CN104882523A - 一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和n型GaN层上分别设置有金属电极；在所述透明导电层裸露的上表面和n型GaN层裸露的上表面及金属电极边缘区域均设置有折射率渐变的钝化层，所述的钝化层为氮化硅／氮氧化硅／氧化硅薄膜。通过采取折射率渐变的钝化层结构，使GaN LED芯片有源区产生的光能够更多的被提取出来，提高了GaNLED芯片的外量子效率，也就提高了GaN LED芯片的亮度；同时由于钝化层结构中增加了氮化硅薄膜和氮氧化硅薄膜，提高了GaN LED芯片的可靠性；本发明所述的GaN基发光二极管芯片的制备方法没有增加额外的步骤，在成本没有提高的基础上提高了芯片亮度，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
GaN、InN、A1N等具有对称六方晶系结构的III-V族半导体材料，都是直接能隙，因此非常适合于作为发光器件的材料，其中根据成分的不同，可以得到禁带宽度从6.5eV到0.7eV的三元或四元化合物半导体，所对应的发光波长涵盖深紫外光到远红外光的波段范围。由于GaN系列半导体的这个特点，使得GaN系列半导体材料广泛应用于LED与LD等光电器件上。
早期由于GaN晶体与生长衬底的晶格常数不匹配，使得GaN系列蓝绿光LED外延生长品质与GaAs系列红黄光LED相比相差甚远，直到日本日亚公司成功的将GaN蓝绿光LED结构生长于(0001)蓝宝石衬底上，使得人类拥有全彩LED的梦想得以实现。相对于Si、SiC等其它衬底，蓝宝石衬底有稳定性高、技术成熟、机械强度高、性价比高等优点，因此使用蓝宝石衬底仍然是现在发光二极管产业的主流。
LED作为光源有着许多无可比拟的优点：发光密度高，电流可以直流注入，极高的内量子效率，长寿命，体积小以及绿色环保。然而所有半导体LED都面临着同一个问题，如何提高LED的外量子效率，而外量子效率等于内量子效率与光提取效率的乘积，目前高质量的LED的内量子效率已经达到90％以上，但是由于光提取效率非常低，以及半导体材料的吸收，被吸收的光能被转换为热能，致使晶片结温升高，由此又导致LED的色偏，寿命以及电光转换效率降低等不利影响。所以如何提高LED的外量子效率的关键在于如何让内部有源区发出的光辐射出来。这主要是因为GaN基的外延层材料、蓝宝石衬底材料与空气之间的折射率差较大，导致有源区产生的光在不同的折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。根据全反射定律，GaN材料的折射率大约在2.5，光与GaN材料直接发射到空气中的全反射角为23.58度，目前主流的GaN LED芯片都采用ITO透明导电层结构，ITO折射率大约为1.7，光ITO到空气中的全反射角为36.03度，仍然有大量的光无法由LED芯片内部发出。
目前GaN LED芯片表面都会沉积一层钝化层以保护芯片的表面，一方面可以提高芯片的可靠性，另外一方面由于钝化层的折射率介于GaN及空气之间，也在一定程度上提高了芯片的光提取效率。
中国专利CN100362673C提出了一种提高半导体发光二极管光提取效率的表面钝化方法，该专利在LED的出光面制备SiOxNy增透膜：通入硅烷，氮气，一氧化二氮的混合气或者硅烷，氨气，一氧化二氮混合气，使用高、低频源交替的方法用PECVD生长钝化层的光学厚度为LED发射波长四分之一的奇数倍，折射率为P型半导体折射率的开方。该方法可以在一定程度上提高光提取效率，但是仍然有一定的提高空间。另外，由于目前主流的GaN基LED芯片工艺都会在P型GaN层表面制作一层透明导电膜，透明导电膜的折射率介于P型GaN与空气之间，该专利已经不再适合目前的GaN基LED芯片工艺。
中国专利CN102569564A公开了一种SiOx钝化膜的沉积方法及具有该钝化膜的LED芯片，该专利提供的方法中多次反复沉积，每次沉积后用等离子体轰击钝化膜，使钝化膜中的Si原子充分被氧化，可改善SiOx膜层质量，提高钝化膜的致密性，从而提高钝化效果。本专利提出的钝化膜生长方法虽然可以改善SiOx钝化层的质量及致密性，但是没有考虑到钝化层对光提取效率的影响。
综上所述，针对现有发光二极管光提取效率低的问题，相关人员在钝化层方面也进行了一些研究，但是相对而言研究的还是比较少，还有很大的提升空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片。
本发明还公开了上述GaN基发光二极管芯片的制备方法。
术语解释：
1、LED：Light Emitting Diode，发光二极管；
2、LD：Laser Diode，激光二极管；
3、ITO：Indium Tin Oxide，氧化铟锡，是一种透明导电薄膜；
4、PECVD：Plasma Enhanced Chemicai Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法。
本发明的技术方案如下：
一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和n型GaN层上分别设置有金属电极；在所述透明导电层裸露的上表面和n型GaN层裸露的上表面及金属电极边缘区域均设置有折射率渐变的钝化层；
根据本发明优选的，所述透明导电层为ITO透明导电薄膜。
根据本发明优选的，所述钝化层自下而上依次为氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜。
根据本发明优选的，所述氮化硅折射率为1.8-2.1，氮氧化硅折射率为1.5-1.8，氧化硅的折射率为1.4-1.5，三种薄膜折射率关系为：氮化硅>氮氧化硅>氧化硅。
根据本发明优选的，所述氮化硅厚度为氮氧化硅厚度为氧化硅的厚度为
一种上述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，包括步骤如下：
(1)利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构；
根据本发明优选的，在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为Cl2或BCl2。在进行步骤(1)中的干法刻蚀之前，首先在GaN基外延片的p型GaN层的上表面涂正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出可供后续ICP刻蚀出台面结构的图形。干法刻蚀完成后，对GaN基外延片进行去胶清洗。
(2)在所述p型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜；
根据本发明优选的，所述步骤(2)的具体步骤为：首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出只保留p型GaN层上对应的ITO透明导电膜。
