CN103066173B - 一种发光二极管芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片的制备方法，属于半导体技术领域。芯片包括：衬底、依次层叠在衬底上的n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层和透明导电层、以及设于透明导电层上的p型电极和设于n型层上的n型电极，多量子阱层包括若干个量子垒层和若干个与量子垒层交替生长的量子阱层，电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度总和不大于50nm，p型层内设有多个孔，孔从p型层的与透明导电层接触的表面延伸至p型层的与电子阻挡层接触的表面，孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上设有金属纳米颗粒层，孔内还设有覆盖在金属纳米颗粒层的表面上的第一绝缘介质层。本发明通过上述技术方案，增强了芯片内量子效率和发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片的制备方法。
背景技术
发光二极管芯片为半导体晶片，是发光二极管的核心组件。发光二极管芯片一般包括外延片和制作在外延片上的p型电极和n型电极，外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层和透明导电层，其中，多量子阱层包括若干个量子垒层和若干个与量子垒层交替生长的量子阱层。
为了提高芯片的内量子效率，现有技术中提供了一种发光二极管芯片，该芯片的p型层包括第一p型层和第二p型层，第一p型层设于多量子阱层和电子阻挡层之间，且第一p型层上设置有一定密度的金属纳米颗粒层，第二p型层设于电子阻挡层和透明导电层之间。通过使金属纳米颗粒与多量子阱层的距离处于近场范围内，多量子阱层内的电子空穴对的能量可以通过近场传递给金属中的等离子激发元，然后通过等离子激发元抽取出这部分光能，从而增加了多量子阱层的内量子效率，提高了芯片的发光效率。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于现有技术中的发光二极管芯片一般是在MOVCD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)腔体内生长外延片，在MOVCD腔体外沉积金属纳米颗粒层，在MOVCD腔体外的加工会使得外延片的表面变得不平整，再次放入MOVCD腔体中生长时，容易造成生长质量下降、芯片异常，降低了芯片的成品率。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述方法包括：
提供衬底，并在所述衬底上依次层叠生长n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层，其中，所述多量子阱层包括若干个量子垒层和若干个与所述量子垒层交替生长的量子阱层，所述电子阻挡层和与所述电子阻挡层接触的一个所述量子垒层的厚度总和不大于50nm；
在所述p型层上刻蚀多个孔，所述孔从所述p型层的与所述透明导电层接触的表面延伸至所述p型层的与所述电子阻挡层接触的表面；
在所述孔的孔壁上以及所述电子阻挡层的位于所述孔内的表面上沉积金属纳米颗粒层；
在所述金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层；
在所述p型层上沉积透明导电层，并在所述透明导电层上设置p型电极，在所述n型层上设置n型电极；
其中，所述在所述p型层上刻蚀多个孔，具体包括：
在所述p型层上涂布一层聚苯乙烯纳米颗粒，所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为500～1000nm；
采用氧离子轰击所述p型层上的聚苯乙烯纳米颗粒，以使所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径减小至200～300nm；
在所述p型层和所述聚苯乙烯纳米颗粒上沉积金属掩膜层；
剥离覆盖在所述聚苯乙烯纳米颗粒上的金属掩膜层和所述聚苯乙烯纳米颗粒，得到位于所述p型层上的带有孔的网状金属掩膜层；
以所述网状金属掩膜层为掩膜在所述p型层上刻蚀孔，所述孔从所述p型层刻蚀至所述p型层的与所述电子阻挡层接触的表面；
其中，以所述网状金属掩膜层为掩膜在所述p型层上刻蚀孔，包括：
采用氯气、氩气和氧气的混合气体，以网状金属掩膜层为掩膜刻蚀所述p型层，以在所述p型层上刻蚀出孔；所述氯气和所述氩气的流量比为3:1，所述氯气和所述氩气之和与所述氧气的流量比为20:1；
