CN103904183B - 一种ITO粗化的GaN基LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种ITO粗化的GaN基LED芯片及其制备方法，包括如下步骤：在GaN基LED外延片表面沉积ITO作为透明导电层；再置入稀盐酸溶液进行无掩模的湿法腐蚀；用去离子水清洗后烘烤；再在表面涂覆一层增粘剂；再涂覆一层正性或负性光刻胶，在热板上烘烤后，使用具有微米尺寸结构的光刻掩模版进行普通紫外曝光，并再次在热板上烘烤；将基片置入显影液中显影；用去离子水清洗后放入烤箱烘烤；再置入稀盐酸溶液进行有掩模的湿法腐蚀；去除光刻胶后高温退火。本发明在LED芯片的ITO透明导电层同时制备纳米尺寸和微米尺寸的微结构，具有更高的光输出功率。本发明适用于LED生产线批量生产、无需增加额外设备且低成本。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基LED芯片领域，具体涉及ITO表面粗化的GaN基LED芯片及制备方法。
背景技术
随着GaN基LED的应用越来越广泛，如何使用生产线上成熟且低成本的技术实现ITO表面粗化以提高芯片出光效率是产业界重要的研究课题。表面粗化，亦即在芯片表面制备微结构，可增加光线在半导体材料和封装材料分界面入射角度的随机性，减少光线发生全反射的几率，从而有效地提高光提取效率。
目前实现ITO表面粗化的方案主要有以下几种。使用紫外光刻技术，在ITO上制备紧密分布的微结构阵列；受衍射极限的限制，这种方法只能实现微米级别的表面微结构；使用电子束光刻技术或者激光全息光刻技术，在ITO上制备规则齐整的纳米尺寸的表面微结构；这种方法不适合生产线的批量生产。纳米压印技术是一种潜在的批量生产技术，但要求厂商额外购买昂贵的专用设备，而且压印母板的制备较为昂贵，研发成本高，目前尚未成熟。实验室中还采用在衬底表面旋涂聚苯乙烯纳米球或Ni纳米粒子悬浮液；或者在衬底表面蒸镀氯化物并使之吸收水分形成纳米岛；或者将芯片置入化合物的饱和溶液使之析出沉积纳米级颗粒；或者蒸镀金属薄膜后高温退火使金属团聚形成纳米颗粒；这些方法可制备成本较低的纳米尺寸的掩模，再通过干法刻蚀或湿法腐蚀，将图形转移到ITO层；但都引入了生产线上原本没有的额外材料作掩模。
发明内容
针对上述ITO表面粗化方案的缺点，本发明公开一种高光提取效率、适用于LED生产线批量生产、无需增加额外设备且低成本的ITO粗化的GaN基LED芯片及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：（A）使用电子束蒸发在GaN基LED外延片表面沉积一层ITO作为透明导电层；（B）将步骤（A）得到的基片置入稀盐酸溶液进行无掩模的湿法腐蚀；（C）使用去离子水清洗步骤（B）得到的基片后放入烤箱烘烤；（D）在步骤（C）烘烤后的基片表面涂覆一层增粘剂；（E）再涂覆一层正性或负性光刻胶，在热板上烘烤后，使用具有微米尺寸结构的光刻掩模版进行普通紫外曝光，并再次在热板上烘烤；
（F）将步骤（E）得到的基片置入显影液中显影；（G）使用去离子水清洗后放入烤箱烘烤；（H）再置入稀盐酸溶液进行有掩模的湿法腐蚀；（I）去除光刻胶后高温退火。
所述制备步骤（A）中电子束蒸发工艺的特征是，蒸镀过程中氧气流量为1sccm~20sccm，沉积温度为150℃~300℃，ITO的厚度为100nm~1000nm。
进一步优化地，步骤（B）和（H）中湿法腐蚀工艺是，盐酸浓度为3%~50%，腐蚀温度为10℃~80℃，腐蚀时间根据盐酸浓度和腐蚀温度调整，范围不超过5sec~60min。
进一步优化地，步骤（C）和（G）中烤箱烘烤工艺的特征是，温度为50℃~200℃，烘烤时间为30sec~60min。
进一步优化地，步骤（D）中增粘剂涂覆工艺是，涂覆工艺是真空蒸注技术和旋涂技术中的一种。
