专利名称：GaN基发光二极管表面粗化的处理方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件制造技术领域，具体地说是一种GaN基发 光二极管LED表面粗化的处理方法，可用于提高器件的发光效率。
技术背景GaN基发光二极管LED以其寿命长、可靠性高、高效节能等优异特性在 显示技术和固态照明领域具有广泛的应用。目前，GaN蓝光LED发光效率为 几个流明/瓦，GaN白光LED，即蓝光+荧光粉的发光效率通常为几十流明/瓦， 与白炽灯相当，但仍低于荧光灯水平。因此，如何提高发光效率成为GaN基 LED面临的一个主要技术瓶颈。提高LED发光效率的方法有二 一是提高器件的内量子效率，这可以通 过提高材料质量和改善器件结构来实现；二是提高器件的外量子效率，即提 高LED的光取出率。目前，典型的GaN蓝光LED的内量子效率可达70y。以 上，GaN紫外LED的内量子效率可达80。/。，因此进一步大幅度提高内量子效 率的可能性不大。而相对于内量子效率，普通GaN基LED的外量子效率仅为 百分之几，这是由于GaN与空气的折射系数相差很大，GaN与空气界面的全 反射临界角为23。，在有源区产生的光仅有很小一部分可以射出到空气中。因 此，粗化的GaN基LED表面可以减小内部的光反射，增加光取出率，从而显 著的提高器件的发光效率。目前用于GaN基LED表面粗化的处理方法归纳起来有两种类型。 一类是 直接生长表面粗糙的p型GaN帽层。该方法基于的原理是在诸如低温等生长 条件下，成核岛的横向生长减速，易于沿纵向生长，而为了减少光吸收p型 GaN层很薄，因此，生长停止后许多成核岛尚未完全合并，形成了大量表面 凹坑，增大了表面的散射出光。然而，伴随着表面质量的劣化，样品的结晶 质量显著降低，尤其是未合并区域p型GaN的缺失，会影响器件材料的光电 特性并降低LED的可靠性。另外，通过调整生长参数来控制样品表面的粗糙 程度，在工艺上也很不稳定。第二类表面粗化的方法是对GaN基LED表面进行后处理。现有的方法主要有光辅助电化学腐蚀PEC、 KOH溶液湿法腐蚀、强酸溶液湿法腐蚀、干 法刻蚀、压印光刻和制作金属掩模选区腐蚀。其中，PEC法腐蚀掉的区域是 晶格完整的区域，而未被腐蚀掉的p型GaN是位错所在的区域，这将会影响 LED的其它光电特性。由于Ga极性面GaN的高化学稳定性，大量实验表明 KOH溶液不能将其腐蚀，因而该方法表面粗化的效果并不十分明显，尤其是 对于结晶质量较高的p型GaN层。强酸溶液可以将Ga极性面GaN在其位错 表面露头处选择性腐蚀，但对于位错密度低的样品粗化效果会降低。干法刻 蚀方法形成的表面起伏不规则，随机性很大，压印光刻和金属掩模选区腐蚀 方法，虽然可以得到形状规则分布规律的表面凹坑，但工艺复杂，在生产应 用中将增加加工复杂度，增加生产成本。 发明内容本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种GaN基发光 二极管表面粗化的处理方法，以提高器件的光取出率，同时不影响器件的其 它光电特性。本发明的技术方案是为实现上述目的，本发明给出一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，该方法的实现步骤如下(1) 在600 °C ~750°C的低温条件下生长GaN基LED外延片中的p型 GaN帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从 而使该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性；(2) 在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀LED外延片，p型 GaN层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密 集的形状规则的腐蚀坑。