專利名稱：具有p-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電器件生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
GaN材料的折射率(n=2. 5)與空氣(n=l)相差較大，導(dǎo)致空氣與GaN界面發(fā)生全反射的臨界角分別只有23. 6。，有源區(qū)產(chǎn)生的光只有少數(shù)逃逸到材料體外。這就要求從芯片結(jié)構(gòu)方面進行設(shè)計，減少全反射，增大逃逸光錐的臨界角，以提高LED芯片的光提取效率。目前國內(nèi)外常采用的主要技術(shù)是對P-GaN表面進行粗化，增大P-GaN表面積并提高出光幾率。但P-GaN粗化掩膜制作和去除存在較多問題，對光的提取作用有限?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種可增大逃逸光錐的臨界角，以提高LED芯片的光提取效率的具有P-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法。本發(fā)明技術(shù)方案包括以下步驟
1)采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法，在半導(dǎo)體襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、不摻雜GaN層、N-GaN層、多量子阱發(fā)光層和P-GaN層，形成GaN外延片，其中所述半導(dǎo)體襯底為藍寶石、硅、碳化硅或金屬；
2)在進行ICP刻蝕前，于GaN外延片的P-GaN層的表面蒸鍍厚度為100 800nm的刻蝕用掩膜氯化銫薄膜層；
3)向蒸發(fā)臺腔室中充入水汽,使P-GaN層表面的氯化銫吸收水分逐漸長大形成多個氯化銫納米島，各氯化銫納米島與相鄰的氯化銫納米島之間的間隙的占空比為I :1 ；
4)在具有氯化銫納米島的P-GaN層表面采用PECVD法淀積厚度為0.5 Ium的二氧化娃層;
5)將覆蓋有氯化銫納米島和二氧化硅層的外延片放入去離子水中浸泡或超聲處理，將氯化銫納米島去除，形成二氧化硅納米碗層，所述二氧化硅納米碗層為由相連的多個背面分別朝向P-GaN層的碗形二氧化硅納米材料組成；
6)將二氧化硅納米碗層作為刻蝕掩膜，對GaN外延片進行ICP刻蝕；刻蝕時同時使用Cl2, BCl3和Ar2三種氣體作為刻蝕氣體，其中Cl2流量為30 lOOsccm，BCl3流量為5 20sccm, Ar2流量為5 25sccm ;刻蝕功率為300 700W ;射頻功率為50 200W ;刻蝕時間為3 15min ;刻蝕結(jié)束后，采用BOE溶液將GaN外延片上的殘留二氧化硅納米碗層去除干凈;
7)將GaN外延片的一側(cè)進行ICP刻蝕，去除一側(cè)的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN層，形成臺面；
8)在GaN外延片的上表面使用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍ITO薄膜；
9)在P-GaN層、ITO層和N-GaN層上選用負型光刻膠L-300光刻P、N電極，采用電子束蒸發(fā)法依次蒸鍍金屬Cr層、金屬Pt層和金屬Au層，剝離后形成P電極和N電極；
10)將半導(dǎo)體襯底減薄后，劃裂成單獨芯片。采用本發(fā)明形成P-GaN表面粗糙度為10 lOOnm，由此形成納米碗狀表面粗化的GaN外延片，能夠增大出射光面積，增加光的出射幾率，減少全反射的發(fā)生。且，通過步驟
6)的刻蝕功率、氣體流量和刻蝕時間可使對P-GaN層進行表面粗化時，所刻蝕的深度小于P-GaN厚度的2/3。本發(fā)明具有工藝簡單，成本低，粗化效果好，光提取效率高。經(jīng)表面粗化后的GaN-LED比常規(guī)GaN-LED的光功率提高了 35%以上。另，本發(fā)明所述掩膜氯化銫薄膜層蒸鍍時間為5 40min。
·
所述各個氯化銫納米島的直徑分別為100 900nm。所述BOE溶液由HF和NH4F混合形成的混合溶液，所述HF和NH4F投料的體積比為1:7。


圖I為本發(fā)明具體實施方式
步驟3的制品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明具體實施方式
