专利名称：具有p-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电器件领域，具体涉及一种具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种低压直流驱动的电致发光固态光源，它具有色纯度高，响应速度快，体积小，可靠性好，寿命长，环保等优点。LED光源的这些优点，将引发照明产业技术和应用的革命，如同半导体晶体管替代电子管一样，在若干年后，用LED作为新光源的固态照明灯，将有机会逐渐取代传统的照明灯而进入寻常百姓家。目前，一般采用蓝宝石衬底的外延片来制备高效率的GaN基LED。如何提高GaN基 LED的发光效率是一直以来的研究重点。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二级管的内量子效率已有了非常大的提高，目前蓝光GaN基的LED内量子效率可达 70 %以上，但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40 %左右，大功率LED芯片的光提取效率较低影响了外量子效率的提高，影响了最终出光效率的提高。这是因为GaN材料的折射率(n = 2. 5)与空气(n = 1)和蓝宝石衬底(n = 1. 75)相差较大，导致空气与GaN界面以及蓝宝石与GaN界面发生全反射的临界角分别只有23. 6°和44. 4°，有源区产生的光只有少数逃逸到材料体外。这就要求从芯片结构方面进行设计，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，提高大功率芯片的光提取效率。目前国内外采用的主要技术方案有生长分布布喇格反射层(DBR)结构、表面粗化技术和光子晶体技术等。表面粗化技术制作工艺较DBR和光子晶体简单、成本低，是目前被普遍看好的技术。表面粗化分为湿法粗化和干法粗化两种。 湿法粗化是利用强酸或强碱腐蚀GaN材料表面，形成自然的粗糙效果，如专利CN101248537 和CN101409321。但是，湿法粗化存在各向同性、容易钻蚀和过蚀等缺点，粗化的尺寸和深度受到限制，对于光的有效提取作用不明显。干法粗化是通过掩膜掩蔽，采用ICP刻蚀GaN材料表面达到粗糙化的效果。干法粗化具有各项异性刻蚀、刻蚀速率快等优点。如何制作纳米量级的掩膜是干法粗化工艺的难点。专利CN101702419采用旋涂法涂覆M纳米颗粒作为干法刻蚀的掩膜，专利CN101656^4采用ITO颗粒作为干法刻蚀的掩膜，这些方法都存在无法准确控制掩膜尺寸和均勻性的缺点，导致2英寸GaN片表面粗化的效果不一致，光提取效率的提高不均勻。而且掩膜的去除需要使用强酸类，强酸会使GaN材料表面氧化，导致器件正向电压升高。
发明内容
针对现有干法粗化P-GaN材料掩膜存在的缺陷和不足，本发明提供了一种具有 P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，该方法具有工艺简单，成本低，粗化效果好，光提取效率高。经表面粗化后的GaN-LED比常规GaN-LED的光功率提高70%以上。本发明提供一种具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括如下步骤步骤1 采用金属有机化学气相沉积的方法，在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层，形成GaN外延片；步骤2 将GaN外延片放入蒸发台，在P-GaN层的表面蒸镀CsCl或氯化物；步骤3 蒸镀结束后，向蒸发台腔室中充入水汽，控制相对湿度使P-GaN层表面的 CsCl或氯化物吸收水分逐渐长大形成CsCl或氯化物的纳米岛；步骤4 将CsCl或氯化物纳米岛作为刻蚀掩膜，对GaN外延片进行刻蚀，形成表面粗化的GaN外延片；步骤5 再将GaN外延片的一侧进行刻蚀，形成台面；步骤6 在GaN外延片的上表面蒸镀一层ITO薄膜；步骤7 在GaN外延片的上表面制作P电极，在台面上制作N电极，完成器件制备。其中所述半导体衬底1为蓝宝石、硅、碳化硅或金属。其中纳米岛的直径为100-20000纳米。其中对GaN外延片进行刻蚀时使用Cl2/BCl3/Ar2作为刻蚀气体，BCl3流量为 3-20sccm, Ar2流量为3_2kccm，Cl2流量为30_100sccm ；刻蚀功率为300-700W ；射频功率为50-200W ；刻蚀时间为IOs-IOmin0其中表面粗化的GaN外延片的粗糙度为5nm-50nm。其中台面的刻蚀深度到达N-GaN层内。其中对P-GaN层进行表面粗化时，所刻蚀的深度小于厚度的1/2。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中图1是常规GaN基LED的结构示意图。图2是本发明通过P-GaN层表面粗化提高出光效率的GaN基LED的结构示意图。图3是本发明与现有技术的GaN基LED电流电压关系对比曲线图。图4是本发明与现有技术的GaN基LED电流功率关系对比曲线图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括如下步骤步骤1 采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法，在半导体衬底1上依次生长 1 μ m低温GaN缓冲层2、1 μ m不掺杂GaN层3、3 μ mN-GaN层4、150nm多量子阱发光层5和 300nmP-GaN层6，形成GaN外延片，其中所述半导体衬底1为蓝宝石、硅、碳化硅或金属；步骤2 将GaN外延片放入蒸发台，在P-GaN层6的表面蒸镀刻蚀用掩膜CsCl或氯化物，该氯化物是LiCl、KCl、NaCl、AgCl、TiCl等；步骤3:蒸镀结束后，向蒸发台腔室中充入水汽，控制相对湿度使P-GaN层6表面的CsCl或氯化物吸收水分逐渐长大形成CsCl或氯化物的纳米岛，该纳米岛的直径为 100-20000纳米，占空比1 1;步骤4 将CsCl或氯化物纳米岛作为刻蚀掩膜，对GaN外延片进行ICP (感应耦合等离子体)刻蚀，使用Cl2、BCl3、Ar2作为刻蚀气体，其中Cl2流量为30-100sCCm，BCl3流量为3-20sccm，Ar2流量为3_25sccm ；刻蚀功率为300-700W ；射频功率为50-200W ；刻蚀时间为lOs-lOmin。