CN104362240B - 一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构，包括依次生长在衬底上的n型半导体层、发光层、p型半导体层和ITO导电层，n型半导体层制作有n型电极，ITO导电层上制作p型电极，其特征在于：所述n型电极、p型电极外侧的芯片上表面依次沉积有Al2O3层和SiON层。本发明所提供的Al2O3/SiON钝化层为叠层结构，其生长方法采用两步法，第一步先使用自制的专用于生长氧化物材料的LP‑MOCVD设备生长Al2O3薄膜，这种金属有机化学沉积方法生长的材料致密性好，晶体质量高，可以很好的控制Al2O3薄膜生长速率，第二步使用PECVD设备生长SiON薄膜材料，两层结构分别发挥电极钝化和增透膜提高出光效率的作用。

Description

一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构及其生长方法
技术领域
本发明涉及LED芯片的技术领域，特别是一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构及其生长方法。
背景技术
发光二极管（LED）在政府的大力支持下俨然成为了高新能源开发领域的主流产品，其具有体积小、寿命长（5万个小时）、光效高、节能的诸多优点，现已广泛应用到日常生活中。LED芯片表面对外界环境非常敏感，会吸附其他杂质从而降低器件性能，因此往往需要在晶片表面沉积一层绝缘材料来隔绝外界环境与晶片表面的接触，起到钝化作用。除此之外该钝化层还需起到增透膜的作用，提高芯片出光效率，增加芯片亮度。
目前市场上主流LED芯片都采用的是二氧化硅薄膜（SiO2）作为晶片的钝化层，而且都是采用PECVD法来生长SiO2薄膜。众所周知，SiO2作为钝化层并不能很好的起到钝化作用，这是因为钝化层是在电极制备后沉积的，因此生长温度不能过高，否则会影响电极性能；生长温度较低的话，沉积的SiO2薄膜粘附性较差，很容易脱离芯片表面，同时材质致密性也会降低，针孔密度大，对芯片性能有很大影响。综上所述，SiO2钝化膜并不能很好的改善LED芯片的光电特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种新型的Al2O3/SiON叠层结构钝化膜以及其生长方法来解决现有芯片制程中钝化层材料致密性低的问题，本发明所提供的Al2O3/SiON钝化层是一种叠层结构，生长顺序为先生长Al2O3薄膜，然后生长SiON膜层，共同充当芯片的钝化层结构，同时新型结构中SiON材料不仅黏性好，致密性好、针孔密度小，并且可以有效的提升LED芯片的出光效率。
本发明的技术方案为：一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构，包括依次生长在衬底上的n型半导体层、发光层、p型半导体层和氧化铟锡（ITO）透明导电层，n型半导体层制作有n型电极，ITO导电层上制作p型电极，其特征在于：所述n型电极、p型电极外侧的芯片上表面依次沉积有Al2O3层和SiON层。
所述的SiON层的光学厚度为LED发光波长四分之一的奇数倍，且SiON层的折射率为n=（n空气×nP-GaN）1/2。
所述的Al2O3层和SiON层构成了新型的钝化层，该钝化层采用两步法生长，第一步先使用自制的专用于生长氧化物材料的LP-MOCVD设备生长Al2O3薄膜，第二步使用PECVD设备生长SiON薄膜材料，两层结构分别起电极钝化和增透膜提高出光效率的作用。
一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，包括如下步骤：
A、 将完成ITO蚀刻后的LED芯片使用丙酮（ACE）、异丙醇（IPA）、去离子水进行清洗、甩干；
B、将甩干后的LED产品放入到生长Al2O3薄膜的MOCVD腔体中，再将MOCVD腔体升温到400-680℃，通入腔体Al源与O源，生长Al2O3薄膜充当电极钝化层；
C、 使用负性光刻胶对Al2O3薄膜进行PAD光刻，在光刻胶上形成PAD图形；
D、 使用ICP设备对Al2O3薄膜进行干法刻蚀，去除PAD图形区域里的Al2O3薄膜；
E、 在刻蚀掉的钝化层上蒸镀金属电极，形成P、N电极结构，然后去除光刻胶，并将去胶后的芯片放入管式炉中退火处理；
F、 将制备好电极的LED芯片放入等离子增强化学气相沉积PECVD设备腔体中，通入N2预热，然后通入稀释浓度为2-3%的硅烷、一氧化二氮（笑气）和氨气的混合气体，生长SiON增透膜；
G、使用湿法刻蚀工艺刻蚀掉P、N电极表面上的SiON，至此钝化层生长完毕。
所述的步骤B中，Al2O3薄膜采用MOCVD方法生长，包括以下具体步骤：
