专利名称：具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体生产技术领域。
背景技术：
在GaN基正装LED结构中通常采用氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜作为P台面的电流扩展层，ITO的折射率约为2，ITO界面与空气发生全反射的临界角为30°，有源区产生的光只有少数逃逸到ITO之外。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。现在业内通常采用ITO表面粗化技术减小出射光的全反射，以提高光的提取效率。但粗化ITO的难度较大，粗化掩膜的制备和去除较难。
发明内容
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针对现有粗化ITO存在的难点和问题，本发明目的是提出一种具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法。本发明包括以下步骤
1)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法，在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱发光层和P-GaN层，形成GaN外延片；所述半导体衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或金属；
2)在GaN外延片的P-GaN层表面制备厚度为50(T9000A的ITO薄膜层；
3)对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工；
4)采用AZ4620光刻胶作为掩膜，对GaN外延片的一侧进行ICP(感应耦合等离子体)刻蚀，去除一侧的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN,形成深度为1000nnT2000nm的台面；
5)选用AZ6130光刻胶和小王水光刻腐蚀出ITO图形，去除P-GaN层上的部分ITO薄膜层和台面上的ITO薄膜层，在P型台面上形成ITO透明电极；
6)在P-GaN层、ITO层和N-GaN层上选用负型光刻胶L-300光刻P、N电极，采用电子束蒸发法依次蒸镀金属Cr、Pt和Au，剥离后形成P电极和N电极；
7)将半导体衬底减薄，然后划裂成单独芯片。本发明的特点是在对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工时，制作出纳米碗状粗化表面层，所述纳米碗状粗化表面层由相连的多个背面分别连接在P-GaN层上的碗形凹槽组成。本发明提供了一种具有ITO纳米碗状表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，纳米碗状粗化表面层中各碗形凹槽的尺寸和深度可控，这种碗状结构更有利于光提取。本发明所述对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工方法包括以下步骤
1)将覆盖有ITO薄膜层的GaN外延片放入蒸发台，在ITO薄膜层表面蒸镀厚度为100 800nm的氯化铯薄膜层；
2)向蒸发台腔室中充入水汽,使ITO薄膜层表面的氯化铯吸收水分长大形成氯化铯纳米岛，各所述氯化铯纳米岛的直径为100 900nm,相邻的各氯化铯纳米岛的占空比为I :I;
3)在覆盖有氯化铯纳米岛的ITO薄膜层表面采用PECVD(等离子增强型化学气相沉积)法沉积厚度为0. 5 Ium的二氧化硅薄膜层；
4)将外延片放入去离子水中超声处理，去除ITO薄膜层表面的氯化铯纳米岛，在ITO薄膜层表面形成二氧化硅纳米碗层，所述二氧化硅纳米碗层为由相连的多个背面分别朝向ITO薄膜层表面上的碗形二氧化娃纳米材料组成；
5)将二氧化硅纳米碗层作为刻蚀掩膜，对ITO薄膜层表面进行ICP(感应耦合等离子体)刻蚀，使纳米碗层图形转移到ITO薄膜层上；
6)在BOE溶液中超声或浸泡后，将ITO薄膜层表面的二氧化硅去除干净。通过以上工艺，可在ITO薄膜层表面形成纳米碗状粗化表面层，粗糙度为·50-150nm(5X5 um范围)。本发明提出了利用氯化铯和二氧化娃形成纳米碗作为掩膜粗化ITO表面，同时由于氯化铯是盐类，可以直接用去离子水去除干净，SiO2可直接由BOE溶液去除。经过对ITO表面粗化处理后的GaN基LED的光功率可提高30%以上。本发明在对二氧化硅纳米碗层进行ICP (感应耦合等离子体)刻蚀时，同时使用Cl2, BCl3和Ar2作为刻蚀气体，其中Cl2流量为30 lOOsccm, BCl3流量为5 20sccm,Ar2流量为5 25sccm ;刻蚀功率为300 700W ;射频功率为50 200W ;刻蚀时间为3_10min。本发明所述BOE溶液由体积比为1:7的HF和NH4F组成。所述小王水由体积比为3 1的HCl和HNO3组成。所述蒸镀金属Cr、Pt和Au的厚度分别为100 A ,500 A和10000A。