上述技术方案中所说的GaN基LED外延片，是采用常规的GaN基LED 结构，用MOCVD技术制备，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、未掺杂 GaN层、n型GaN层、n型AlGaN层、量子阱、p型AlGaN层和p鱼GaN 层，其中，p型GaN层的厚度为50nm 200nm。上述技术方案中所说的腐蚀温度和时间，应根据腐蚀后样品表面形貌进 行调整。对于不熟悉其特性的新工艺条件下生长的外延片，应先进行抽样， 初次腐蚀可选取的温度范围为220 °C~250 °C，时间范围为2min 4min。若腐 蚀坑深度超过p型GaN层厚度的1/2，应降低腐蚀温度或减小腐蚀时间，否则可能影响器件的光电特性；在满足腐蚀坑深度要求的前提下，若相邻腐蚀 坑的平均间距大于0.2pm，应维持腐蚀温度不变，增大腐蚀时间，继续进行腐 蚀，直至满足要求。本发明与现有技术相比具有的优点1 、本发明结合了通过腐蚀进行表面粗化和通过改变生长工艺进行表面粗化两种方法的优势，去除了二者的不足。通过控制p型GaN帽层的生长温度， 得到了高密度笔直传播的位错。 一方面，这种类型的位错形貌增大了位错与 外延片表面相交几率，从而增加了位错的腐蚀坑数目，增强了表面粗化的效 果；另一方面，这种类型的位错形貌对p型GaN层结晶质量的影响不大，因 而器件的其它光电特性并不因表面粗化而降低。2、 本发明利用了熔融的KOH可将Ga面极性的GaN在其位错表面露头 处被选择性腐蚀这一晶体自身的特点，得到的表面凹坑形状规则分布规律， 因而增强了粗化效果。3、 本发明提供的表面粗化方法成本低，工序简单，操作方便，易于控制， 稳定可靠，因而适用于工业上大规模批量生产。4、 本发明的腐蚀法中被腐蚀掉的区域为位错所在区域，被保存下来的区 域是结晶质量完好的区域，因而，本发明提供的表面粗化方法可以在提高GaN 基LED光取出率的同时不影响器件的其它特性。5、 本发明通过调整腐蚀温度和时间可使不同质量的LED外延片均可收 到良好粗化效果，因此p型GaN层的生长参数可在一定范围内进行调整波动， 从而降低了对MOCVD生长工艺的要求。
图1是本发明的GaN基LED表面粗化处理过程示意图，上图为以低温 p-GaN作为帽层的GaN基LED外延片结构剖面示意图，下图为经腐蚀处理后 制成的GaN基LED器件剖面示意2是本发明原理的示意图，其中图2a是普通LED结构中大量光子在GaN层与空气界面处被全及射的示意2b是采用本发明方法进行处理后的LED器件表面的出光角度显著增 加的示意3是本发明实施例的GaN基LED外延片经表面粗化处理后表面形貌的 高分辨SEM图具体实施方式
参照图l，它是本发明的GaN基LED表面粗化处理过程示意图。其具体 实现过程分述如下-1、 在600°C 750。C的低温条件下生长GaN基LED外延片中的p型GaN 帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从而使 该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性。图1中上图为以低温p-GaN 作为帽层的GaN基LED外延片结构剖面示意图，图中帽层的竖线表示该层含 有大量垂直于表面传播的位错。2、 在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀LED外延片，p型GaN 层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密集的 形状规则的腐蚀坑。图1中的下图为经腐蚀处理后制成的GaN基LED器件剖 面示意图。图中的标记分别是衬底l、缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型GaN 层4、量子阱5、 p型AlGaN层6、 p型GaN层7、 P电极欧姆接触8、 P电极 欧姆接触9。GaN基LED外延片的制备是通过MOCVD技术实现的，其结构示意图见 图l。其中，衬底l材料可采用蓝宝石Al203、 SiC、 Si、 GaN等等。缓冲层2 可采用低温GaN层、低温A1N层、低温GaN/AlN层等等。在采用GaN为衬 底时可以不生长低温缓冲层和非掺杂GaN层。