(3)分别在所述ITO透明导电膜和n型GaN层上制备p型电极和n型电极；
根据本发明优选的，步骤(3)所述制备p型电极和n型电极的方法为：在经步骤(2)处理后的GaN基外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，在ITO透明导电膜和n型GaN层上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述p型电极区域和n型电极区域分别沉积Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到p型金属电极和n型金属电极。
(4)在所述GaN基发光二极管芯片表面沉积钝化层；
根据本发明优选的，步骤(4)所制备的钝化层方法为：在所述步骤(3)完成的芯片表面使用PECVD方法自下而上依次沉积氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜作为钝化层。
(5)对所述步骤(4)完成后的芯片经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉p型金属电极和n型金属电极表面的钝化层薄膜，即得GaN基发光二极管芯片。
本发明的有益效果：
1、本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，通过采取折射率渐变的钝化层结构，使GaN LED芯片有源区产生的光能够更多的被提取出来，提高了GaN LED芯片的外量子效率，也就提高了GaN LED芯片的亮度。
2、本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，钝化层结构中增加了氮化硅薄膜和氮氧化硅薄膜，相对于常规的氧化硅薄膜，钝化层的保护性更强，提高了GaN LED芯片的可靠性。
3、本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法没有增加额外的步骤，在成本没有提高的基础上提高了芯片亮度，适合批量化生产。
附图说明
图1是制备本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的步骤(1)所制得的衬底剖视示意图；
图2是制备本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的步骤(2)制得的衬底剖视示意图；
图3是制备本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的步骤(3)制得的衬底剖视示意图；
图4是制备本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的步骤(4)制得的衬底剖视示意图；
图5是制备本发明所述钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的步骤(5)制得的衬底剖视示意图；
图6是本发明所述多层钝化层结构剖视示意图。
在图1-6中，1、p型GaN层，2、量子阱层，3、n型GaN层，4、透明导电层，5、金属电极，6、钝化层，7、氮化硅层，8、氮氧化硅层，9、氧化硅层。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明，所提供的实例为本发明的优选实例，但不限于此。
实施例1、
如图5所示。
一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的n型GaN层3、量子阱层2、p型GaN层1和透明导电层4；在所述透明导电层4和n型GaN层3上分别设置有金属电极5；在所述透明导电层4裸露的上表面和n型GaN层3裸露的上表面及金属电极边缘区域均设置有折射率渐变的钝化层6；
所述钝化层6自下而上依次包括厚度为的氮化硅薄膜7、厚度为的氮氧化硅薄膜8、厚度为的氧化硅薄膜9。
实施例2、
根据实施例1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其区别在于钝化层6自下而上依次包括厚度为的氮化硅薄膜7、厚度为的氮氧化硅薄膜8、厚度为的氧化硅薄膜9。
实施例3、
根据实施例1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其区别在于钝化层6自下而上依次包括厚度为的氮化硅薄膜7、厚度为的氮氧化硅薄膜8、厚度为的氧化硅薄膜9。
实施例4、
根据实施例1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其区别在于钝化层6自下而上依次包括厚度为的氮化硅薄膜7、厚度为的氮氧化硅薄膜8、厚度为的氧化硅薄膜9。
实施例5、
一种如实施例1所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，包括步骤如下：
(1)如图1所示，利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构；
在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为C12或BCl2。在进行步骤(1)中的干法刻蚀之前，首先在GaN基外延片的p型GaN层的上表面涂3μm厚的正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出可供后续ICP刻蚀出台面结构的图形，其中使用热板在98℃下烘烤1-2min进行对准，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98℃下烘烤1-2min。对使用ICP刻蚀完成后，进行去胶清洗；将ICP刻蚀后的GaN基外延片放入丙酮中超声5-10min，然后在乙醇中超声10min，取出后使用去离子水冲洗10min，去除GaN基外延片表面的光刻胶；
(2)如图2所示，在所述p型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜，具体步骤为：首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层2500埃的ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上2μm厚的正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出只保留p型GaN层上对应的IT0透明导电膜，其中使用热板在98℃下烘烤1-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98℃下烘烤1-2min，放入浓度为25-30wt％的HCl溶液中腐蚀15-30min，腐蚀掉未被正性光刻胶保护的ITO透明导电膜，放入丙酮中超声5-10min，然后在乙醇中超声10min，取出后使用去离子水冲洗10min，进而去除GaN基外延片表面的光刻胶；
