CN108461593B - 具有纳米级二氧化硅光栅钝化层的GaN基发光二极管及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管及其加工方法，包括衬底和外延层，外延层包括AlN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、In0.16Ga0.84N多量子阱层、p‑AlGaN/GaN电子阻挡层和p型GaN层，刻蚀部分外延层至n型GaN层，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；在p型GaN层上设置ITO层、SiO2钝化层和P电极，在刻蚀暴露出的n型GaN层上设置N电极，N电极与n型GaN层之间沉积有SiO2钝化层，凸起结构侧壁上沉积有SiO2钝化层；其中，ITO层和SiO2钝化层具有沿P电极或N电极的形状均匀分布的图形化通孔结构。本发明一方面对发光二极管表面进行保护，并限制漏电流的产生，同时对电流进行扩展，减小电流集聚，提高了出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有纳米级SiO2光栅钝化层的高效率GaN基发光二极管结构及其加工方法。
背景技术
GaN基发光二极管，尤其是蓝光发光二极管，因其具有发光效率高，使用寿命长特性，广泛应用于各种器件中，涉及照明领域、全色显示以及应用于生物、医疗、化工和光通信等领域，具有极大的市场潜力。而对其发光效率的提高和使用寿命的延长更是一个不断研究的话题。
因其GaN(n＝2.5)，平滑的ITO(n＝2.08)和环境空气(n＝1)之间的界面处发生的全内反射限制了光提取效率，有意粗糙化LED表面可以提高LED的光提取效率。
GaN基发光二极管，在其对外延片加工处理后，需要在芯片表面生长一层钝化层，防止芯片受到杂质的影响，减小漏电流和非辐射复合中心，同时隔绝p、N电极，防止短路。
GaN基发光二极管，一般常用为水平和倒装结构。在本研究中的水平结构发光二极管，因其电流在水平方向扩展受到台阶的阻碍，造成电流在电极附近聚集，热量集中并且复合产生的光子易被电极吸收，导致发光二极管外量子效率和寿命大大减小。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的旨在提出一种高光效的GaN基发光二极管结构，并同时提供一种GaN基发光二极管制作方法，使其改善电流扩展同时提高发光二极管的发光效率。
本发明上述第一个目的，其技术解决方法是：
一种具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管，包括图形化蓝宝石衬底和外延层，所述外延层包括依次层状叠加在蓝宝石衬底上的AlN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、In0.16Ga0.84N多量子阱层、p-AlGaN/GaN电子阻挡层和p型GaN层，刻蚀部分外延层至n型GaN层，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；在p型GaN层上设置ITO层、SiO2钝化层和P电极，在刻蚀暴露出的n型GaN层上设置N电极，N电极与n型GaN层之间沉积有SiO2钝化层，凸起结构侧壁上沉积有SiO2钝化层；其中，所述ITO层上具有沿P电极形状均匀分布且垂直于ITO层的图形化通孔结构，所述SiO2钝化层具有沿P电极和N电极的形状均匀分布且垂直于SiO2钝化层的纳米级图形化通孔结构。
所述ITO层上的图形化通孔结构为圆柱通孔。
所述SiO2钝化层上的纳米级图形化通孔结构为圆柱、矩形或三角形通孔，通孔尺寸量级为亚波长级。
上述具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管的加工方法，包括以下步骤：
(一)在衬底上生长外延层，然后利用ICP刻蚀部分外延层，暴露出n型GaN层，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；
(二)在p型GaN层上沉积ITO层，利用光刻和ICP技术在ITO层上刻蚀出图形化通孔结构；
(三)在整体芯片表面沉积SiO2钝化层后，利用纳米压印技术在SiO2钝化层上刻蚀出图形化通孔结构；
(四)使用电子束蒸镀技术在SiO2钝化层表面沿图形化通孔结构分别制备P电极和N电极。