量子阱5可采用单量子阱，也 可采用多量子阱，量子阱结构有InGaN/GaN结构、GaN/AlGaN结构、 InGaN/AlGaN结构、InxGa^N/IiiyGaLyN结构等等。p型GaN层7的厚度为 50nm 200nm，温度为600 °C ~750°C。外延结构中也可以在n型GaN层4和 量子阱5之间插入n型AlGaN层。在p型AlGaN层6上生长的p型GaN层7的成核岛处于应变状态，应力 未被释放，因而其内部的晶格结构完整，但由于岛与岛之间存在一定取向差， 位错便产生于成核岛合并的过程中。若温度较高，Ga原子表面迁移率较大， 位错易于发生弯曲，改变传播方向。而在低温下，Ga原子表面迁移率降低， 横向疏运降低，位于成核岛交界处的位错不易弯向晶粒内部，而是笔直地向 上传播，同时，低温下低的Ga原子表面迁移率使得成核岛密度增大，成核岛之间的取向差加大，因而在岛的合并过程中引入的位错增多。由于位错笔直 地位于成核岛交界处，未向成核岛内部弯曲，占大部分晶体面积的成核岛内 部是完好的晶格，在后续的腐蚀粗化工序中，低晶体质量材料的大部分将被 腐蚀去除，帽层的剩余部分为高结晶质量的区域，对材料的光学特性无影响， 从而对器件的光电特性不产生影响。同时，高密度的垂直于外延表面的位错 在后序的腐蚀过程中形成了密集的形状规则的腐蚀坑，加强了粗化效果。但 若生长温度过低，原子并入成核岛变得无序，并且成核岛的合并也减慢，晶体的结晶质量将会显著降低，从而影响LED器件的电特性。在设定的温度和时间下用熔融的KOH腐蚀LED外延片，包括下列步骤(1) 设定初始腐蚀条件对于不熟悉其特性的新工艺条件下生长的外延 片，应先进行抽样，初次腐蚀可选取的温度范围为220。C 250。C，时间范围 为2min 4min，按照下述步骤2~7进行腐蚀；对于熟悉其特性的稳定工艺条 件下生长的外延片，腐蚀的温度和时间设定为经验值，按照下述步骤2 5进 行腐蚀；(2) 清洗对于在空气中放置已久的外延片应先去除表面有机沾污，方 法是依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗3分钟,其中丙酮和酒精为MOS 级，离子水的电阻率M5MQ-cm;(3) 预热插入PtlOO热电阻的镍坩埚放在可控温石墨加热炉上预热至 100。C以上，去除坩埚中水分。PtlOO热电阻与温度显示器相连，其温度显示 精确在0.5°(:以内，实验温度以PtlOO热电阻测量为准，而不以石墨加热炉的 温度为准；(4) 腐蚀加入无水氢氧化钾晶粒，加热到设定温度，稳定3到5分钟。 用镊子将样片放入熔融的氢氧化钾中，迅速盖好锅盖并开始计时。到达指定 时间后，用镊子将样片迅速取出并投入去离子水中，再用去离子水冲洗样片。 整个过程应戴好防护手套和眼罩，避免氢氧化钾与皮肤接触，避免吸入氢氧 化钾蒸汽，遵守实验室安全规章；(5) 收尾:将镍坩埚中的残余氢氧化钾冷却至室温后用水稀释，并用稀 盐酸中和后排出，用去离子水清洗坩埚并用氮气吹干，以备下次使用；(6) 检测腐蚀坑深度用AFM检测样品腐蚀坑的平均深度，若腐蚀坑 平均深度超过p型GaN层厚度的1/2，应降低腐蚀温度或减小腐蚀时间，重复上述步骤2 5;若腐蚀坑平均深度小于p型GaN层厚度的1/2，继续下述步骤7;(7)检测腐蚀坑平均间距用SEM检测样品腐蚀后的表面形貌，若相 邻腐蚀坑的平均间距大于0.2^im，应保持原腐蚀温度不变，根据现有的腐蚀坑 平均间距与要求的腐蚀坑平均间距数值相差大小设定腐蚀时间，重复上述腐 蚀步骤2 6;若相邻腐蚀坑的平均间距小于0.2)nm，可停止腐蚀过程。参照图2，它是本发明原理的示意图，图2a是普通LED结构中大量光子 在GaN层与空气界面处被全反射的示意图，在有源区产生的光仅有很小一部 分可以射出到空气中，图2b是采用本发明方法进行处理后的LED器件表面 的出光角度显著增加的示意图，图中虚线表示位错，密集的形状规则的腐蚀 坑在位错表面露头处形成，显著增加了器件表面的出光角度，从而增加了 LED 的光取出率。参照图3，它是本发明实施例的GaN基LED外延片经表面粗化处理后表 面形貌的高分辨SEM图。在MOCVD系统中，在蓝宝石衬底上依次生长LED 结构，并在完整的LED结构上生长低温p型GaN帽层。