图I为本发明具体实施例步骤2形成的制品结构示意图。图2为本发明具体实施例步骤3中步骤(2)形成的制品结构示意图。图3为本发明具体实施例步骤3中步骤(3)形成的制品结构示意图。图4为本发明具体实施例步骤3中步骤(4)形成的制品结构示意图。图5为本发明具体实施例步骤3中步骤(6)形成的制品结构示意图。图6为本发明具体实施例步骤7形成的制品结构示意图。图7是具有ITO表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED电流电压关系对比曲线。图8是具有ITO表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED发光强度对比曲线。
具体实施例方式一、制作LED芯片
步骤I :采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法，在半导体衬底I上依次生长I y m低温GaN缓冲层2、2iim不掺杂GaN层3、2iim N-GaN层4、250nm多量子阱发光层5和300nmP-GaN层6，形成GaN外延片。上述半导体衬底I可以采用蓝宝石、硅、碳化硅或金属中的任意一种。步骤2 :在GaN外延片的P-GaN层6上表面制备ITO薄膜层，厚度50(T9000A，如图I所示。
步骤3 :对ITO薄膜层7表面进行加工，制作出纳米碗状粗化表面，其以下步骤
(I)将覆盖有ITO薄膜层7的GaN外延片放入蒸发台，在ITO薄膜层7的表面蒸镀氯化铯薄膜，时间5 40min,薄膜后形成的氯化铯薄膜层厚度为100 800nm。(2)蒸镀结束后，向蒸发台腔室中充入水汽，时间5 30分钟，使ITO薄膜层7表面的氯化铯薄膜层吸收水分逐渐长大形成氯化铯纳米岛8，各氯化铯纳米岛的直径分别为100 900nm，岛与岛之间的间距为100 900nm，相邻的各氯化铯纳米岛的占空比为I :
I。如图2所示。(3)在覆盖有氯化铯纳米岛8的ITO薄膜层7表面采用PECVD (等离子增强型化学气相沉积)法沉积二氧化硅薄膜9，厚度0. 5 lum。如图3所示。(4)将上述外延片放入去离子水中超声5 15分钟，去除ITO薄膜层7表面的氯·化铯纳米岛8,在ITO薄膜层7表面形成二氧化娃纳米碗层9。如图4所示,二氧化娃纳米碗层9为由相连的多个背面分别朝向ITO薄膜层7表面上的碗形二氧化硅纳米材料组成。(5)将二氧化硅纳米碗层9作为刻蚀掩膜，对ITO薄膜层7表面进行ICP (感应耦合等离子体)刻蚀，使纳米碗层图形转移到ITO薄膜层7上。刻蚀时同时使用Cl2、BCl3和Ar2作为刻蚀气体，其中Cl2流量为30 lOOsccm，BCl3流量为5 20sccm，Ar2流量为5 25sccm ;刻蚀功率为300 700W ;射频功率为50 200W ;刻蚀时间为3 10 min。(6)将HF和NH4F以体积比1:7的比例混合，形成BOE溶液。将外延片在BOE溶液中超声或浸泡10 90s，将ITO薄膜层7表面的二氧化硅去除干净，露出纳米碗状的ITO粗化表面，ITO的粗糙度为50-150nm (5X5 um范围)。如图5所示。步骤4 :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 (感应耦合等离子体)刻蚀，去除一侧的P-GaN层6、量子阱层5以及部分N-GaN层4,形成台面41,该台面41的刻蚀深度1000nnT2000nm。步骤5 :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薄膜层7和台面41上的ITO薄膜层7，在P型台面上形成ITO透明电极。步骤6 :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厚度分别为100 A ,500 A和10000A的金属Cr、Pt和Au层，剥离后形成P电极10和N电极11。步骤7 :将半导体衬底I减薄至150um，划裂成单独芯片。最后形成的LED芯片结构如图6所示。二、测试本发明的I-V特性和P-I特性，并与普通方法形成的LED芯片进行对比 将本发明以上方法制成的产品与采用普通方法形成的LED芯片分别进行器件的I-V特
性测试和P-I特性测试，分别得到图7、8所示的具有ITO表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED电流电压关系对比曲线和发光强度对比曲线。从图7可见具有ITO表面粗化的GaN基LED与普通GaN基LED电流电压关系对比曲线几乎重合，说明对ITO表面粗化并没有使GaN基LED的电压升高。从图8可见具有ITO表面粗化的GaN基LED比普通GaN基LED发光强度对比曲线。经对ITO表面粗化后的GaN基LED在工作电流为350mA下的光功率比普通GaN基LED提闻30%以上。
