CN105047783B - 一种氮化物半导体发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物半导体发光器件及其制备方法，涉及GaN基发光器件。所述氮化物半导体发光器件，从下往上依次设有衬底、缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN多量子阱有源层、p型层，p型层上设有闭合环形回路光刻胶图形，在闭合环形回路光刻胶图形上溅射双金属电极层。通过在传统结构的LED外延层p型GaN薄膜上方采用光刻技术进行涂胶、曝光、显影，在其表面形成具有闭合回路形状的光刻图形；然后采用磁控溅射法在图形上沉积金属层，紧接着将样品表面光刻胶剥离干净，形成环形电极；最后将长完电极的样品放入扩散炉中进行退火合金化，从而得到一种氮化物半导体发光器件。工艺简单、成本低，实现器件中高分辨率发光图像控制。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基发光器件，尤其是涉及结构新颖独特、制备工艺简易、低成本的一种氮化物半导体发光器件及其制备方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)为代表的I II-族氮化物材料属于第三代半导体材料，具有宽的直接带隙以及优异的物理和化学性质，是制作发光器件的理想材料。由于GaN材料具有介电常数小、热稳定性好、禁带宽度大、热导率高和化学性质稳定等一系列优点，使得GaN材料在发光二极管(LED)、激光器以及太阳能电池等发光、照明领域具备广阔的应用前景。在照明领域，基于GaN基LED的白光LED可以用于背光源、路灯与景观照明、通用照明以及显示等。目前GaN基LED主要包括传统的正装结构、倒装结构以及垂直结构。三种结构的制备过程包括多次光刻、GaN刻蚀、电极制备、退火、激光剥离等高温高能量工艺，其对LED芯片成品率、制作成本等都产生负面影响(S.J.Wang,K.M.Uang,etal.Appl.Phys.Lett.,2005,87(1):011111(1-3).)。在信息显示领域，红绿蓝无机发光二极管与其他器件相比，有着色域宽、发光效率高、材料性能稳定等优点，目前主要用于户外大屏幕显示以及交通信号灯等低分辨率应用领域。但在PC、手机、电视等显示领域，需要满足高分辨率(>100ppi)、工艺简单等要求，传统的LED工艺引用上下电极结构、多次光刻、刻蚀等步骤，使得制备高精度、超小尺寸(<10um)的显示单元非常困难，所以目前主要采用LCD和OLED阵列的显示技术，但LCD的光透过率一般低于5％，而OLED由于量子效率低，二者的功耗都很高，严重影响设备电源的使用时间。因此，如何回避传统LED过于复杂的工艺流程是无机发光二极管应用于显示领域的需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供结构新颖的一种氮化物半导体发光器件。
本发明的另一目的在于提供可缩短工艺制备流程、节约生产成本，实现器件中高分辨率发光图像控制，不仅解决了传统LED工艺流程复杂的问题，还为制备高精度、高分辨率LED阵列显示单元的一种氮化物半导体发光器件的制备方法。
所述氮化物半导体发光器件，从下往上依次设有衬底、缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN多量子阱有源层、p型层，p型层上设有闭合环形回路光刻胶图形，在闭合环形回路光刻胶图形上溅射双金属电极层。
所述衬底可采用适于III族氮化物生长的衬底，所述适于III族氮化物生长的衬底可选自蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底等。
所述p型层可选自p型GaN层、p型AlGaN层或p型InGaN层等，所述p型层的厚度不小于10nm。
所述n型GaN层的厚度可为2～10nm，p型InGaN层的厚度可为2～10nm。
所述p型层表面还可以覆盖透光导电层，所述透光导电层包括但不限于ITO层。
所述氮化物半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂的GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源区和p型GaN层等GaN基外延层，并在外延片生长完成后进行高温退火，以提高空穴浓度；
2)在步骤1)得到的外延片上对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影，在p型GaN层表面形成具有闭合回路形状的光刻图形；
3)在步骤2)得到的光刻图形上制备金属电极；
4)将步骤3)所得样品放入热丙酮中浸泡，将样品表面光刻胶剥离干净，形成闭合回路电极；或将步骤3)所得样品在超声机中搁置5～100s；
5)将步骤4)得到的样品退火合金化，在环形电极上制作引线，即得氮化物半导体发光器件。
在步骤1)中，所述生长可采用金属有机化学沉积(MOCVD)、氢气相沉积(HVPE)、分子束外延(MBE)等方法。
在步骤2)中，所述对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影可采用光刻技术对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影。
