的图形包括菱形、梯形、圆形、三角形；
4）用干法刻蚀去除裸露在外的透明电极；
5）用HF溶液去除SiO2图形掩膜。
2.如权利要求1所述的一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的蒸镀方法为电子束蒸发。
3.如权利要求1所述的一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其特征在于：所述透明电极为ITO、ZnO或者单层石墨烯。
4.如权利要求1所述的一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中采用PECVD沉积SiO2层。
5.如权利要求1所述的一种GaN基LED透明电极图形化的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中的干法刻蚀为ICP或者RIE。
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