CN100568555C - 粗化电极用于高亮度正装led芯片和垂直led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度LED芯片的制作工艺，利用自然光刻技术和ICP干法刻蚀技术对传统的和垂直结构氮化镓基LED的透明导电薄膜层进行微细化处理，从而提高LED芯片出光效率。并将此粗化发明方法用于正装LED结构和垂直LED结构。在未增加其新设备的条件下，本发明极大的提升了LED芯片的外量子效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓(GaN)半导体制作高亮度LED芯片的一种工艺方法，尤其是涉及透明导电薄膜ITO表面的粗糙化以提高LED芯片的出光效率，属于纳米加工和半导体照明技术领域。
背景技术
外量子效率是高亮度LED芯片的主要技术瓶颈，其大小等于内量子效率与光的逃逸率之积。当前，商业化LED的内量子效率已经接近100％，但是外量子效率仅有3-30％。这主要是由于光的逃逸率低造成的。引起光的逃逸率低的因素有：晶格缺陷对光的吸收；衬底对光的吸收；光在出射过程中，在各个界面由于全反射造成的损失。
铟锡氧化物ITO(In2O3与Sn2O3质量之比为9∶1)薄膜具有如下优点：在可见光谱区内透光率高(～90％)；低的电阻率(＜5×10-4Ωcm)。因此，ITO薄膜作为透明电极和电流扩散层在光电子器件中被广泛的应用。在商业化的LED，透明的ITO薄膜正逐步取代半透明的金属薄膜Ni/Au。以ITO作为欧姆接触的LED与半透明的Ni/Au作为欧姆接触的LED相比亮度大约提高了50％。但在ITO与空气的界面上，由于两种介质的折射率相差较大，仍然使大量的光不能耦合出来。ITO的折射率为2.10，光由ITO到空气的最大反射角为28°。只有大约不到20％的光能从ITO介质进入空气，这大大降低了LED器件的外量子效率。
因此让发光层发出的光更多地耦合出器件外面是提高外量子效率的关键。本发明涉及一种提高发LED出光效率的一种方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低、适用于工业化生产的，能提高外量子效率的LED芯片的制作工艺及其产品。具体的说，就是应用纳米加工技术，即自然光刻技术(naturallithography)，结合ICP干法刻蚀技术对传统的和垂直结构氮化镓基LED器件的ITO薄膜表面进行微细化，通过增加光从ITO介质折射到空气中的几率，从而提高LED器件的外量子效率。并将此粗化电极的发明方法用在正装LED芯片和垂直LED芯片的制备工艺中。
本发明的目的是这样实现的：一种新型高亮度发光二极管，包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层、p型欧姆接触透明电极、p型金属电极和焊垫、n型金属电极和焊垫和金属层镜子，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱有源层与p型GaN层之间还有一p-AlGaN波导层；所述的p型欧姆接触透明电极材料采用ITO，并利用自然光刻技术和IPC干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗化，刻蚀工艺中所用的聚苯乙烯纳米颗粒的粒径范围为350nm-400nm，配成纳米颗粒的质量百分比浓度为1～10％；所述的金属层镜子为单金属或多层金属，厚度在2到10微米；
上述新型高亮度发光二极管采用以下方法制备：
(1)运用MOCVD外延生长GaN基LED结构外延片，衬低为篮宝石；
(2)用电子束蒸发在外延片上沉积ITO薄膜；
(3)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗糙化；
(4)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(5)用BOE溶液∶N4HF与HF体积比为4∶1，清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(6)用酸性溶液：HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1，清洗未受光刻胶保护的ITO；
(7)用去膜剂清洗光刻胶；
(8)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出N-GaN台面；
(9)用BOE溶液清洗P-GaN上的SiO2；
(10)蒸镀以Ni/Au为金属组合的P-N电极和焊垫；
(11)用化学机械抛光设备将蓝宝石由350～450μm减薄至200μm；
(12)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个LED器件；
(13)在衬底上镀金属层镜子，材料为单金属或多层金属。
本发明的目的还可以下述方式实现：所述的ITO薄膜厚度为350nm-400nm。
所述干法刻蚀的参数：偏压电源功率：150-200瓦特，ICP电电源功率：150-200瓦特；气体流量：氯气，30-40标准立方厘米/分，氩气，2-6标准立方厘米/分；刻蚀时间：50-300秒。
本发明的另一种结构形式为：一种新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管，包括n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层、n型透明电极、n型金属电极和焊垫和金属层镜子，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱有源层与p型GaN层之间还有一p-AlGaN波导层；所述的n型透明电极电流扩散层的材料采用ITO，并利用自然光刻技术和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行纳米加工；
上述新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管采用以下方法制备：
(1)在蓝宝石衬底上用MOCVD生长LED发光结构；
(2)在外延层的p-GaN层上镀金属层；
(3)金属键合法反转键合在金属镜子上；
(4)激光剥离掉蓝宝石衬底衬底；
(5)用电子束蒸发在剥离后的n-GaN外延层上沉积ITO薄膜；
(6)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行微细化；