在步骤3)中，所述制备金属电极可采用磁控溅射法、蒸镀、电子束蒸发等技术在光刻图形上制备金属电极；所述金属电极最好采用Ni/Au双金属层，或Ti/Al/Ni/Au多金属层，或Ni/Cu双金属层等，所述Ni/Au双金属层中Ni的厚度可为5～100nm，Au的厚度可为5～100nm。
在步骤4)中，所述热丙酮的温度可为20～150℃。
在步骤5)中，所述退火合金化可采用将样品放入扩散炉中进行退火合金化，退火的温度可为300～700℃，退火的气氛可为氧气、空气等，退火的时间可为3～15min；当环形电极上的注入电流达到某一个值时，器件开始发光。当电极为非透明材料时，发光区域为未长电极的GaN上的特定区域；当电极为透明结构时，发光区域也包括电极下方。
本发明公开了一种结构新颖、制备工艺简易、低成本的GaN基蓝绿光发光器件的制作方法。通过在传统结构的LED外延层p型GaN薄膜上方采用光刻技术进行涂胶、曝光、显影，在其表面形成具有闭合回路形状的光刻图形；然后采用磁控溅射法在图形上沉积Ni/Au(10nm/50nm)双金属层，紧接着将样品表面光刻胶剥离干净，形成环形电极；最后将长完电极的样品放入扩散炉中进行退火合金化，从而得到一种新型的、低成本的GaN基发光器件。
目前GaN基LED主要包括传统的正装结构、倒装结构以及垂直结构。三种结构的制备过程包括多次光刻、GaN刻蚀、电极制备、退火、激光剥离等高温高能量工艺，其对LED芯片成品率、制作成本等都产生负面影响。在信息显示领域，红绿蓝无机发光二极管与其他器件相比，有着色域宽、发光效率高、材料性能稳定等优点，目前主要用于户外大屏幕显示以及交通信号灯等低分辨率应用领域。但在PC、手机、电视等显示领域，需要满足高分辨率(>100ppi)、工艺简单等要求，传统的LED工艺引用上下电极结构、多次光刻、刻蚀等步骤，使得制备高精度、超小尺寸(<10um)的显示单元非常困难，所以目前主要采用LCD和OLED阵列的显示技术，但LCD的光透过率一般低于5％，而OLED由于量子效率低，二者的功耗都很高，严重影响设备电源的使用时间。因此，如何回避传统LED过于复杂的工艺流程是无机发光二极管应用于显示领域的需要解决的问题。本发明的目的在于提供一种新颖的，简便的GaN基发光器件的制备工艺，采用这种工艺不但可以大大缩短工艺制备流程、节约生产成本，还能实现器件中高分辨率发光图像的控制。不仅解决了传统LED工艺流程复杂的问题，而且为制备高精度、高分辨率LED阵列显示单元提供了可能性。
附图说明
图1为本发明所需的传统蓝光LED外延结构图。
图2为本发明的在p型GaN层上利用光刻技术获得闭合环形回路光刻胶图形示意图。
图3为本发明的在光刻胶图形上生长Ni/Au(10nm/50nm)双金属层示意图。
图4为本发明的器件结构俯视图(图示为生长完Ni/Au双金属层，去掉光刻胶后的环形电极)。
图5为本发明的器件发光实物图，其中正、负两个电极都在样品表面，并都为环形，正极圆环内部发光。
图6为本发明的器件发光实物图，其中正、负两个电极都在样品表面，正电极为环形，负电极为大面积金属薄膜，正电极圆环内部发光。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施实例作进一步说明。
参见图1～4，本发明所述氮化物半导体发光器件实施例，从下往上依次设有衬底1、缓冲层2、未掺杂GaN层3、n型GaN层4、InGaN多量子阱有源层5、p型层6，p型层6上设有闭合环形回路光刻胶图形7，在闭合环形回路光刻胶图形7上溅射双金属电极层8。
所述衬底可采用适于III族氮化物生长的衬底，所述适于III族氮化物生长的衬底可选自蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底等。
所述p型层可选自p型GaN层、p型AlGaN层或p型InGaN层等，所述p型层的厚度不小于10nm。
所述n型InGaN层的厚度可为2～10nm，p型InGaN层的厚度可为2～10nm。
所述p型层表面还可以覆盖透光导电层，所述透光导电层包括但不限于ITO层。
所述氮化物半导体发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂的GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源区和p型GaN层等GaN基外延层，并在外延片生长完成后进行高温退火，以提高空穴浓度；所述生长可采用金属有机化学沉积(MOCVD)、氢气相沉积(HVPE)、分子束外延(MBE)等方法。
2)在步骤1)得到的外延片上对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影，在p型GaN层表面形成具有闭合回路形状的光刻图形；所述对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影可采用光刻技术对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影。