进一步优化地，步骤（E）中热板烘烤工艺是，热板烘烤的时间不超过3min，温度不超过120℃。
进一步优化地，步骤（F）中显影工艺是，显影液使用磁力搅拌、循环泵、毛刷辊、人工晃动搅拌方法中的一种以上，显影液温度波动不超过4℃，温度均匀性优于±2℃。
进一步优化地，步骤（I）中退火工艺是，在惰性气氛下退火，退火温度为300℃~800℃，退火时间为3min~60min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在LED芯片的ITO透明导电层同时制备纳米尺寸和微米尺寸的微结构，相比单独制备纳米尺寸结构或者单独制备微米尺寸结构的芯片，具有更高的光输出功率。
2、本发明完全基于LED生产线的现有成熟工艺和原材料，无需增加额外设备和原材料。
3、本发明使用普通紫外光刻工艺和两步湿法腐蚀工艺，成本低廉。
附图说明
图1为 ITO未粗化的基片示意图。
图2 为ITO无掩模湿法腐蚀实现纳米尺寸粗化后的基片示意图。
图3 为使用正性光刻胶做光刻，ITO有掩模湿法腐蚀实现微米尺寸粗化后的基片示意图。
图4 为使用负性光刻胶做光刻，ITO有掩模湿法腐蚀实现微米尺寸粗化后的基片示意图。
图5 为GaN基LED芯片的输入电流-输出光功率曲线。
图中，1、衬底，2、n型半导体材料，3、多量子阱发光层，4、p型半导体材料，5、ITO电流扩展层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
实施例1
对于GaN基LED外延片，其结构如图1所述，包含衬底1、 n型半导体材料2、多量子阱发光层3 和p型半导体材料4，使用电子束蒸发沉积ITO，蒸镀过程中氧气流量3.5sccm，温度250℃，ITO厚度230nm。蒸镀完成后，ITO表面平整，基片横截面的示意图如图1所示。随后将基片置入20wt%的稀盐酸溶液进行无掩模的湿法腐蚀，腐蚀液使用水浴法加热，温度为25℃，腐蚀10sec后，ITO表面出现随机分布的纳米尺寸的微结构，基片横截面的示意图如图2所示。使用去离子水清洗基片后放入120℃的烤箱烘烤5min。接着在基片表面旋涂一层六甲基二硅氮烷作为增粘剂，并在100℃热板上烘烤20sec。在基片上旋涂一层光刻胶，在100℃热板上烘烤150sec后，使用具有三角晶格排列的圆孔阵列（圆孔直径3μm，圆心间距6μm）的光刻掩模版进行普通紫外曝光。再将基片置入不断晃动的显影液中显影50sec，显影液使用水浴法加热，温度30℃。使用去离子水清洗后放入120℃的烤箱烘烤30min。然后将外延片置入20%的稀盐酸溶液进行有掩模的湿法腐蚀，腐蚀液使用水浴法加热，温度50℃，腐蚀时间为7sec。最后用丙酮、异丙醇和去离子水清洗去除光刻胶，再在流量为1L/min的氮气气氛下退火15min，退后温度为500℃。光刻工艺使用正性光刻胶时，则基片横截面的示意图如图3所示。光刻工艺使用负性光刻胶时，则基片横截面的示意图如图4所示。制备的GaN基LED芯片的输入电流-输出光功率曲线如图5所示，结果显示，相比ITO无粗化的LED芯片，ITO纳米粗化的LED芯片的输出光功率提升10%以上，而ITO纳米粗化+微米粗化的LED芯片的输出光功率提升15%以上。
实施例2
使用电子束蒸发沉积ITO，蒸镀过程中氧气流量20sccm，温度300℃，ITO厚度1000nm。蒸镀完成后，ITO表面平整，基片横截面的示意图如图1所示。随后将基片置入5wt%的稀盐酸溶液进行无掩模的湿法腐蚀，腐蚀液使用水浴法加热，温度为70℃，腐蚀20min后，ITO表面出现随机分布的纳米尺寸的微结构，基片横截面的示意图如图2所示。使用去离子水清洗基片后放入200℃的烤箱烘烤10min。接着在基片表面旋涂一层六甲基二硅氮烷作为增粘剂，并在100℃热板上烘烤20sec。