(7)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(8)用BOE溶液∶N4HF与HF体积比为4∶1，清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(9)用酸性溶液：HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1，清洗未受光刻胶保护的ITO；
(10)用去膜剂清洗光刻胶；
(11)蒸镀n-金属电极；
(14)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个的LED器件。
本发明提供了一种工艺简单、成本低、适用于工业化生产的，能提高外量子效率的LED芯片的制作工艺及其产品。
附图说明
图1是本发明中新型高亮度发光二极管晶片；
图2是本发明中发光二极管新型垂直结构氮化镓基LED晶片；
图3是本发明中电子束蒸发法制备的ITO表面的轮廓曲线图；
图4是本发明中微细化过的ITO表面的轮廓曲线图；
图5是本发明中表面微细化处理过的LED和表面未粗糙过的LED的亮度对比(芯片波长为468nm)；
图6是本发明中表面做微细化处理的LED和表面微细化处理过的LED在20毫安驱动电流下的正向电压对比(芯片波长为468nm)；
具体实施方式
本发明的新型发光二极管之一，包括蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、n型GaN层3、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层(发光层)4、p-AlGaN波导层5、p型GaN层6、p型欧姆接触透明电极7、p型金属电极8、n型欧姆接触电极9和金属层镜子10。p型欧姆接触透明电极材料采用ITO，并利用自然光刻技术(natural lithography)和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗糙化。
为实现上述发光二极管，本发明一种高亮度发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)运用MOCVD外延生长GaN基LED结构外延片，衬低为篮宝石(Al2O3)；
(2)用电子束蒸发在外延片上沉积ITO薄膜；
(3)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术(natural lithography)和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗糙化；
(4)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(5)用BOE溶液(N4HF与HF体积比为4∶1)清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(6)用酸性溶液(HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1)清洗未受光刻胶保护的ITO；
(7)用去膜剂清洗光刻胶；
(8)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出N-GaN台面；
(9)用BOE溶液清洗P-GaN上的SiO2；
(10)蒸镀以Ni/Au为金属组合的P-N电极和焊垫；
(11)用化学机械抛光(CMP)设备将蓝宝石由350～450μm减薄至200μm；
(12)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个LED器件；
(13)在衬底上镀金属层镜子。材料可以是单金属或多层金属。
自然光刻技术和ICP干法刻蚀技术进行透明电极ITO的纳米加工、微细化处理，包括以下步骤：
(1)用电子束蒸发设备在外延片表面沉积某一厚度的ITO薄膜；ITO薄膜厚度为350nm-400nm。
(2)将上述外延片浸泡在去离子水中，提高外延片表面ITO薄膜的亲水性；
(3)把粒径范围350nm-400nm的聚苯乙烯纳米颗粒配成纳米颗粒的质量百分比浓度为1～10％。
(4)用旋涂仪按某些参数设定把上述的悬浊液均匀的旋涂在ITO表面；
(5)在室温下自然晾干外延片；
(6)设定ICP参数，偏压电源功率：150-200瓦特，ICP电电源功率：150-200瓦特；气体流量：氯气，30-40标准立方厘米/分，氩气，3-6标准立方厘米/分；刻蚀时间：50-300秒。刻蚀上述外延片；
(7)用在某溶剂里浸泡过的棉花球擦洗外延片表面，去除ICP刻蚀后的纳米球。
由图3和图4可以看出微细化处理前后ITO表面的轮廓曲线，微细化处理前，ITO表面的平整度大约为3～4nm，微细化处理后，ITO表面有很大变化，其平整度大约为120～130nm。对应的ICP参数为：偏压电源功率：150瓦特，ICP电电源功率：150瓦特；气体流量：氯气，36标准立方厘米/分，氩气，4标准立方厘米/分；刻蚀时间：200秒。
由图5可以看出ITO表面微细化处理过的LED和ITO表面未处理过的LED的亮度对比(芯片波长为468nm)。微细化处理过的LED的亮度相对于未处理过的LED有很大的提高。由图6可以看出ITO表面做微细化处理的LED和表面微细化处理过的LED在5V方向电压驱动下的漏电流(芯片波长为468nm)。微细化处理过的LED的亮度相对于未处理过的LED的稳定性有极大提高。因此本发明提供一种工艺简单、成本低、适用于工业化生产的，能提高外量子效率的LED芯片的制作工艺。
本发明的另一发光二极管新型垂直结构氮化镓基高亮度LED如图2所示，包括n-GaN层1、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层(发光层)2、p-AlGaN波导层3、p型GaN层4、n型透明电极5、n型金属电极6和金属层镜子7。n型透明电极材料采用ITO，并利用自然光刻技术(natural lithography)和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗糙化。
为实现上述新型垂直结构氮化镓基LED，制备方法包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底(Al2O3)上用MOCVD生长LED发光结构；
(2)在外延层的p-GaN层上镀金属层；
(3)金属键合法反转键合在金属镜子上；
(4)激光剥离掉蓝宝石衬底(Al2O3)衬底；
(5)用电子束蒸发在剥离后的n-GaN外延层上沉积ITO薄膜；