其中，所述p型层由GaN制成。
优选地，所述第一绝缘介质层为氮化硅层。
具体地，所述在所述金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层，具体包括：
在所述p型层上和所述孔内沉积氮化硅层；
除掉所述p型层上的所述氮化硅层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在p型层上设有多个从p型层的与透明导电层接触的表面延伸至p型层的与电子阻挡层接触的表面的孔，在孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上设置金属纳米颗粒层，在孔内设置覆盖在金属纳米颗粒层的表面上的第一绝缘介质层，并通过使电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度的总和不大于50nm，使得金属纳米颗粒与多量子阱层处于近场的作用下，从而利用金属纳米颗粒与p型层产生的等离子激发元与多量子阱层的耦合，为电子空穴对的能量的转化和传递提供了除去辐射复合和非辐射复合之外的第三能量通道，增强了芯片的内量子效率，提高了芯片的发光效率，同时提高了芯片的质量和成品率，并且该产品简单易行，经济实惠，适于规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管芯片的制备方法流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图5是本发明实施例三提供的在p型层上刻蚀多个孔的方法流程；
图6是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图7是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图8是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图9是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图10是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图11是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图12是本发明实施例三提供的设置第一绝缘介质层的方法流程图；
图13是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图14是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图15是本发明实施例三提供的一种发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，参见图1，该芯片包括：
衬底11、依次层叠在衬底11上的n型层12、多量子阱层13、电子阻挡层14、p型层15和透明导电层16、以及设于透明导电层16上的p型电极151和设于n型层上的n型电极121，多量子阱层13包括若干个量子垒层和若干个与量子垒层交替生长的量子阱层，电子阻挡层14和与电子阻挡层14接触的一个量子垒层的厚度总和不大于50nm，p型层15上设有多个孔152，孔152从p型层15的与透明导电层16接触的表面延伸至p型层15的与电子阻挡层4接触的表面，孔152的孔壁上以及电子阻挡层14的位于孔152内的表面上设有金属纳米颗粒层153，孔152内还设有覆盖在金属纳米颗粒层153的表面上的第一绝缘介质层154。
具体地，衬底11可以为蓝宝石衬底，n型层12可以为n型掺杂GaN层，多量子阱层13可以为InGaN/GaN多量子阱层，电子阻挡层14可以为AlGaN层，p型层15为p型GaN层，孔152可以为圆形孔。
具体地，通过将的电子阻挡层14和与电子阻挡层14接触的一个量子垒层的厚度总和不大于50nm厚度总和不大于50nm，使金属纳米颗粒与层153多量子阱层13处于近场范围内。
可选地，p型层15上的多个孔152可以是随机排列的，也可以是规则排列的光子晶体结构或是六角分布的对称结构。
优选地，孔152的直径为200～400nm。
优选地，金属纳米颗粒的粒径为5～50nm。
可选地，金属纳米颗粒可以为银颗粒或铝颗粒。
具体地，第一绝缘介质层154可以为氮化硅层。通过设置第一绝缘介质层154，既可以将金属纳米颗粒与外界隔离，又杜绝了电流在p型层15中横向传导，使电流以单一通道垂直注入多量子阱层。