步骤(一)中，所述的衬底为图形化蓝宝石衬底，使用MOCVD生长外延层，其结构包括依次层状叠加在蓝宝石衬底上的AlN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、In0.16Ga0.84N多量子阱、p-AlGaN/GaN电子阻挡层、p型GaN层。
步骤(二)中，在p型GaN上使用电子束蒸镀技术沉积ITO层，复合利用光刻和ICP技术在ITO层上刻蚀出圆柱形通孔，沿P电极形状均匀分布在ITO层。
步骤(三)中，利用PECVD沉积SiO2钝化层，然后复合利用纳米压印技术、RIE刻蚀和等离子体灰化机在SiO2钝化层上刻蚀出通孔，所述通孔沿P电极和N电极形状均匀分布在SiO2钝化层中。
上述加工方法，具体包括以下步骤：
(1)提供一层图形化蓝宝石衬底；
(2)利用反应磁控溅射技术溅射一层AlN成核层；
(3)生长GaN缓冲层；
(4)生长n型GaN层；
(5)生长InGaN/GaN超晶格层；
(6)生长In0.16Ga0.84N多量子阱层；
(7)生长p-AlGaN/GaN电子阻挡层；
(8)生长p型GaN层；
(9)在生长好的外延片上旋涂光刻胶，再进行热回流工艺，使得光刻胶形成梳齿型结构；
(10)进行ICP刻蚀，暴露出n型GaN层；
(11)去除p型GaN层表面光刻胶；
(12)利用电子束蒸发技术在p型GaN层上沉积ITO层；
(13)利用光刻和ICP刻蚀ITO层；
(14)去除ITO层表面光刻胶；
(15)利用PECVD技术沉积SiO2钝化层；
(16)利用纳米压印技术在SiO2钝化层上制备纳米级圆柱通孔；
(17)蒸镀Cr/Pt/Au作为P电极和N电极。
所述步骤(13)中，在ITO层上刻蚀的图形为沿P电极形状均匀排列的圆柱通孔阵列：圆柱的直径为8-10μm，深度为230nm，间隔为25-27μm。
所述的步骤(16)具体为：利用纳米压印技术在SiO2钝化层上制备沿P电极、N电极均匀排列的纳米级圆柱通孔阵列，其中，圆柱的直径为450nm，深度为200nm，间隔为23-25μm。
本发明提出在原有的ITO层上使用圆柱形通孔，沿P电极、N电极形状均匀分布在ITO层，使得光滑的ITO层粗化后，打破原有的全反射界面，使光子出射概率提高，进而提高出光效率。这是区别现有GaN基发光二极管创新点之一
本发明提出在原有的SiO2钝化层上使用圆柱形通孔结构，首先钝化层防止芯片受到杂质的影响，减小漏电流和非辐射复合中心，同时隔绝P、N电极；再者纳米级的圆孔均匀分布在对应于P、N电极的ITO层上，起着光栅的作用，虽然减少了传统无孔的角度区域的出光率，但扩展了出光的角度区域，进而从总体上提高了发光二极管的发光效率；最后位于ITO层和电极之间的SiO2钝化层，通过ITO层孔沉积在p-GaN上，充当着电流阻挡层对电流扩展，使电流均匀分布在发光二极管内部，同时减少电极对光子的吸收。这是区别现有GaN基发光二极管创新点之二。
本发明一方面对发光二极管表面进行保护，并限制漏电流的产生，另一方面对电流进行扩展，减小电流集聚，最后图形化的ITO层和SiO2光栅结构钝化层有效提高了发光二极管出光效率。
附图说明
图1为本发明GaN基发光二极管的结构示意图；
图2为本发明GaN基发光二极管的制造流程图；
图3为本发明GaN基发光二极管的俯视示意图；
图4为本发明的GaN基发光二极管与传统的GaN基发光二极管光输出功率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
在本实施例中，GaN基发光二极管，如图1所示，其包括图形化蓝宝石衬底1，AlN成核层2、GaN缓冲层3、n型GaN层4、InGaN/GaN超晶格层5，In0.16Ga0.84N多量子阱层6，p-AlGaN/GaN电子阻挡层7，p型GaN层8，ITO层9，SiO2钝化层10，P电极和N电极。
本发明发光二极管制造流程图参照图2，具体实施步骤如下：
(1)将清洗干净的c面图形化蓝宝石衬底1放置在可旋转的基板上；
(2)将反应室抽成2.5×10-3Pa的真空室，通入H2；
(3)在温度为1010℃的条件下，生长一层25nm厚的AlN成核层；
(4)在温度为525℃的条件下，生长一层3μm厚的GaN缓冲层；
(5)在温度为1010℃的条件下，生长2.5μm的n-GaN层，Si的掺杂浓度为1×1019/cm-3；
(6)通入N2；
(7)生长500nm厚InGaN/GaN超晶格层，InGaN和GaN的生长温度分别控制在750℃和800℃；
(8)生长12周期In0.16Ga0.84N/GaN多量子阱层，其中In0.16Ga0.84N层的厚度为3nm，GaN层厚度为12nm，InGaN和GaN的生长温度分别控制在730℃和820℃；
