一种氮化镓基发光二极管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化镓基发光二极管及其制备方法，所述氮化镓基发光二极管包括X型氮化镓层和设置于X型氮化镓层上的X型电极；所述X型电极下部的X型氮化镓层上形成有电流阻隔区域；电流阻隔区域的面积小于X型电极的面积；所述X型氮化镓层为N型氮化镓层或P型氮化镓层，所述X型电极对应X型氮化镓层为N型电极或P型电极。本发明利用光刻和等离子干法刻蚀技术，使被处理表面形成高阻区域，最终实现电流分向导引的目的，使LED电极区域的无效发光被大大降低。
【专利说明】一种氮化镓基发光二极管及其制备方法
【技术领域】:
[0001]本发明属于氮化镓基发光二极管制造工艺【技术领域】，具体涉及一种氮化镓基发光二极管及其制备方法。
【背景技术】:
[0002]发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)的发展经历了数十年历史，已经在信号显示、背光源和固态照明领域获得了极其广泛的应用，给人类的生活带来了各种便利。以II1-V族化合物氮化镓(GaN)材料为基础的LED器件(包括其同族In、Al元素掺杂获得的各种合金材料体系)可以覆盖从深紫外到可见光的大部分波段。LED器件制造大多是通过外延方式生长形成P-型和N-型层薄膜材料，并在P-型和N-型层间生长不同能带结构的周期性多层材料组成载流子复合区即发光区。其外延生长衬底多采用蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)等材料，然后再利用半导体加工工艺完成芯片工作区域定义、电极的制作和表面织构化等步骤形成发光器件，最终经封装后加上正向电压使其而发光。在器件设计工作中，根据能带设计理论和实际工艺调控，可以实现不同范围波长的光输出，并获得广泛的实际应用。
[0003]水平结构LED器件是将N型和P型电极置于LED薄膜的同一侧，而在此薄膜的底层是绝缘的蓝宝石材料衬底。P-型和N-型电极制作是采用光刻、局部干法刻蚀、物理气相沉积等工艺加工获得，分布在芯片同一表面的不同位置，其注入工作电流由水平方向流过LED的发光区。这种器件由于不均匀的电子横向注入和侧面扩散导致从P-型电极区到N-型电极区的不均匀电流注入，限制了单颗LED最大芯片尺寸以及整体器件的发光效率。同时由于氮化镓材料和空气或封装材料的折射率差异较大，其全反射角较大导致出光效率低。另一种器件是采用芯片倒置的方式，将芯片通过厚的金属焊层与导电材料如硅衬底压合在一起，同时在芯片制备时使用高反射镜结构，使芯片从蓝宝石面出光，可以获得更高的发光效率，但P和N极仍处于同一层。第三种方法是彻底改变LED器件的结构，采用紫外激光剥离等衬底去除和转移的方式，利用紫外激光在蓝宝石材料与GaN材料的界面的强烈光吸收产生GaN局部热分解，实现LED薄膜和蓝宝石衬底的分离。使N-型和P-型电极从水平结构变成垂直结构，即注入电流主要以垂直于薄膜表面的方式均匀流过LED器件结构，实现垂直结构LED器件，不仅大幅度提高工作电流，且由于散热效果同时获得改善，其器件的可靠性也大幅度提升。
[0004]但在以上各种结构LED芯片结构中，由于电极焊盘下方是电流注入最集中的区域，该区域发光效果最为明显，然而由于电极的遮挡使其形成无效发光(被电极反射后在器件内部再经多次反射被材料吸收形成热效应)，因此在LED芯片工艺中已经普遍采用绝缘材料制备电流阻隔层(CBL - current blocking layer),使注入电流减少或避开此区域,减少了无效发光。这种工艺需要在电极之下的氮化镓表面上，利用化学气相沉积、光刻、湿法蚀刻制备具有一定厚度的电介质材料层，如氮化硅或氧化硅；由于该位置的多界面特性其表面状况较为复杂，若工艺处理不当，很容易带来后续大面积掉电极等一系列量产异常状况，并造成无法挽回的损失。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于，提供一种氮化镓基发光二极管及其制备方法，以改善和提高氮化镓基发光二极管发光效率。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]一种氮化镓基发光二极管，包括X型氮化镓层和设置于X型氮化镓层上的X型电极；所述X型电极下部的X型氮化镓层上形成有电流阻隔区域；电流阻隔区域的面积小于X型电极的面积；所述X型氮化镓层为N型氮化镓层或P型氮化镓层，所述X型电极对应X型氮化镓层为N型电极或P型电极。
[0008]本发明进一步的改进在于:所述电流阻隔区域为在X型氮化镓层上采用等离子体进行干法刻蚀，使该区域P型氮化镓材料的导电能力下降而形成。
[0009]本发明进一步的改进在于:X型电极的下部设有反光镜层。
[0010]本发明进一步的改进在于:所述氮化镓基发光二极管工作时，电流阻隔区域具有电流阻挡作用对电流分向导弓丨，电流从X型氮化镓层的电流阻隔区域以外的其他低阻区域流过，减少了 X型电极因遮挡效应造成的发光损失，间接提高电流阻隔区域以外其他区域的发光。
[0011]本发明进一步的改进在于:采用等离子体进行干法刻蚀制备电流阻隔区域时，采用O2等离子体、F基等离子体或两者混合等离子。