步驟4的制品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具體實施方式
步驟5的制品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明具體實施方式
步驟6的制品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明具體實施方式
步驟9的制品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明產(chǎn)品與普通工藝產(chǎn)品的光功率與電流關(guān)系測試圖。
具體實施例方式一、制備具有p-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片
步驟I :采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法，在半導(dǎo)體襯底I上依次生長I U m低溫GaN緩沖層2、2 y m不摻雜GaN層3、3 y mN-GaN層4、200nm多量子阱發(fā)光層5和700nmP-GaN層6,形成GaN外延片,其中所述半導(dǎo)體襯底I為藍寶石、娃、碳化娃或金屬。步驟2 :將GaN外延片放入蒸發(fā)臺，在P-GaN層6的表面蒸鍍刻蝕用掩膜氯化銫，時間5_40min,薄膜厚度100-800nm ；
步驟3 :蒸鍍結(jié)束后，向蒸發(fā)臺腔室中充入水汽5 20min，使P-GaN層6表面的氯化銫吸收水分逐漸長大形成氯化銫納米島10,該納米島的直徑為100 900nm,占空比I :1，如圖I所示。步驟4 :在具有氯化銫納米島10的P-GaN層6表面采用PECVD (等離子增強型化學(xué)氣象淀積)法淀積0. 5 Ium 二氧化娃11,如圖2所示。步驟5 :將覆蓋有氯化銫納米島10和二氧化硅11的外延片放入去離子水中浸泡或超聲5 15min,將氯化銫納米島10去除，留下二氧化娃納米碗層11,如圖3所示,二氧化硅納米碗層11為由相連的多個背面分別朝向P-GaN層的碗形二氧化硅納米材料組成。步驟6 :將二氧化硅納米碗層11作為刻蝕掩膜，對GaN外延片進行ICP (感應(yīng)耦合等離子體)刻蝕，使用(12、8(13和Ar2三種氣體同時作為刻蝕氣體，其中Cl2流量為30 lOOsccm, BCl3流量為5 20sccm，Ar2流量為5 25sccm ;刻蝕功率為300-700W ;射頻功率為50 200W ;刻蝕時間為3 15min?？涛g結(jié)束后將GaN外延片上的殘留二氧化硅納米碗層11用BOE (HFiNH4F體積比為1:7)去除干凈。P-GaN表面粗糙度為10 lOOnm，由此形成納米碗狀表面粗化的GaN外延片，能夠增大出射光面積，增加光的出射幾率，減少全反射的發(fā)生。對P-GaN層進行表面粗化時，所刻蝕的深度小于P-GaN厚度的2/3。如圖4所示。步驟7 :再將GaN外延片進行光刻圖形制備，選用AZ4620光刻膠作為掩膜，對GaN外延片的一側(cè)進行ICP刻蝕，去除一側(cè)的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN，形成臺面41，該臺面41的刻蝕深度1000nm 1600nm。步驟8 :將HCl和HNO3法以體積比為3 :1的比例混和，形成小王水。在GaN外延片的上表面使用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍ITO薄膜7，厚度2400A。選用·AZ6130光刻膠和小王水光刻腐蝕出ITO圖形，去除P-GaN 6上的部分ITO薄膜和臺面41上的ITO薄膜，在P型臺面上形成ITO透明電極。ITO透明電極與P-GaN可以形成良好的歐姆接觸，可以降低接觸電壓，從而降低器件的工作電壓。步驟9 :在P-GaN層6、ITO層7和N-GaN層41上選用負型光刻膠L-300光刻P、N電極，采用電子束蒸發(fā)法蒸鍍厚度分別為200 A ,600 A和15000A的金屬Cr、Pt和Au層，剝離后形成P電極8和N電極9。如圖5所示。步驟10 :將藍寶石襯底減薄至150um,劃裂成單獨芯片。二、對比效果測試
將本發(fā)明制成的LED芯片進行器件的P-I特性(光功率一電流)測試，并與現(xiàn)有普通產(chǎn)品對比。由圖6可見經(jīng)表面粗化后的GaN-LED比常規(guī)GaN-LED在工作電流為350mA時光功率提聞了 35%。
權(quán)利要求