(9)通入N2和H2；
(10)在温度为900℃的条件下，生长一层48nm厚的p-AlGaN/GaN电子阻挡层；
(11)在温度为945℃的条件下，生长一层50nm厚的p型GaN层，p-GaN中Mg的掺杂浓度为1×1020/cm-3；
(12)在N2气氛、550℃温度条件下，退火20min，外延生长过程结束；
(13)外延片上旋涂光刻胶，再进行热回流工艺。光刻胶的厚度为1-2μm，匀胶速度为:低速下900r/min，持续10s，后转入高速：4000r/min持续50s，涂后在90℃的热板上烘烤1min；
(14)外延片光刻，参数如下：光刻时间：14s，设备电压：60v，电流：1mA；
(15)ICP刻蚀外延片，刻蚀到n型GaN层，刻蚀的气压：10mTorr；刻蚀的时间：10min；刻蚀的深度：1μm；刻蚀的气体为Cl2、BCl3，刻蚀的速率比：1:3；
(16)超净间去胶，利用浸入丙酮溶液的外延片放入超声清洗机中，调节参数：超声的频率为20Hz，时间为1min，并用酒精和去离子水清洗，重复此步骤，直至清洗干净；此时，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；
(17)电子束蒸镀在p型GaN上沉积ITO层，ITO层的厚度为230nm；
(18)ITO层上匀涂光刻胶，光刻胶的厚度为1-2μm，匀胶速度为:低速下900r/min持续10s，后转入高速：4000r/min，持续50s，涂后在90℃的热板上烘烤1min；
(19)ITO层光刻，参数如下：光刻时间：14s；设备电压：60v；电流：1mA；掩膜版的图形沿对应于P电极形状均匀分布的的圆孔结构；
(20)ICP刻蚀ITO层，刻蚀的压强：10mTorr；刻蚀的时间：10min；刻蚀的深度：1μm；刻蚀的气体为Cl2、BCl3，刻蚀的速率比：1:3；
(21)超净间去胶，利用浸入丙酮溶液的外延片放入超声清洗机中，调节参数：超声的频率为20Hz，时间为1min，并用酒精和去离子水清洗，重复此步骤，直至清洗干净；
(22)PECVD沉积SiO2钝化层，反应气体(N2O/10％SiH4)比例为33.3，射频功率为50W，温度为300℃，腔体压强为850mTorr时，SiO2薄膜沉积速率约为640A/min，沉积厚度为200nm的SiO2钝化层；
(23)SiO2层上匀涂光刻胶，压印胶类型为mr-17010E，转速为2000r/min持续30s，厚度为110nm，涂后在140℃的热板上烘烤2min；
(24)温度升高至130℃(压印胶玻璃化温度Tg＝60℃)，压印胶由固态变为烙融态，使用带有圆柱形凸起结构的Si模板以15KN的压力按压样品，保持25min，温度降至45℃，压印胶结构凝固变硬，活塞退回原位，释放压力；
(25)RIE去除残留压印胶，参数为：刻蚀压强：20mTorr；刻蚀功率：20W；刻蚀气体及流速：O2为2sccm/s和N2为20sccm/s；刻蚀速率：0.74nm/s；
(26)RIE刻蚀SiO2钝化层，参数为：刻蚀压强：50mTorr；刻蚀功率：45W；刻蚀气体及流速：CF4为14sccm/s和CHF3为26sccm/s；刻蚀速率：0.58nm/s；
(27)等离子体灰化机去除残余压印胶，参数为：刻蚀压强：1.2mbar；刻蚀功率：600W；刻蚀气体及流速：O2为400sccm/s和N2为70sccm/s；
(28)残余的SiO2钝化层用SiO2刻蚀药剂去除，SiO2刻蚀剂由体积比为1:14的SiOEtch和去离子水组成，SiOEtch用润湿剂稀释的12.5％氢氟酸缓冲液，刻蚀速率为6nm/min；
(29)电子束蒸镀在ITO层上的SiO2钝化层上沉积P电极，其成分为Cr/Pt/Au；
(30)电子束蒸镀在沉积在n-GaN层上的SiO2钝化层上沉积N电极，其成分为Cr/Pt/Au。
由本发明的GaN基发光二极管与传统的GaN基发光二极管光输出功率对比图(图4)可以看出，本发明制备的GaN基发光二极管在同样电流下的光输出功率比传统GaN基发光二极管高很多。
Claims (9)