[0012]本发明进一步的改进在于:所述氮化镓基发光二极管为水平结构，所述X型氮化镓层为P型氮化镓层，所述X型电极为P型电极；p型氮化镓层下方依次设有多量子阱层、N型氮化镓层和衬底；P型氮化镓层上设有TCL透明导电层TCL透明导电层部分被刻蚀掉露出P型氮化镓层上的电流阻隔区域；P型电极设置于TCL透明导电层被刻蚀掉部分的上部；N型氮化镓层(11)上形成有N电极区域，N电极区域上设有N型电极。
[0013]本发明进一步的改进在于:所述氮化镓基发光二极管为垂直结构，所述X型氮化镓层为N型氮化镓层，所述X型电极为N型电极；N型氮化镓层下方依次设有多量子阱层、P型氮化镓层、金属键合层、导电衬底和焊接层。
[0014]本发明进一步的改进在于:电流阻隔区域的比接触电阻率>10_5Ω.cm2。
[0015]一种氮化镓基发光二极管的制备方法，在所述X型氮化镓层上利用O基等离子体、F基等离子体或二者混合的离子体对该X型氮化镓层上部分区域进行等离子干法刻蚀，使该区域X型氮化镓材料的导电能力下降，获得电流阻隔区域；然后再在电流阻隔区域的上方制备出X型电极。
[0016]本发明利用光刻和等离子干法刻蚀技术，对LED芯片P型电极下区域进行表面处理，使其成为高阻区域以获得电流阻挡效果，使电流从P型氮化镓层其他低阻区域流过，减少了该电极区域因遮挡效应造成的发光损失，间接提高其他区域的发光，并使用铝镜或银镜作为P电极金属结构的组成部分，从而实现高效发光的目的。
[0017]本发明中，外延生长工艺包括但不限于金属有机化学气相外延，分子束外延、原子层外延、脉冲激光溅射；外延生长衬底的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅、氧化锌，其晶向包括但不限于0001等极化、半极化和非极化方向；所选衬底包含各种特征尺寸的图形化表面结构。
[0018]本发明中，LED芯片(氮化镓基发光二极管)包括但不限于水平结构LED芯片、倒装结构LED芯片、垂直结构LED芯片，或其他特有结构的LED芯片。
[0019]本发明中，等离子干法刻蚀工艺，包括但不限于O2等离子体、F基等离子体、或两者混合等离子。
[0020]本发明中，芯片制备工艺流程，包括但不限于光刻、湿法和干法刻蚀、电子束或溅射、化学气相沉积、退火方法。
[0021]本发明中，P型氮化镓层上设有P型电极下的反光镜层，为单一或多层金属或化合物结构，包括但不限于银、铝、金、DBR或ODR层。
[0022]本发明中，P型氮化镓层上设有P型电极金属层、N型氮化镓层上设置有N型电极金属层，分别与Ρ/N型层半导体材料形成良好欧姆接触，为单一或多层金属结构，包括但不限于镍、钛，铝，金，钼及其合金。
[0023]本发明利用光刻和等离子干法刻蚀技术，使被处理表面形成高阻区域，最终实现电流分向导引的目的，使LED电极区域的无效发光被大大降低。其相对于现有技术，具有以下有益效果:
[0024](I)工艺制作简单减少了原有工艺步骤，省去了介质膜沉积和化学湿法蚀刻工艺，在减少工艺步骤的同也降低了产业化生产成本；(2)采用线宽精细度达到数十纳米级别的干法刻工艺，替代线宽精细度为微米级别的湿法蚀刻工艺，使工艺控制能力大大提升；(3)本发明在氮化镓和电极层之间不再引入其他材料和界面，降低了界面复杂程度，可以避免因界面状况复杂和化学湿法蚀刻处理不当造成的后续掉电极状况，提高工艺良品率；(4)本发明不但可用于水平结构LED芯片，同时也适用于制作其他各种结构的LED芯片。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为水平结构LED芯片的结构示意图；
[0026]图2为垂直结构LED芯片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0028]本发明一种氮化镓基发光二极管的制备方法，利用光刻和等离子干法刻蚀技术，对LED芯片P型电极下区域进行表面处理，使其成为高阻区域以获得电流阻挡效果，使电流从P型氮化镓层其他低阻区域流过，减少了该电极区域因遮挡效应造成的发光损失，间接提高其他区域的发光，并使用铝镜或银镜作为P电极金属结构的组成部分，从而实现高效发光的目的，该制备方法至少包括以下步骤:
[0029]I)利用 MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长获得LED外延结构，LED外延结构包括衬底10和依次沉淀在和P型氮化镓层13 ;通过光刻方式在晶圆表面形成N电极区域，再利用干法刻蚀工艺对该区域外延层进行刻蚀暴露出N型氮化镓，形成同侧PN结，完成的芯片图形和尺寸定义；
[0030]2)在LED外延片P型氮化镓层13之上，利用PVD物理沉积技术如电子束蒸发或溅射法，制备TCL透明导电层15，TCL透明导电层15的材质如镍金或ITO氧化铟锡导电材料；再按照LED芯片设计，利用光刻和湿法蚀刻工艺完成所需TCL透明导电层的制备；
[0031]3)制备P电极区域下的电流阻隔层17，该方法与常规在电极下利用电介质材料(如氧化硅或氮化硅)形成一层不导电的绝缘层不同，其是利用光刻技术将P型电极162下部的部分TCL透明导电层15刻蚀掉，以使P型氮化镓层13的一部分暴露出来，其他区域则用光刻胶进行保护。然后采取等离子干法刻蚀技术，利用O、F基等离子体对该区域进行干法刻蚀，使该区域P型氮化镓材料的导电能力急剧下降，以获得高阻区域的电流阻隔层17，电流阻隔层的比接触电阻率>10_5Ω.cm2 ；