刻蚀结束后将GaN外延片上的CsCl或氯化物掩膜用去离子水去除干净， P-GaN表面粗糙度为5nm-50nm，由此形成表面粗化的GaN外延片，目的是为了增大出射光面积，增加光的出射几率，减少全反射的发生。对P-GaN层进行表面粗化时，所刻蚀的深度小于厚度的1/2 ；步骤5 再将GaN外延片进行光刻图形制备，选用AZ4620光刻胶作为掩膜，对GaN 外延片的一侧进行ICP刻蚀，去除一侧的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN，形成台面41，该台面41的刻蚀深度700nm-1500nm ；步骤6 在GaN外延片的上表面使用电子束蒸发的方法蒸镀ITO薄膜7，厚度 2400 A。选用AZ6130光刻胶和小王水(3HC1 HNO3)光刻腐蚀出ITO图形，去除P-GaN 6上的部分ITO薄膜和台面41上的ITO薄膜，在P型台面上形成ITO透明电极。ITO透明电极与P-GaN可以形成良好的欧姆接触，可以降低接触电压，从而降低器件的工作电压；步骤7 在P-GaN层6、ITO层7和N-GaN层41上选用负型光刻胶L-300光刻P、N 电极，采用电子束蒸发法蒸镀金属CrPtAu (100/500/10000 A )，剥离后形成P电极8和N电极9。P、N电极金属的厚度较厚，便于封装芯片时打线测试；步骤8 将片子的蓝宝石衬底减薄至150um，划裂成单独芯片，进行器件的I_V特性测试和P-I特性测试。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括如下步骤步骤1 采用金属有机化学气相沉积的方法，在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层，形成GaN外延片；步骤2 将GaN外延片放入蒸发台，在P-GaN层的表面蒸镀CsCl或氯化物；步骤3 蒸镀结束后，向蒸发台腔室中充入水汽，控制相对湿度使P-GaN层表面的CsCl 或氯化物吸收水分逐渐长大形成CsCl或氯化物的纳米岛；步骤4 ^fCsCl或氯化物纳米岛作为刻蚀掩膜，对GaN外延片进行刻蚀，形成表面粗化的GaN外延片；步骤5 再将GaN外延片的一侧进行刻蚀，形成台面；步骤6 在GaN外延片的上表面蒸镀一层ITO薄膜；步骤7 在GaN外延片的上表面制作P电极，在台面上制作N电极，完成器件制备。
2.根据权利要求1所述的具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中所述半导体衬底1为蓝宝石、硅、碳化硅或金属。
3.根据权利要求1所述的具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中纳米岛的直径为100-20000纳米。
4.根据权利要求1所述的具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中对GaN外延片进行刻蚀时使用Cl2/BCl3/Ar2作为刻蚀气体，BCl3流量为3-20sCCm，Ar2流量为3-2kccm，Cl2流量为30-100sccm ；刻蚀功率为300-700W ；射频功率为50-200W ；刻蚀时间为 10s-10min。
5.根据权利要求1所述的具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中表面粗化的GaN外延片的粗糙度为5nm-50nm。
6.根据权利要求1所述的具有P-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中台面的刻蚀深度到达N-GaN层内。
7.根据权利要求5所述的具有p-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其中对P-GaN层进行表面粗化时，所刻蚀的深度小于厚度的1/2。
全文摘要
一种具有p-GaN层表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括采用金属有机化学气相沉积的方法，在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层，形成GaN外延片；将GaN外延片放入蒸发台，在P-GaN层的表面蒸镀CsCl或氯化物；蒸镀结束后，向蒸发台腔室中充入水汽，控制相对湿度使P-GaN层表面的CsCl或氯化物吸收水分逐渐长大形成CsCl或氯化物的纳米岛；将CsCl或氯化物纳米岛作为刻蚀掩膜，对GaN外延片进行刻蚀，形成表面粗化的GaN外延片；再将GaN外延片的一侧进行刻蚀，形成台面；在GaN外延片的上表面蒸镀一层ITO薄膜；在GaN外延片的上表面制作P电极，在台面上制作N电极，完成器件制备。
文档编号H01L33/24GK102157640SQ201110064300
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者孔庆峰, 张杨, 李璟, 王国宏, 魏同波 申请人:中国科学院半导体研究所