CN109192832B - 一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公提供了一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法，包括外延片衬底和制备在外延片衬底上的多层结构，所述多层结构由下层至上层依次为氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层。本发明通过对氮化镓基发光二极管芯片形状进行设计，使氮化镓基发光二极管芯片的侧壁全部为m面或侧壁面的大部分为m面和弧面。采用四甲基氢氧化铵溶液对所述外延层进行蚀刻，在氮化镓基发光二极管芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁的m面和弧面上形成纳米棱镜结构，产生表面粗化效果，提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，具体地说，本发明涉及一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，被认为是二十一世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高新技术领域之一。影响发光二极管芯片发光效率的因素主要有两个：内量子效率和取光效率。内量子效率是电子转化为光子的效率，光提取效率是有源区产生的光子从发光二极管内部出射的效率。
表面粗化技术是一种非常有效的提高光提取效率的方法。由于氮化镓材料的折射率与空气折射率差较大，当发光二极管芯片多量子阱层产生的光出射到空气时，全反射角为23.6°，当出射角大于23.6°时，光子被反射回LED内部，降低了光提取效率。通过在发光二极管芯片上制备表面粗化结构，可以有效增大光子逃逸角，提高光提取效率。目前已有的表面粗化方法大多是在氮化镓基发光二极管芯片的上表面制备表面粗化结构。专利CN102157640在氮化镓基发光二极管芯片p型氮化镓层的表面制备粗化结构，专利CN102790154在氮化镓基发光二极管芯片的ITO层表面制备粗化结构。发光二极管多量子阱层产生光的出射界面可能在上下表面，也可能在侧壁上，在侧壁上制备纳米棱镜结构，可以有效地提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率。
氮化镓晶体属于六方晶系结构，六个侧面均为m面，顶面为c面，如图5所示，在蓝宝石衬底上生长的外延层相对衬底旋转30°，衬底平边所在侧面是a面，如图5所示。GaN外延层的平边所在侧面是m面，衬底平边与外延片平边是重合的。以平边作为参考面，在GaN外延层上平行于平边或与平边夹角为60°或120°的面即是m面。氮化镓晶体的c面和a面的化学稳定性比m面好，刻蚀较为困难。m面化学化学稳定性差，容易被刻蚀，在上面形成纳米棱镜结构，产生表面粗化效果。
发明内容
为了提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率，本发明提出了一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制造方法。
本发明是这样实现的：
一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，包括下列步骤：
步骤一、在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层，形成外延片结构；
步骤二、采用ICP刻蚀工艺，对所述芯片的p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层进行刻蚀，直至暴露出n型氮化镓层，在n型氮化镓层上刻蚀出台面结构，使台面结构的侧壁为氮化镓晶体的m面和/或弧面；
步骤三、对所述p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层及氮化镓缓冲层进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底上表面，在所述外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀方向使所述氮化镓缓冲层和n型氮化镓层的侧壁均为氮化镓晶体的m面或侧壁面积的大部分为m面；
步骤四、采用四甲基氢氧化铵溶液对所述芯片阵列进行湿法刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁，以及台面的侧壁形成纳米棱镜结构；
步骤五、在p型氮化镓表面沉积ITO透明导电层，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触；
步骤六、在n型氮化镓层的台面上制备n电极，在ITO透明导电层上制备p电极；
步骤七、沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接；
步骤八、激光划片后裂片，得到所需侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片。
优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正六边形，步骤二刻蚀出台面结构位于其对角线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面和弧面上。
优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为内角为60°和120°的平行四边形，步骤二刻蚀出台面结构位于其对角线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。
优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正三角形，步骤二刻蚀出台面结构位于三角形的中线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。
优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于短边中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁长边所在的侧壁面和台面侧壁的直面和弧面上。
优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为短边为波浪边的矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于波浪边的中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于在氮化镓缓冲层和n型氮化镓层直边和波浪边所在的侧壁面以及台面的直面和弧面上。
优选地，所述步骤四中，使用的刻蚀溶液的质量百分比浓度为12.6％±2％，刻蚀的温度为85±2℃，刻蚀时间为2.5±0.2分钟。
作为优选，以外延片的平边为参考标准，在步骤三形成芯片阵列时，当所述芯片俯视图形状为正六边形时，所述正六边形至少有一条边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为内角为60°和120°的平行四边形时，所述平行四边形的至少有一条边与所述平边平行或与平边夹角为60°。当所述芯片俯视图形状为正三角形时，所述正三角形有一条边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为矩形时，所述矩形的长边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为短边为波浪边的矩形时，所述波浪边与所述平边垂直。
本发明还提供一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片，采用上述的方法制备得到。
本发明提供了一种增大氮化镓基发光二极管芯片侧壁粗化面积的方法。通过控制掩膜图案的形状和方向，刻蚀出形状为正六边形、平行四边形、正三角形、矩形或含有波浪边矩形的氮化镓基发光二极管芯片，并刻蚀出侧壁由m面围成的台面或m面和弧面围成的台面，使芯片侧壁面以及台面侧壁面全部或大部分为容易被刻蚀的m面和弧面。经过四甲基氢氧化铵溶液的刻蚀后，在所述外延片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁的m面和弧面上形成纳米棱镜结构，可以有效提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明实施实例提供的一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制造流程图；
图2为本发明实施例一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的结构图；
图3为本发明提供的氮化镓缓冲层侧壁的m面、a面和弧面的粗化效果的扫描电镜图，其中a处所在代表a面、b处所在代表m面、c处所在代表弧面；
图4为本发明提供的粗化效果与刻蚀时间对比图，其中a、b、c分别为实施例1、2、3所得二极管芯片的纳米棱镜结构；