[0032]4)通过制作P型电极(高反射镜、欧姆电极)162、N型电极161、钝化保护层14最终完成LED芯片的前道制作工艺。P型电极162设置在TCL透明导电层15被刻蚀掉部分的上部。
[0033]本发明中，外延生长工艺包括但不限于金属有机化学气相外延，分子束外延、原子层外延、脉冲激光溅射；所述外延生长衬底的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅、氧化锌，其晶向包括但不限于0001等极化、半极化和非极化方向；所选衬底包含各种特征尺寸的图形化表面结构。
[0034]本发明中，LED芯片包括但不限于水平结构LED芯片、倒装结构LED芯片、垂直结构LED芯片，或其他特有结构的LED芯片。图2为垂直结构LED芯片，N型氮化镓层11上设有N型电极161 ;N型氮化镓层11下方依次设有多量子阱层12、P型氮化镓层13、金属键合层20、导电衬底21和焊接层22 ;N型电极161下方的N型氮化镓层11上设有电流阻隔层17。
[0035]本发明中，等离子干法刻蚀工艺，包括但不限于O2等离子体、F基等离子体、或两者混合等离子。
[0036]本发明中，芯片制备工艺流程，包括但不限于光刻、湿法和干法刻蚀、电子束或溅射、化学气相沉积、退火方法。
[0037]本发明中，P型氮化镓层上设有P型电极下的反光镜层，为单一或多层金属或化合物结构，包括但不限于银、铝、金、DBR或ODR层。
[0038]本发明中，P型氮化镓层上设有P型电极金属层、N型氮化镓层上设置有N型电极金属层，分别与Ρ/N型层半导体材料形成良好欧姆接触，为单一或多层金属结构，包括但不限于镍、钛，铝，金，钼及其合金。
【权利要求】
1.一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，包括X型氮化镓层和设置于X型氮化镓层上的X型电极；所述X型电极下部的X型氮化镓层上形成有电流阻隔区域；电流阻隔区域的面积小于X型电极的面积；所述X型氮化镓层为N型氮化镓层或P型氮化镓层，所述X型电极对应X型氮化镓层为N型电极或P型电极。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述电流阻隔区域为在X型氮化镓层上采用等离子体进行干法刻蚀，使该区域P型氮化镓材料的导电能力下降而形成。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，X型电极的下部设有反光镜层。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管工作时，电流阻隔区域具有电流阻挡作用对电流分向导弓丨，电流从X型氮化镓层的电流阻隔区域以外的其他低阻区域流过，减少了 X型电极因遮挡效应造成的发光损失，间接提高电流阻隔区域以外其他区域的发光。
5.根据权利要求2所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，采用等离子体进行干法刻蚀制备电流阻隔区域时，采用O2等离子体、F基等离子体或两者混合等离子。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管为水平结构，所述X型氮化镓层为P型氮化镓层，所述X型电极为P型电极；P型氮化镓层下方依次设有多量子阱层(12)、N型氮化镓层(11)和衬底(10) ;P型氮化镓层上设有TCL透明导电层(15)，TCL透明导电层(15)部分被刻蚀掉露出P型氮化镓层上的电流阻隔区域；P型电极设置于TCL透明导电层(15)被刻蚀掉部分的上部；N型氮化镓层(11)上形成有N电极区域，N电极区域上设有N型电极。
7.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管为垂直结构，所述X型氮化镓层为N型氮化镓层，所述X型电极为N型电极；N型氮化镓层下方依次设有多量子阱层(12)、P型氮化镓层(13)、金属键合层(20)、导电衬底(21)和焊接层(22)。
8.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，电流阻隔区域的比接触电阻率>10_5Ω.cm2。
9.权利要求1至8中任一项所述的一种氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于，在所述X型氮化镓层上利用O基等离子体、F基等离子体或二者混合的离子体对该X型氮化镓层上部分区域进行等离子干法刻蚀，使该区域X型氮化镓材料的导电能力下降，获得电流阻隔区域，其中比接触电阻率>10_5Ω.cm2 ;然后再在电流阻隔区域的上方制备出X型电极。
【文档编号】H01L33/00GK103715339SQ201310665463
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】云峰, 郭茂峰 申请人:西安交通大学