3)在步骤2)得到的光刻图形上制备金属电极；所述制备金属电极可采用磁控溅射法、蒸镀、电子束蒸发等技术在光刻图形上制备金属电极；所述金属电极最好采用Ni/Au双金属层，或Ti/Al/Ni/Au多金属层，或Ni/Cu双金属层等，所述Ni/Au双金属层中Ni的厚度可为5～100nm，Au的厚度可为5～100nm。
4)将步骤3)所得样品放入热丙酮中浸泡，将样品表面光刻胶剥离干净，形成闭合回路电极；或将步骤3)所得样品在超声机中搁置5～100s；所述热丙酮的温度可为20～150℃。
5)将步骤4)得到的样品退火合金化，在环形电极上制作引线，即得氮化物半导体发光器件。所述退火合金化可采用将样品放入扩散炉中进行退火合金化，退火的温度可为300～700℃，退火的气氛可为氧气、空气等，退火的时间可为3～15min；当环形电极上的注入电流达到某一个值时，器件开始发光。当电极为非透明材料时，发光区域为未长电极的GaN上的特定区域；当电极为透明结构时，发光区域也包括电极下方。
以下给出具体实施例。
实施例1
1.如图1所示在清洗干净的传统结构蓝光LED外延层p型GaN膜层6上通过光刻技术获得具有闭合环形回路的光刻胶图形7(图2所示)。
2.如图3所示，利用磁控溅射技术在如图2所示的光刻胶图形上淀溅射Ni/Au(10nm/50nm)双金属层8。
3.将长完金属的样品放入热丙酮中浸泡一段时间，然后超声20s，将样品表面光刻胶剥离干净，形成环形电极(如图4所示)。
4.将长完电极的样品放入扩散炉中进行退火合金化。退火温度为500℃，退火气氛为氧气，退火时间5min。
5.样品进行退火合金化后，在环形电极上制作引线，一个完整的、全新结构的LED器件制作完成。当在两个电极间加电压时，在加正电压的电极所构成的环形回路内发光(如图5所示)。
实施例2：
上述实施例1中，将负电极连接到大面积金属，将正电极与环形电极相连，在正向偏压下可以得到环形电极闭合回路内的发光(如图6所示)。通过将正电极连接到不同的圆环，可以得到不同圆环的发光。
Claims (8)
1.一种氮化物半导体发光器件，其特征在于其从下往上依次设有衬底、缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN多量子阱有源层、p型层，p型层上设有闭合环形回路光刻胶图形，在闭合环形回路光刻胶图形上溅射双金属电极层；
所述衬底采用适于III族氮化物生长的衬底，所述适于III族氮化物生长的衬底选自蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底；
所述p型层选自p型GaN层、p型AlGaN层或p型InGaN层，所述p型层的厚度不小于10nm；所述n型GaN层的厚度为2～10nm。
2.如权利要求1所述一种氮化物半导体发光器件，其特征在于所述p型层表面覆盖透光导电层，所述透光导电层包括但不限于ITO层。
3.如权利要求1所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在衬底上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂的GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源区和p型GaN层等GaN基外延层，并在外延片生长完成后进行高温退火，以提高空穴浓度；
2)在步骤1)得到的外延片上对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影，在p型GaN层表面形成具有闭合回路形状的光刻图形；
3)在步骤2)得到的光刻图形上制备金属电极；
4)将步骤3)所得样品放入热丙酮中浸泡，将样品表面光刻胶剥离干净，形成闭合回路电极；或将步骤3)所得样品在超声机中搁置5～100s；
5)将步骤4)得到的样品退火合金化，在环形电极上制作引线，即得氮化物半导体发光器件。
4.如权利要求3所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述生长采用金属有机化学沉积、氢气相沉积、分子束外延方法。
5.如权利要求3所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影采用光刻技术对p型GaN层表面进行涂胶、曝光、显影。
6.如权利要求3所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述制备金属电极采用磁控溅射法、蒸镀、电子束蒸发技术在光刻图形上制备金属电极；所述金属电极采用Ni/Au双金属层，或Ti/Al/Ni/Au多金属层，或Ni/Cu双金属层，所述Ni/Au双金属层中Ni的厚度为5～100nm，Au的厚度为5～100nm。
7.如权利要求3所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述热丙酮的温度为20～150℃。
8.如权利要求3所述氮化物半导体发光器件的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述退火合金化采用将样品放入扩散炉中进行退火合金化，退火的温度为300～700℃，退火的气氛为氧气、空气，退火的时间为3～15min。
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