(3)如图3所示，分别在所述ITO透明导电膜和n型GaN层上制备p型电极和n型电极，得GaN基发光二极管芯片，其中所述制备p型电极和n型电极的方法为：在经步骤(4)处理后的GaN基外延片上涂上3.5μm厚的负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，其中用热板在98℃下烘烤1-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98℃下烘烤1-2min，在IT0透明导电膜和n型GaN层上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述p型电极区域和n型电极区域分别沉积2μm厚的Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到p型金属电极和n型金属电极。
(4)如图4所示，对所述步骤(3)所制得的GaN基发光二极管芯片制备钝化层：首先沉积一层氮化硅薄膜：沉积温度为300℃，通入硅烷，氮气，氨气的流量分别为400sccm，600sccm，20sccm，在20W13.56MHz射频源条件下进行生长5min；然后沉积一层氮氧化硅薄膜：沉积温度为300℃，通入硅烷，氨气，一氧化氮的流量分别为400sccm，20sccm，40sccm，在20W13.56MHz射频源条件下进行生长5min；最后沉积一层氧化硅薄膜：沉积温度为300℃，通入硅烷，一氧化氮的流量分别为500sccm，300sccm，在30W13.56MHz射频源条件下进行生长3min。
(5)如图5所示，对所述步骤(4)完成后的芯片经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉p型金属电极和n型金属电极表面的钝化层薄膜，完成钝化层的制作。其具体操作步骤为：在所述钝化层的表面涂上2μm的正性光刻胶，使用热板在98℃下烘烤1-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98℃下烘烤1-2min，放入Si02腐蚀液中腐蚀30-60sec，腐蚀掉未被光刻胶保护的Si02薄膜，放入丙酮中超声5-10min，然后在乙醇中超声10min，取出后使用去离子水冲洗10min，去除表面的光刻胶，形成钝化层的制作，得到钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管。
实施例6、
一种如实施例5所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其区别在于步骤(5)的钝化层制作具体步骤如下：在所述钝化层的表面涂上2μm的正性光刻胶，使用热板在98℃下烘烤1-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98℃下烘烤1-2min；使用干法刻蚀的方式刻蚀掉未被光刻胶保护的钝化层薄膜，使用的刻蚀气体为六氟化硫；刻蚀完成后放入丙酮中超声5-10min，然后在乙醇中超声10min，取出后使用去离子水冲洗10min，去除表面的光刻胶，形成钝化层的制作，得到钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片。
Claims (10)
1.一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和n型GaN层上分别设置有金属电极，其特征在于，在所述透明导电层裸露的上表面和n型GaN层裸露的上表面及金属电极边缘区域均设置有折射率渐变的钝化层。
2.根据权利要求1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述透明导电层为ITO透明导电膜。
3.根据权利要求1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述钝化层自下而上依次为氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述氮化硅折射率为1.8-2.1，氮氧化硅折射率为1.5-1.8，氧化硅的折射率为1.4-1.5，三种薄膜折射率关系为：氮化硅>氮氧化硅>氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述氮化硅厚度氮氧化硅厚度氧化硅的厚度
6.一种如权利要求1所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构；
(2)在所述p型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜；
(3)分别在所述ITO透明导电膜和n型GaN层上制备p型电极和n型电极；
(4)在所述GaN基发光二极管芯片表面沉积钝化层；
(5)对所述步骤(4)完成后的芯片经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉p型金属电极和n型金属电极表面的钝化层薄膜，即得GaN基发光二极管芯片。
7.如权利要求6所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为Cl2或BCl2。
8.如权利要求6所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出只保留p型GaN层上对应的ITO透明导电膜。
9.如权利要求6所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述制备p型电极和n型电极的方法为：在经步骤(2)处理后的GaN基外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，在ITO透明导电膜和n型GaN层上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述p型电极区域和n型电极区域分别沉积Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到p型金属电极和n型金属电极。
10.如权利要求6所述的钝化层折射率渐变的GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤(4)所制备的钝化层方法为：在所述步骤(3)完成的芯片表面使用PECVD的方法自下而上依次沉积氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氧化硅薄膜作为钝化层。
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