(6)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术(natural lithography)和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行微细化；
(7)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(8)用BOE溶液(N4HF与HF体积比为4∶1)清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(9)用酸性溶液(HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1)清洗未受光刻胶保护的ITO；
(10)用去膜剂清洗光刻胶；
(11)蒸镀n-金属电极；
(14)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个的LED器件。
对于上述垂直结构氮化镓基高亮度LED，因N型高掺杂层的高导电率可使电流不拥挤在其周围而能均匀将电流横向分布传播至整个元件，电流得以准垂直自下流上经过P型层和活性层，然后经N型高掺杂层横向流至N电极，发光层的材料得以充分应用，增大电流密度，降低LED工作电压和电阻，产生的热量减少，出光效率提高，有效地改善了电流分布，使热源分布和发光强度更加均匀。相对于第一例建立在传统LED上的高亮度LED更能提高芯片的外量子效率。
Claims (6)
1、一种新型高亮度发光二极管，包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层、p型欧姆接触透明电极、p型金属电极和焊垫、n型金属电极和焊垫和金属层镜子，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱有源层与p型GaN层之间还有一p-AlGaN波导层；所述的p型欧姆接触透明电极材料采用ITO，并利用自然光刻技术和IPC干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗化，刻蚀工艺中所用的聚苯乙烯纳米颗粒的粒径范围为350nm-400nm，配成纳米颗粒的质量百分比浓度为1～10％；所述的金属层镜子为单金属或多层金属，厚度在2到10微米；
上述新型高亮度发光二极管采用以下方法制备：
(1)运用MOCVD外延生长GaN基LED结构外延片，衬底为蓝宝石；
(2)用电子束蒸发在外延片上沉积ITO薄膜；
(3)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行粗糙化；
(4)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(5)用BOE溶液：N4HF与HF体积比为4∶1，清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(6)用酸性溶液：HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1，清洗未受光刻胶保护的ITO；
(7)用去膜剂清洗光刻胶；
(8)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出N-GaN台面；
(9)用BOE溶液清洗P-GaN上的SiO2；
(10)蒸镀以Ni/Au为金属组合的P-N电极和焊垫；
(11)用化学机械抛光设备将蓝宝石由350～450μm减薄至200μm；
(12)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个LED器件；
(13)在衬底上镀金属层镜子，材料为单金属或多层金属。
2、按照权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述的ITO薄膜厚度为350nm-400nm。
3、按照权利要求1或2所述的高亮度发光二极管，其特征在于：所述干法刻蚀的参数：偏压电源功率：150-200瓦特，ICP电电源功率：150-200瓦特；气体流量：氯气，30-40标准立方厘米/分，氩气，2-6标准立方厘米/分；刻蚀时间：50-300秒。
4、一种新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管，包括n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层、n型透明电极、n型金属电极和焊垫和金属层镜子，其特征在于：在InGaN/GaN多量子阱有源层与p型GaN层之间还有一p-AlGaN波导层；所述的n型透明电极材料采用ITO，并利用自然光刻技术和IPC干法刻蚀对ITO薄膜表面进行纳米加工；
上述新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管采用以下方法制备：
(1)在蓝宝石衬底上用MOCVD生长LED发光结构；
(2)在外延层的p-GaN层上镀金属层；
(3)金属键合法反转键合在金属镜子上；
(4)激光剥离掉蓝宝石衬底衬底；
(5)用电子束蒸发在剥离后的n-GaN外延层上沉积ITO薄膜；
(6)在所沉积ITO薄膜上应用自然光刻技术和干法刻蚀对ITO薄膜表面进行微细化；
(7)在ITO表面沉积SiO2薄膜作为干法刻蚀掩膜，并在这表面进行光刻；
(8)用BOE溶液：N4HF与HF体积比为4∶1，清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(9)用酸性溶液：HNO3，HCL，H2O体积比为2∶1∶1，清洗未受光刻胶保护的ITO；
(10)用去膜剂清洗光刻胶；
(11)蒸镀n-金属电极；
(14)将作好电极的外延片用激光划片机分割成单个的LED器件。
5、按照权利要求4所述的新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管，其特征在于：所述的ITO薄膜厚度为350nm-400nm。
6、按照权利要求4或5所述的新型垂直结构氮化镓基高亮度发光二极管，其特征在于：所述干法刻蚀的参数：偏压电源功率：150-200瓦特，ICP电电源功率：150-200瓦特；气体流量：氯气，30-40标准立方厘米/分，氩气，2-6标准立方厘米/分；刻蚀时间：50-300秒。
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