权利要求
1.具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，包括以下步骤 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、多量子阱发光层和P-GaN层，形成GaN外延片；所述半导体衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或金属； 2)在GaN外延片的P-GaN层表面制备厚度为500 9000A的ITO薄膜层； 3)对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工； 4)采用AZ4620光刻胶作为掩膜，对GaN外延片的ー侧进行ICP刻蚀，去除ー侧的P-GaN、量子阱以及部分N-GaN,形成深度为1000 2000nm的台面； 5)选用AZ6130光刻胶和小王水光刻腐蚀出ITO图形，去除P-GaN层上的部分ITO薄膜层和台面上的ITO薄膜层，在P型台面上形成ITO透明电极； 6)在P-GaN层、ITO层和N-GaN层上选用负型光刻胶L-300光刻P、N电极，采用电子束蒸发法依次蒸镀金属Cr、Pt和Au，剥离后形成P电极和N电极； 7)将半导体衬底减薄，然后划裂成単独芯片； 其特征在于在对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工时，制作出納米碗状粗化表面层，所述纳米碗状粗化表面层由相连的多个背面分别连接在P-GaN层上的碗形凹槽组成。
2.根据权利要求I所述具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工方法包括以下步骤 1)将覆盖有ITO薄膜层的GaN外延片放入蒸发台，在ITO薄膜层表面蒸镀厚度为100 800nm的氯化铯薄膜层； 2)向蒸发台腔室中充入水汽,使ITO薄膜层表面的氯化铯吸收水分长大形成氯化铯纳米岛，各所述氯化铯纳米岛的直径为100 900nm,相邻的各氯化铯纳米岛的占空比为I :I ; 3)在覆盖有氯化铯纳米岛的ITO薄膜层表面采用等离子增强型化学气相沉积法沉积厚度为0. 5 Ium的ニ氧化硅薄膜层； 4)将外延片放入去离子水中超声处理，去除ITO薄膜层表面的氯化铯纳米岛，在ITO薄膜层表面形成ニ氧化硅纳米碗层，所述ニ氧化硅纳米碗层为由相连的多个背面分别朝向ITO薄膜层表面上的碗形ニ氧化娃纳米材料组成； 5)将ニ氧化硅纳米碗层作为刻蚀掩膜，对ITO薄膜层表面进行感应耦合等离子体刻蚀，使纳米碗层图形转移到ITO薄膜层上； 6)在BOE溶液中超声或浸泡后，将ITO薄膜层表面的ニ氧化硅去除干净。
3.根据权利要求I所述具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于在对ニ氧化硅纳米碗层进行感应耦合等离子体刻蚀时，同时使用Cl2、BCl3和Ar2作为刻蚀气体，其中Cl2流量为30 lOOsccm，BCl3流量为5 20sccm，Ar2流量为5 25sccm ;刻蚀功率为300 700W ;射频功率为50 200W ;刻蚀时间为3_10 min。
4.根据权利要求I所述具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述BOE溶液由体积比为1:7的HF和NH4F组成。
5.根据权利要求I所述具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述小王水由体积比为3 :1的HCl和HNO3组成。
6.根据权利要求I所述具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，其特征在于所述蒸镀金属Cr、Pt和Au的厚度分别 为100 A、500 A和10000A。
全文摘要
具有ITO表面粗化的GaN基LED芯片的制作方法，涉及半导体生产技术领域。先形成GaN外延片；然后在外延片的P-GaN层表面制备ITO薄膜层；再对薄膜层表面进行表面粗化；然后对GaN外延片的一侧进行ICP刻蚀，在P型台面上形成ITO透明电极；形成P电极和N电极；将半导体衬底减薄，然后划裂成单独芯片。本发明的特点是在对ITO薄膜层表面进行表面粗化加工时，制作出纳米碗状粗化表面层，所述纳米碗状粗化表面层由相连的多个背面分别连接在P-GaN层上的碗形凹槽组成。本发明的纳米碗状粗化表面层中各碗形凹槽的尺寸和深度可控，这种碗状结构更有利于光提取。
文档编号H01L33/00GK102790154SQ20121028168
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者李璟, 王国宏, 詹腾 申请人:扬州中科半导体照明有限公司