进一步地，p型层15上的与p型电极151相对的区域设有第二绝缘介质层155。
具体地，第二绝缘介质层155可以为氧化硅层。通过设置第二绝缘介质155，可以防止空穴从p型电极151下面直接注入多量子阱层13。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在p型层上设有多个从p型层的与透明导电层接触的表面延伸至p型层的与电子阻挡层接触的表面的孔，在孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上设置金属纳米颗粒层，在孔内设置覆盖在金属纳米颗粒层的表面上的第一绝缘介质层，并通过使电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度的总和不大于50nm，使得金属纳米颗粒与多量子阱层处于近场的作用下，从而利用金属纳米颗粒与p型层产生的等离子激发元与多量子阱层的耦合，为电子空穴对的能量的转化和传递提供了除去辐射复合和非辐射复合之外的第三能量通道，增强了芯片的内量子效率，提高了芯片的发光效率，同时提高了芯片的质量和成品率，并且该产品简单易行，经济实惠，适于规模生产。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，适用于制备实施例1中提供的一种发光二极管芯片，如图2所示，该方法包括：
步骤101：提供衬底，并在衬底上依次层叠生长n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层，其中，多量子阱层包括若干个量子垒层和若干个与量子垒层交替生长的量子阱层，电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度总和不大于50nm；
步骤102：在p型层上刻蚀多个孔，孔从p型层刻蚀至p型层的与电子阻挡层接触的表面；
步骤103：在孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上沉积金属纳米颗粒层；
步骤104：在金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层；
步骤105：在p型层上沉积透明导电层，并在透明导电层设置p型电极，在n型层上设置n型电极。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在芯片的制作工艺中，通过在p型层上刻蚀多个从p型层的与透明导电层接触的表面延伸至p型层的与电子阻挡层接触的表面的孔，在孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上设置金属纳米颗粒层，在金属纳米颗粒层覆盖第一绝缘介质层，并通过使电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度的总和不大于50nm，使得金属纳米颗粒与多量子阱层处于近场的作用下，从而利用金属纳米颗粒与p型层产生的等离子激发元与多量子阱层的耦合，为电子空穴对的能量的转化和传递提供了除去辐射复合和非辐射复合之外的第三能量通道，增强了芯片的内量子效率，提高了芯片的发光效率，同时提高了芯片的质量和成品率，并且该产品简单易行，经济实惠，适于规模生产。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，适用于制备实施例1中提供的一种发光二极管芯片，参见图3，该方法包括：
步骤201：如图4所示，提供衬底21，并在衬底21上依次层叠生长n型层22、多量子阱层23、电子阻挡层24和p型层25，其中，多量子阱层23包括若干个量子垒层和若干个与量子垒层交替生长的量子阱层，电子阻挡层24和与电子阻挡层24接触的一个量子垒层的厚度总和不大于50nm。
具体地，衬底21可以为蓝宝石衬底，n型层22可以为n型掺杂GaN层，多量子阱层23可以为InGaN/GaN多量子阱层，电子阻挡层24可以为AlGaN层，p型层25为p型GaN层。这些结构为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。
优选地，可以采用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底21上依次层叠生长n型层22、多量子阱层23、电子阻挡层24和p型层25。
步骤202：在p型层25上刻蚀多个孔252，孔252从p型层25刻蚀至p型层25的与电子阻挡层24接触的表面。
具体地，参见图5，在p型层上25刻蚀多个孔252，可以通过步骤2021～2026实现：