图5为本发明提供的衬底及其上面生长的氮化镓外延层的形状及平边所在侧面示意图；
图6为氮化镓晶体的面示意图，其中左图为氮化镓晶体的立体结构示意图，右图为氮化镓晶体的俯视图；
图7为三角形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；
图8为矩形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；
图9为平行四边形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；
图10为正六边形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；
图11为具有波浪边的矩形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；
图12为刻蚀矩形图案形状氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案；
图13为刻蚀正六边形形状的氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案；
图14为刻蚀正三角形形状的氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案；
图15为刻蚀平行四边形形状的氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案；
图16为刻蚀具有波浪边矩形的氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案。
图中的附图标注为：
201，衬底；202，氮化镓缓冲层；203，纳米棱镜结构；204，n型氮化镓层；205，台面；206，n电极；207，多量子阱有源区；208，p型氮化镓铝层；209，p型氮化镓层；210，ITO透明导电层；211，p电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种侧面具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，包含以下步骤：
101：首先采用金属化学气相沉积(MOCVD)的方法在蓝宝石衬底201上依次外延生长氮化镓缓冲层202、n型氮化镓层204、多量子阱有源区207、p型氮化镓铝层208、p型氮化镓层209，形成完整的发光二极管PN结结构，所述多层结构如图2所示。图5为本发明提供的衬底201及其上面生长的氮化镓外延层的形状及平边所在侧面示意图；衬底及其上面生长的外延层形状相同，平边的作用是作为外延层晶面方向的定位基准，一般平行于平边的是GaN晶体的m面，垂直平边的是a面。图3为本发明提供的氮化镓缓冲层侧壁的m面、a面和弧面的粗化效果的扫描电镜图，其中a处所在代表a面、b处所在代表m面、c处所在代表弧面。
102：采用ICP刻蚀工艺对外延片进行台面205刻蚀，对所述p型氮化镓层209、p型氮化镓铝层208、多量子阱有源区207，直至暴露出n型氮化镓层204，不同形状的发光二极管芯片具有不同形状的台面205结构。正三角形、矩形、平行四边形、正六边形和具有波浪形侧边的矩形发光二极管芯片及其台面结构形状如图7至图11的205所示。
103：采用ICP刻蚀工艺对所述p型氮化镓层209、p型氮化镓铝层208、多量子阱有源区207、n型氮化镓层204及氮化镓缓冲层202进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底201上表面，在外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀出不同形状芯片使用不同的掩膜图案，图12至图16所示，分别为刻蚀出矩形、正六边形、正三角形、平行四边形和具有波浪边的矩形形状的氮化镓基发光二极管芯片使用的掩膜图案。
104：采用四甲基氢氧化铵溶液对所述外延片进行刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层202和n型氮化镓层204侧壁的m面和弧面上制备纳米棱镜结构203，如图3所示。刻蚀条件为：四甲基氢氧化铵溶液质量百分比浓度12.6％、刻蚀温度为85℃，刻蚀时间是60s。
105：在p型氮化镓层209表面沉积ITO透明导电层210，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触。ITO透明导电层的厚度根据入射光波长和ITO折射率而变化，可通过如下公式确定：t＝mλ/2n。
106：在n型氮化镓层204的台面上制备n电极206，在ITO透明导电层上制备p电极211。
107：沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接。
108：激光划片后裂片。
实施例2
制备方法与实施例1相同，不同之处在于步骤104中的刻蚀条件为：四甲基氢氧化铵溶液质量百分比浓度12.6％、刻蚀温度为85℃，刻蚀时间150s。
实施例3
制备方法与实施例1相同，不同之处在于步骤104中的刻蚀条件为：四甲基氢氧化铵溶液质量百分比浓度12.6％、刻蚀温度为85℃，刻蚀时间300s。
图4为实施例1～3所得芯片纳米棱镜结构的电镜图，可知刻蚀效果最佳的刻蚀时间是2.5分钟。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层，形成外延片结构；
步骤二、采用ICP刻蚀工艺，对所述芯片的p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层进行刻蚀，直至暴露出n型氮化镓层，在n型氮化镓层上刻蚀出台面结构，使台面结构的侧壁为氮化镓晶体的m面和/或弧面；
步骤三、对所述p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层及氮化镓缓冲层进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底上表面，在所述外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀方向使所述氮化镓缓冲层和n型氮化镓层的侧壁均为氮化镓晶体的m面或侧壁面积的大部分为m面；
步骤四、采用四甲基氢氧化铵溶液对所述芯片阵列进行湿法刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁，以及台面的侧壁形成纳米棱镜结构；
步骤五、在p型氮化镓表面沉积ITO透明导电层，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触；
步骤六、在n型氮化镓层的台面上制备n电极，在ITO透明导电层上制备p电极；
步骤七、沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接；
步骤八、激光划片后裂片，得到所需侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正六边形，步骤二刻蚀出台面结构位于上述正六边形的对角线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面和弧面上。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为内角为60°和120°的平行四边形，步骤二刻蚀出台面结构位于上述平行四边形对角线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正三角形，步骤二刻蚀出台面结构位于上述正三角形的中线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于上述矩形短边中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁长边所在的侧壁面和台面侧壁的直面和弧面上。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为短边为波浪边的矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于上述波浪边的中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于在氮化镓缓冲层和n型氮化镓层直边和波浪边所在的侧壁面以及台面的直面和弧面上。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，使用的刻蚀溶液的质量百分比浓度为12.6％±2％，刻蚀的温度为85±2℃，刻蚀时间为2.5±0.2分钟。
8.一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，采用上述权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
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