B1、将步骤A处理好的LED芯片放入LP-MOCVD设备的反应室中，此时腔体压力为20-100torr，石墨盘转速在500-900 r/min之间，在N2、Ar或二者混合气体的反应腔气氛下加热到400-680℃范围内，处理5-15 min；
B2、将Al源、O源通入反应室中，同时改变腔体压力为17-45torr，开始生长Al2O3薄膜，生长速率为0.5nm/min—10nm/min；
B3、生长过程结束后，将腔体压力提高到50-100torr，增加通入反应腔的N2流量通过吹扫降低温度，等待取出LED芯片。
所述的步骤B2中，Al2O3薄膜的生长环境温度为450-650℃，生长压力为25-45torr，生长厚度为10nm-100nm，石墨盘转速为500-900r /min。
所述的步骤B2中，生长Al2O3薄膜时通入的Al源与氧源的气体摩尔比为：Ⅵ/Ⅲ在100-3000之间。
所述的步骤F中，SiON薄膜采用PECVD方法生长，包括以下具体步骤：
F1、将E步骤完成电极工序的LED产品放入到等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备的反应腔中；
F2、使用流量为300-1000sccm的 N2预热5-10min，在N2流量不变的条件下进行等离子体处理3-5min，此时射频功率为10-30W；
F3、然后将稀释过的硅烷、一氧化二氮（笑气）和氨气的混合气体通入PECVD腔体，生长SiON增透膜。
所述的步骤F中，SiON增透膜的光学厚度为LED发光波长四分之一的奇数倍，它的折射率为n=（n空气×nP-GaN）1/2。
所述的步骤G之前还包括对SiON薄膜表面使用六甲基二硅胺（HMDS）作为增粘剂增粘处理，然后经过涂布正性光刻胶、曝光、显影工序。
本发明的有益效果为：提供了一种新型钝化膜的结构以及生长方法，使用自制的专用于生长氧化物材料的LP-MOCVD来生长Al2O3薄膜，这种金属有机化学沉积方法生长的材料致密性好，晶体质量高，可以很好的控制Al2O3薄膜生长速率。使用MOCVD法生长的Al2O3不仅可以完全包覆整个LED晶圆表面，而且将ICP刻蚀后暴露出的MQW有源区侧壁也完全覆盖，有效的钝化了整个LED，降低了LED的漏电情况，改善其电学特性。
制作P、N电极后使用PECVD法生长SiON薄膜，腔体先用N2预热可以使LED晶圆表面受热更加均匀，紧接着用N2等离子体处理晶圆表面可以增加SiON薄膜在Al2O3材料上的附着力。根据干涉相消的理论，如果SiON薄膜要起到增透膜的作用，PECVD沉积厚度为LED发光波长四分之一的奇数倍，并且薄膜的折射率为n=（n空气×nP-GaN）1/2 ，减小了LED晶圆表面层与外界空气之间的折射率差，增大了全反射临界角，提高器件的光提取效率。
附图说明
图1为本发明所述的LED芯片的剖面示意图。
图2为本发明所述的LED芯片的俯视图。
图中，1—图形衬底、2—N-GaN、3—量子阱MQW发光层、4—P-GaN、5—ITO导电膜、6—Al2O3钝化膜、7—SiON增透膜、8—P电极、9—N电极、10—Al2O3/SiON复合层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明，实施例中所用LP-MOCVD为自制专用于生长氧化物材料的MOCVD设备，型号为SCMD-600B，所用等离子体增强化学气相沉积PECVD为市售的型号为Plasmalab800Plus。
如图1和图2所示，本发明提供的一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构，包括图形衬底1、GaN基外延层、ITO导电膜5、P电极8、N电极9 和Al2O3/SiON复合层10，其中GaN基外延层包括N-GaN2、量子阱MQW发光层3和P-GaN4，Al2O3/SiON复合层10包括Al2O3钝化膜6和SiON增透膜7。上述实施例的制作方法如下所示：
1、清洗GaN基外延片，完成Mesa光刻、ICP干法蚀刻步骤，然后将芯片放入RPD设备中沉积ITO薄膜5，之后完成ITO膜层5的光刻步骤；
2、使用丙酮（ACE）、异丙醇（IPA）、去离子水清洗步骤1中的LED芯片，甩干后放入专用于生长氧化物材料的LP-MOCVD中，在温度为520℃、压力为35torr、石墨盘转速为750r/min条件下生长厚度为30nm的Al2O3薄膜6，生长时间10min，腔体氛围为氩气Ar；
3、等待MOCVD降温后取出LED芯片进行Pad光刻，之后放入ICP设备中使用氯气作为活性气体对Al2O3薄膜6进行刻蚀，完成后取出芯片进行Plasma（等离子）扫胶、甩干步骤，蒸镀P、N金属电极，然后去除光刻胶并将去胶后的芯片放入管式炉中退火处理；
4、将制备好P电极8、N电极9的LED芯片放入等离子增强化学气相沉积PECVD设备腔体中，通入400sccmN2预热10min，然后在射频功率为30W的条件下启辉5min，接着通入稀释程度为2-3%的硅烷、一氧化二氮（笑气）和氨气的混合气体来生长SiON增透膜7，三种气体的流量分别为400sccm、180sccm、120sccm，沉积厚度是1125Å，折射率为1.58；