步骤2021：结合图6，在p型层25上涂布一层聚苯乙烯纳米颗粒27，聚苯乙烯纳米颗粒27的粒径为500～1000nm。
具体地，可以通过甩胶机旋涂聚苯乙烯纳米颗粒27。聚苯乙烯溶液首先在表面活化溶液三重氢核与甲醇的混合液中按照(3:1)～(6:1)的比例稀释，聚苯乙烯纳米颗粒27的粒径为500～1000nm。旋涂时，首先，慢速400rpm旋转数秒钟，使聚苯乙烯溶液覆盖整个芯片的表面；其次，快速800rpm旋转数分钟，将多余的聚苯乙烯溶液甩出芯片之外，同时，该过程加速了溶液的挥发；最后，快速1400rpm旋转数秒钟，加速溶液的挥发和聚苯乙烯纳米颗粒27的粘附。在旋涂的过程中，聚苯乙烯纳米颗粒27将以自组织的形式在样品的表面按照六角对称结构排列堆积。
可选地，也可以在p型层25上涂布一层聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒，其粒径也为500～1000nm。
步骤2022：结合图7，采用氧离子轰击p型层25上的聚苯乙烯纳米颗粒27，以使聚苯乙烯纳米颗粒27的粒径减小至200～300nm。
具体地，可以在压力为60Torr、射频功率为80W、氧气流为30sccm的条件下，利用氧离子轰击芯片1～3分钟，使得聚苯乙烯纳米颗粒27的粒径减小至200～300nm。
步骤2023：结合图8，在p型层25和聚苯乙烯纳米颗粒27上沉积金属掩膜层28。
具体地，可以采用电子束蒸发的方法在p型层上沉积约100nm厚的金属掩膜层28。
具体地，在本实施例中，该金属掩膜为金属镍，在其他实施例中，该金属掩膜也可以为金属铬、金属钨等，此技术为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
步骤2024：结合图9，剥离覆盖在聚苯乙烯纳米颗粒27上的金属掩膜层28和聚苯乙烯纳米颗粒27，得到位于p型层25上的带有圆孔的网状金属掩膜层281。
具体地，可以通过物理粘附的方法，如富有粘性的塑料薄膜粘附于金属掩膜层28的表面，撕开塑料薄膜，即可剥离覆盖在聚苯乙烯纳米颗粒27上的金属掩膜层28和聚苯乙烯纳米颗粒27，形成带有圆孔的网状金属掩膜层281。
步骤2025：结合图10，以网状金属掩膜层281为掩膜在p型层25上刻蚀孔252，孔141从p型层25刻蚀至p型层25的与电子阻挡层24接触的表面。
具体地，可以采用氯气、氩气、和氧气的混合气体，以网状金属掩膜层281为掩膜刻蚀P型层25，在p型层25上刻蚀出孔252，该孔252的粒径与聚苯乙烯纳米颗粒27的粒径相同。由于适当比例的氯气、氩气、和氧气的混合气体，例如氯气和氩气的比例约为3:1，氯气和氩气之和与氧气的比例约为20:1，即在使氧气的流量相对较小的条件下，对p型氮化镓层和AlGaN电子阻挡层的刻蚀速度有较大的差别，利用这个特性，可以使刻蚀停止在AlGaN电子阻挡层之上，从而避免刻蚀对多量子阱层的伤害，从而使得孔从p型层25刻蚀至p型层25的与电子阻挡层24接触的表面，即孔252的高度与p型层25的厚度相同。在刻蚀孔252的同时会去除网状金属掩膜层281。
步骤203：结合图11，在孔252的孔壁上以及电子阻挡层24的位于孔252内的表面上沉积金属纳米颗粒层253。
具体地，金属纳米颗粒可以为金属银纳米颗粒，也可以为金属铝纳米颗粒。一般地，可以在氢气、氮气或真空里边，快速热退火形成金属银的纳米颗粒，退火温度可以设置为250～400℃。
具体地，可以采用电子束蒸发的方法，在孔252的孔壁上以及电子阻挡层24的位于孔内252的表面上沉积金属纳米颗粒层253，沉积的金属纳米颗粒层253的厚度为10～20nm。
步骤204：在金属纳米颗粒层253的表面覆盖第一绝缘介质层254。
具体地，第一绝缘介质层254可以为氮化硅层。显然地，在其他实施例中，第一绝缘介质层也可以为氧化硅层，此技术为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
具体地，参见图12，在金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层，可以通过步骤2041～2042实现：
步骤2041：结合图13，在p型层25上和孔252内沉积氮化硅层291。
具体地，可以采用离子加强型化学沉积发沉积氮化硅层291，在沉积氮化硅时，要求氮化硅层291在填充满孔的同时还要覆盖住孔252和p型层25，从而将金属纳米颗粒层253与外界隔离。
步骤2042：结合图14，除掉p型层25上的氮化硅层291。
具体地，可以采用BOE(bufferoxideetch，二氧化矽蚀刻剂)腐蚀掉p型层上的氮化硅层291，露出p型层25，仅保留孔252中的氮化硅层291。