1.具有p-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括采用金屬有機化學(xué)氣相沉積的方法，在半導(dǎo)體襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、不摻雜GaN層、N-GaN層、多量子阱發(fā)光層和P-GaN層，形成GaN外延片，其中所述半導(dǎo)體襯底為藍寶石、硅、碳化硅或金屬； 還包括將GaN外延片的ー側(cè)進行ICP刻蝕，去除ー側(cè)的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN層，形成臺面； 在GaN外延片的上表面使用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍ITO薄膜； 在P-GaN層、ITO層和N-GaN層上選用負型光刻膠L-300光刻P、N電極，采用電子束蒸發(fā)法依次蒸鍍金屬Cr層、金屬Pt層和金屬Au層，剝離后形成P電極和N電極； 將半導(dǎo)體襯底減薄后，劃裂成単獨芯片； 其特征在于還包括以下步驟 1)在進行ICP刻蝕前，于GaN外延片的P-GaN層的表面蒸鍍厚度為100 800nm的刻蝕用掩膜氯化銫薄膜層； 2)向蒸發(fā)臺腔室中充入水汽,使P-GaN層表面的氯化銫吸收水分逐漸長大形成多個氯化銫納米島，各氯化銫納米島與相鄰的氯化銫納米島之間的間隙的占空比為I :1 ； 3)在具有氯化銫納米島的P-GaN層表面采用PECVD法淀積厚度為0.5 Ium的ニ氧化娃層; 4)將覆蓋有氯化銫納米島和ニ氧化硅層的外延片放入去離子水中浸泡或超聲處理，將氯化銫納米島去除，形成ニ氧化硅納米碗層，所述ニ氧化硅納米碗層為由相連的多個背面分別朝向P-GaN層的碗形ニ氧化硅納米材料組成； 5)將ニ氧化硅納米碗層作為刻蝕掩膜，對GaN外延片進行ICP刻蝕；刻蝕時同時使用Cl2, BCl3和Ar2三種氣體作為刻蝕氣體，其中Cl2流量為30 lOOsccm，BCl3流量為5 20sccm, Ar2流量為5 25sccm ;刻蝕功率為300 700W ;射頻功率為50 200W ;刻蝕時間為3 15min ;刻蝕結(jié)束后，采用BOE溶液將GaN外延片上的殘留ニ氧化硅納米碗層去除干凈; 然后進行ICP刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有P-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述掩膜氯化銫薄膜層蒸鍍時間為5 40min。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有P-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述各個氯化銫納米島的直徑分別為100 900nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有P-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述BOE溶液由HF和NH4F混合形成的混合溶液，所述HF和NH4F投料的體積比為1:7。
全文摘要
具有p-GaN層納米碗狀表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，涉及光電器件生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。先在GaN外延片的P-GaN層的表面蒸鍍刻蝕用掩膜氯化銫薄膜層；向蒸發(fā)臺腔室中充入水汽，形成多個氯化銫納米島，再在具有氯化銫納米島上沉積二氧化硅層；將外延片放入去離子水中浸泡或超聲處理，形成二氧化硅納米碗層，再將二氧化硅納米碗層作為刻蝕掩膜，刻蝕結(jié)束后，將GaN外延片上的殘留二氧化硅納米碗層去除干凈；將GaN外延片的一側(cè)的進行ICP刻蝕，形成臺面，在GaN外延片的上表面蒸鍍ITO薄膜，等。經(jīng)表面粗化后的GaN-LED比常規(guī)GaN-LED的光功率提高了35%以上。
文檔編號H01L33/22GK102790153SQ20121028165
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者張溢, 李璟, 李鴻漸 申請人:揚州中科半導(dǎo)體照明有限公司