在基片上旋涂一层光刻胶，在100℃热板上烘烤150sec后，使用具有三角晶格排列的圆孔阵列的光刻掩模版进行普通紫外曝光。再将基片置入不断晃动的显影液中显影50sec，显影液使用水浴法加热，温度30℃。使用去离子水清洗后放入120℃的烤箱烘烤30min。然后将外延片置入30%的稀盐酸溶液进行有掩模的湿法腐蚀，腐蚀液使用水浴法加热，温度50℃，腐蚀时间为7sec。最后用丙酮、异丙醇和去离子水清洗去除光刻胶，再在氮气气氛下退火30min，退后温度为500℃。光刻工艺使用正性光刻胶时，则基片横截面的示意图如图3所示。光刻工艺使用负性光刻胶时，则基片横截面的示意图如图4所示。
制备的GaN基LED芯片的输入电流-输出光功率曲线参考图5所示，结果显示，相比ITO无粗化的LED芯片，ITO纳米粗化的LED芯片的输出光功率提升10%以上，而ITO纳米粗化+微米粗化的LED芯片的输出光功率提升15%以上。
需说明的是，以上仅仅是本发明的较优的实例，本领域技术人员在本发明内容所公开的技术方案范围内，除以上实施方式外，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（A）使用电子束蒸发在GaN基LED外延片表面沉积一层ITO作为透明导电层；
（B）将步骤（A）得到的基片置入稀盐酸溶液进行无掩模的湿法腐蚀；
（C）使用去离子水清洗步骤（B）得到的基片后放入烤箱烘烤；
（D）在步骤（C）烘烤后的基片表面涂覆一层增粘剂；
（E）再涂覆一层正性或负性光刻胶，在热板上烘烤后，使用具有微米尺寸结构的光刻掩模版进行普通紫外曝光，并再次在热板上烘烤；
（F）将步骤（E）得到的基片置入显影液中显影；
（G）使用去离子水清洗后放入烤箱烘烤；
（H）再置入稀盐酸溶液进行有掩模的湿法腐蚀；
（I）去除光刻胶后高温退火。
2.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（A）中所述电子束蒸发工艺为：蒸镀过程氧气流量为1sccm~20sccm，沉积温度为150℃~300℃，ITO的厚度为100nm~1000nm。
3.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（B）和（H）中所述湿法腐蚀工艺为：盐酸浓度为3wt%~50wt%，腐蚀温度为10℃~80℃，腐蚀时间根据盐酸浓度和腐蚀温度调整，腐蚀时间5sec~60min。
4.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于制备步骤（C）和（G）中烤箱烘烤工艺为：温度为50℃~200℃，烘烤时间为30sec~60min。
5.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（D）中增粘剂涂覆工艺是真空蒸注技术和旋涂技术中的一种。
6.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（E）中热板烘烤工艺的烘烤的时间不超过3min，温度不超过120℃。
7.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤（F）中所述显影工艺中，显影液使用磁力搅拌、循环泵、毛刷辊、人工晃动搅拌方法中的一种以上，显影液温度波动不超过4℃，温度均匀性优于±2℃。
8.如权利要求1所述的一种ITO粗化的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（I）所述退火工艺是在惰性气氛下进行，退火温度为300℃~800℃，退火时间为3min~60min。
9.由权利要求1~8任一项所述制备方法制得的ITO粗化的GaN基LED芯片。
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