1.一种具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管，包括图形化蓝宝石衬底和外延层，其特征在于：所述外延层包括依次层状叠加在蓝宝石衬底上的AlN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、In0.16Ga0.84N多量子阱层、p-AlGaN/GaN电子阻挡层和p型GaN层，刻蚀部分外延层至n型GaN层，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；在p型GaN层上设置ITO层、SiO2钝化层和P电极，在刻蚀暴露出的n型GaN层上设置N电极，N电极与n型GaN层之间沉积有SiO2钝化层，凸起结构侧壁上沉积有SiO2钝化层；其中，所述ITO层上具有沿P电极形状均匀分布且垂直于ITO层的第一图形化通孔结构，所述第一图形化通孔结构为直径为8-10μm的圆柱通孔；所述SiO2钝化层具有沿P电极和N电极的形状均匀分布且垂直于SiO2钝化层的纳米级的第二图形化通孔结构，所述第二图形化通孔结构的通孔尺寸量级为亚波长级。
2.根据权利要求1所述的具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管，其特征在于：所述SiO2钝化层上的纳米级的第二图形化通孔结构为圆柱、矩形或三角形通孔。
3.一种权利要求1所述的具有纳米级SiO2光栅钝化层的GaN基发光二极管的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)在衬底上生长外延层，然后利用ICP刻蚀部分外延层，暴露出n型GaN层，外延层未刻蚀部分形成梳齿型凸起结构，刻蚀部分形成与之匹配的梳齿型凹槽结构；
(二)在p型GaN层上沉积ITO层，利用光刻和ICP技术在ITO层上刻蚀出第一图形化通孔结构；
(三)在整体芯片表面沉积SiO2钝化层后，利用纳米压印技术在SiO2钝化层上刻蚀出第二图形化通孔结构；
(四)使用电子束蒸镀技术在SiO2钝化层表面沿第二图形化通孔结构分别制备P电极和N电极。
4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：步骤(一)中，所述的衬底为图形化蓝宝石衬底，使用MOCVD生长外延层，其结构包括依次层状叠加在蓝宝石衬底上的AlN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、In0.16Ga0.84N多量子阱、p-AlGaN/GaN电子阻挡层、p型GaN层。
5.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：步骤(二)中，在p型GaN上使用电子束蒸镀技术沉积ITO层，复合利用光刻和ICP技术在ITO层上刻蚀出圆柱形通孔，沿P电极形状均匀分布在ITO层。
6.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：步骤(三)中，利用PECVD沉积SiO2钝化层，然后复合利用纳米压印技术、RIE刻蚀和等离子体灰化机在SiO2钝化层上刻蚀出通孔，所述通孔沿P电极和N电极形状均匀分布在SiO2钝化层中。
7.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)提供一层图形化蓝宝石衬底；
(2)利用反应磁控溅射技术溅射一层AlN成核层；
(3)生长GaN缓冲层；
(4)生长n型GaN层；
(5)生长InGaN/GaN超晶格层；
(6)生长In0.16Ga0.84N多量子阱层；
(7)生长p-AlGaN/GaN电子阻挡层；
(8)生长p型GaN层；
(9)在生长好的外延片上旋涂光刻胶，再进行热回流工艺；
(10)进行ICP刻蚀，暴露出n型GaN层；
(11)去除p型GaN层表面光刻胶；
(12)利用电子束蒸发技术在p型GaN层上沉积ITO层；
(13)利用光刻和ICP刻蚀ITO层；
(14)去除ITO层表面光刻胶；
(15)利用PECVD技术沉积SiO2钝化层；
(16)利用纳米压印技术在SiO2钝化层上制备纳米级圆柱通孔；
(17)蒸镀Cr/Pt/Au作为P电极和N电极。
8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：所述步骤(13)中，在ITO层上刻蚀的图形为沿P电极形状均匀排列的圆柱通孔阵列：圆柱的直径为8-10μm，深度为230nm，间隔为25-27μm。
9.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：所述的步骤(16)具体为：利用纳米压印技术在SiO2钝化层上制备沿P电极、N电极均匀排列的纳米级圆柱通孔阵列，其中，圆柱的直径为450nm，深度为200nm，间隔为23-25μm。
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