步骤205：结合图15，在p型层25上沉积透明导电层26，并在透明导电层26上设置p型电极251，在n型层22上设置n型电极221。
具体地，采用电子束蒸发或溅射设备在p型层25上沉积透明导电层26。透明导电层26的厚度可以为1～2um。在透明导电层26上设置p型电极251，在n型层22上设置n型电极221，该技术为本领域的技术人员所熟知，在此不再详述。
优选地，步骤204之后，该方法还包括：
在p型层25上的与p型电极251性对的区域设置第二绝缘介质层。
具体地，在p型层25上的与p型电极251性对的区域设置第二绝缘介质层，包括：
在p型层25和孔252上沉积氧化硅层；
刻蚀掉p型层25和孔252上的除与p型电极251相对的区域以外氧化硅层；
刻蚀掉p型层25和孔252上除了与p型电极251相对的区域的氧化硅层以外的氧化硅层。
具体地，可以采用离子加强型化学气相沉积在p型层25和孔252上沉积氧化硅层，氧化硅层的厚度可以为500nm。
具体地，保留与p型电极251相对的区域的氧化硅层作为电流阻挡层，以防止空穴从p型电极251下面直接注入多量子阱层，进一步提高了芯片的发光效率。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在在芯片的制作工艺中，通过在p型层上刻蚀多个从p型层的与透明导电层接触的表面延伸至p型层的与电子阻挡层接触的表面的孔，在孔的孔壁上以及电子阻挡层的位于孔内的表面上设置金属纳米颗粒层，在金属纳米颗粒层覆盖第一绝缘介质层，且使电子阻挡层和与电子阻挡层接触的一个量子垒层的厚度的总和不大于50nm，使得金属纳米颗粒与多量子阱层处于近场的作用下，从而利用金属纳米颗粒与p型层产生的等离子激发元与多量子阱层的耦合，为电子空穴对的能量的转化和传递提供了除去辐射复合和非辐射复合之外的第三能量通道，增强了芯片的内量子效率，提高了芯片的发光效率，同时提高了芯片的质量和成品率，且该方法于二次生长相比，更加的简单，降低了芯片生长的难度，提高了芯片的质量，便于规模生产芯片使用。并且通过设置第二绝缘介质层，可以防止空穴从p型电极下面直接注入多量子阱层，进一步提高了芯片的发光效率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底，并在所述衬底上依次层叠生长n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层，其中，所述多量子阱层包括若干个量子垒层和若干个与所述量子垒层交替生长的量子阱层，所述电子阻挡层和与所述电子阻挡层接触的一个所述量子垒层的厚度总和不大于50nm；
在所述p型层上刻蚀多个孔，所述孔从所述p型层刻蚀至所述p型层的与所述电子阻挡层接触的表面；
在所述孔的孔壁上以及所述电子阻挡层的位于所述孔内的表面上沉积金属纳米颗粒层；
在所述金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层；
在所述p型层上沉积透明导电层，并在所述透明导电层上设置p型电极，在所述n型层上设置n型电极；
其中，所述在所述p型层上刻蚀多个孔，具体包括：
在所述p型层上涂布一层聚苯乙烯纳米颗粒，所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为500～1000nm；
采用氧离子轰击所述p型层上的聚苯乙烯纳米颗粒，以使所述聚苯乙烯纳米颗粒的粒径减小至200～300nm；
在所述p型层和所述聚苯乙烯纳米颗粒上沉积金属掩膜层；
剥离覆盖在所述聚苯乙烯纳米颗粒上的金属掩膜层和所述聚苯乙烯纳米颗粒，得到位于所述p型层上的带有孔的网状金属掩膜层；
以所述网状金属掩膜层为掩膜在所述p型层上刻蚀孔，所述孔从所述p型层刻蚀至所述p型层的与所述电子阻挡层接触的表面；
其中，以所述网状金属掩膜层为掩膜在所述p型层上刻蚀孔，包括：
采用氯气、氩气和氧气的混合气体，以网状金属掩膜层为掩膜刻蚀所述p型层，以在所述p型层上刻蚀出孔；所述氯气和所述氩气的流量比为3:1，所述氯气和所述氩气之和与所述氧气的流量比为20:1；
其中，所述p型层由GaN制成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一绝缘介质层为氮化硅层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述金属纳米颗粒层的表面覆盖第一绝缘介质层，具体包括：
在所述p型层上和所述孔内沉积氮化硅层；
除掉所述p型层上的所述氮化硅层。
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