低温p型GaN帽层 的典型工艺为厚度50 100nm，生长温度750°C,反应室压力为100Torr。 将生长完毕的外延片按照上述腐蚀程序进行腐蚀。初始的腐蚀温度为230°C， 腐蚀时间为3min。用AFM检测腐蚀后样品的表面形貌，分别在外延片的中 心位置和边缘对称的四个位置上，选取2pmx2pm区域进行扫描，用AFM的 截面深度分析工具测量该区域内所有腐蚀坑的深度，求其平均，对所测外延 片的五个位置上的深度平均值再次求平均，得到该外延片腐蚀坑深度平均值， 该值为llnm，远小于p型GaN层厚度。用SEM检测后样品的表面形貌，同 样分别在外延片的中心位置和边缘对称的四个位置上，在放大倍数为10000 倍下进行扫描，按SEM图片上的标度测量腐蚀坑的平均间距，该值为0.5nm， 大于满足粗化要求的腐蚀坑平均间距，因此，在230。C下继续腐蚀3min，按 上述方法测得腐蚀坑的平均深度为20nm，腐蚀坑的平均间距为0.2pm，腐蚀 过程结束，腐蚀后形貌如图3所示。
权利要求
1、一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，其具体实现步骤如下(1)在600℃～750℃的低温条件下生长GaN基LED外延片中的p型GaN帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从而使该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性；(2)在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀LED外延片，p型GaN层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密集的形状规则的腐蚀坑。
2. 根据权利要求1所述的GaN基发光二极管表面粗化的处理方法， 其特征在于，所说的GaN基LED外延片，是采用常规的GaN基LED结构， 用MOCVD技术制备，其结构从下至上fk次为衬底(1)、缓冲层(2)、未掺 杂GaN层(3)、 n型GaN层(4)、量子阱(5)、 p型AlGaN层(6)和p型 GaN层(7)，其中，p型GaN层的厚度为50nm 200nm;
3. 根据权利要求1所述的GaN基发光二极管表面粗化的处理方法， 其特征在于，所说的腐蚀温度和时间，应根据腐蚀后样品表面形貌进行调整； 对于不熟悉其特性的新工艺条件下生长的外延片，应先进行抽样，初次腐蚀 可选取的温度范围为220 °C~250 °C，时间范围为2min 4min;若腐蚀坑深度 超过p型GaN层厚度的1/2，应降低腐蚀温度或减小腐蚀时间，否则可能影 响器件的光电特性；在满足腐蚀坑深度要求的前提下，若相邻腐蚀坑的平均 间距大于0.2)im，应维持腐蚀温度不变，增大腐蚀时间，继续进行腐蚀，直至 满足要求。
全文摘要
本发明公开了一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，它涉及半导体光电子器件制造技术领域，其目的在于，采用该方法可以在不影响器件的其它光电特性的情况下，提高器件的光取出率。该方法的实现过程为(1)在600℃～750℃的低温条件下，生长GaN基发光二极管外延片中的p型GaN帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从而使该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性；(2)在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀发光二极管外延片，p型GaN层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密集的形状规则的腐蚀坑。本发明可用于提高器件的发光效率。
文档编号H01L33/00GK101226977SQ200710199280
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者周小伟, 李培咸, 跃 郝, 高志远 申请人:西安电子科技大学