5、使用湿法刻蚀工艺刻蚀掉P、N电极表面上的SiON薄膜7。
经过以上步骤即形成了本发明所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构。

Claims (9)

1.一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构，包括依次生长在衬底上的n型半导体层、发光层、p型半导体层和ITO导电层，n型半导体层制作有n型电极，ITO导电层上制作p型电极，其特征在于：所述n型电极、p型电极外侧的芯片上表面依次沉积有Al2O3层和SiON层。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构，其特征在于：所述的SiON层的光学厚度为LED发光波长四分之一的奇数倍，且SiON层的折射率为n=（n空气×nP-GaN）1/2。
3.一种LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，包括如下步骤：
A、 将完成ITO蚀刻后的LED芯片使用丙酮（ACE）、异丙醇（IPA）、去离子水进行清洗、甩干；
B、将甩干后的LED产品放入到生长Al2O3薄膜的MOCVD腔体中，再将MOCVD腔体升温到400-680℃，通入腔体Al源与O源，生长Al2O3薄膜充当电极钝化层；
C、 使用负性光刻胶对Al2O3薄膜进行PAD光刻，在光刻胶上形成PAD图形；
D、 使用ICP设备对Al2O3薄膜进行干法刻蚀，去除PAD图形区域里的Al2O3薄膜；
E、 在刻蚀掉的钝化层上蒸镀金属电极，形成P、N电极结构，然后去除光刻胶，并将去胶后的芯片放入管式炉中退火处理；
F、 将制备好电极的LED产品放入等离子增强化学气相沉积PECVD设备腔体中，通入N2预热，然后通入稀释过的硅烷、一氧化二氮和氨气的混合气体，生长SiON增透膜；
G、使用湿法刻蚀工艺刻蚀掉P、N电极表面上的SiON，至此钝化层生长完毕。
4.根据权利要求3所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤B中，Al2O3薄膜采用MOCVD方法生长，包括以下具体步骤：
B1、将步骤A处理好的LED芯片放入LP-MOCVD设备的反应室中，此时腔体压力为20-100torr，石墨盘转速在500-900 r/min之间，在N2、Ar或二者混合气体的反应腔气氛下加热到400-680℃范围内，处理5-15 min；
B2、将Al源、O源通入反应室中，同时改变腔体压力为17-45torr，开始生长Al2O3薄膜，生长速率为0.5nm/min—10nm/min；
B3、生长过程结束后，将腔体压力提高到50-100torr，增加通入反应腔的N2流量通过吹扫降低温度，等待取出LED芯片。
5.根据权利要求4所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤B2中，Al2O3薄膜的生长环境温度为450-650℃，生长压力为25-45torr，生长厚度为10nm-100nm，石墨盘转速为500-900r /min。
6.根据权利要求4所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤B2中，生长Al2O3薄膜时通入的Al源与氧源的气体摩尔比为：Ⅵ/Ⅲ在100-3000之间。
7.根据权利要求3或4所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤F中，SiON薄膜采用PECVD方法生长，包括以下具体步骤：
F1、将E步骤完成电极工序的LED产品放入到等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备的反应腔中；
F2、使用流量为300-1000sccm的 N2预热5-10min，再在N2流量不变的条件下进行等离子体处理3-5min；
F3、之后通入腔体稀释过的硅烷、一氧化二氮和氨气的混合气体，生长SiON增透膜。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤F中，SiON增透膜的光学厚度为LED发光波长四分之一的奇数倍，它的折射率为n=（n空气×nP-GaN）1/2。
9.根据权利要求7所述的LED芯片的Al2O3/SiON钝化层结构的生长方法，其特征在于：所述的步骤G之前还包括对SiON薄膜表面使用六甲基二硅胺进行增粘处理，然后经过涂布正性光刻胶、曝光、显影工序。
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