一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和n型GaN层上分别设置有金属电极；在所述p型GaN层上、且与金属电极相对的位置设置有等离子体轰击区域。本发明还涉及一种上述GaN基发光二极管芯片的制备方法。本发明所述GaN基发光二极管芯片，通过选择性的对p型金属电极下方对应的p型GaN层表面上进行等离子体轰击形成等离子体轰击区域，使该区域p型GaN层与上面的ITO透明导电膜之间无法形成欧姆接触区域，从而起到电流扩展的目的。本发明所述的GaN基发光二极管芯片的制备方法步骤简单、成本低，适合批量化生产。
【专利说明】一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法，属于光电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]GaN、InN、AlN等具有对称六方晶系结构的II1- V族半导体材料，都是直接能隙，因此非常适合于作为发光器件的材料，其中根据成分的不同，可以得到禁带宽度从6.5eV到
0.7eV的三元或四元化合物半导体，所对应的发光波长涵盖深紫外光到远红外光的波段范围。由于GaN系列半导体的这个特点，使得GaN系列半导体材料广泛应用于LED与LD等光电器件上。
[0003]早期由于GaN晶体与生长衬底的晶格常数不匹配，使得GaN系列蓝绿光LED外延生长品质与GaAs系列红黄光LED相比相差甚远，直到日本日亚公司成功的将GaN蓝绿光LED结构生长于(0001)蓝宝石衬底上，使得人类拥有全彩LED的梦想得以实现。相对于S1、SiC等其它衬底，蓝宝石衬底有稳定性高、技术成熟、机械强度高、性价比高等优点，因此使用蓝宝石衬底仍然是现在发光二极管产业的主流。
[0004]GaN基发光二极管在应用于通用照明有着很好的发展前景，但是首先要解决问题的就是提高它的发光效率，GaN基蓝光发光二极管是一个电注入发光器件，电流扩展分布对整个器件的特性有着很重要的作用，它直接影响着GaN基发光二极管的发光效率，另外电流扩展也影响着器件的散热性能、可靠性等特性。目前，商品化的GaN基蓝光发光二极管一般都是用MOCVD技术在绝缘的蓝宝石衬底上外延生长的，由于蓝宝石不导电，必须利用台面结构，因此欧姆接触的P型电极和η型电极只能在外延片表面的同一侧。在台面结构的GaN基发光二极管里，电流要侧向传输，由于η型GaN层和下限制层的掺杂浓度不能太高，横向电阻不能忽略，使得靠近η型电极的台面边缘电流密度大于靠近ρ型电极焊盘的地方，导致该区域电流密度过大，热量过高，大大降低了芯片的使用效率和寿命。同时，在此区域电流密度最大，发光强度也最大，但此区域发出的光会被正上方的金属电极所遮挡或吸收，导致发光二极管的出光效率降低。为解决上述问题，行业内普遍方法是在P型半导体层和P型电极之间直接镀上一层绝缘介质作为电流阻挡层，这样能够减少电极下方的电流比例，在一定程度上增加电流的扩散性。该方法需要使用PECVD沉积一层介质层，然后使用光刻、腐蚀的方法来完成电流阻挡层的制作，该方法步骤较为复杂，且存在腐蚀不彻底而导致电压升高问题。
[0005]美国专利US4864370就是采用以上技术方案的典型代表，该专利在P电极下方生长一层绝缘的SiO2作为电流阻挡层，通过SiO2阻挡层阻止电流垂直注入下方的外延层，起到电流扩展的作用。但是，该工艺较为复杂，需要经过沉积、光刻、腐蚀等步骤，不利于批量化生产，另外，如果SiO2腐蚀不彻底，会造成电压升高、亮度降低等诸多问题。
[0006]中国专利CN101494268A公开了一种具有电流阻挡结构的垂直发光二极管的制作方法，该专利通过将金属反射层的中央局部区域劣化成高接触电阻区域而在发光层中形成电流阻挡结构，以起到电流扩展的作用。该方法的步骤同样比较复杂，不利于批量化生产，另外通过蚀刻的方法去除阻挡层存在去除不彻底的隐患，而起不到电流扩展的作用。
[0007]中国专利CN102376840A公开一种发光二极管及发光二极管的制造方法，该发光二极管包含一发光结构，此发光结构含有一置于横跨一第一掺杂层的垂直侧壁上的钝化层、一发光层，及至少完全覆盖上述发光层侧壁的一第二掺杂层。通过等离子体轰击(plasma bombardment)或发光结构的离子注入来形成钝化层。如此可在后续工艺步骤中保护侧壁且防止发光层周围的电流泄漏。该专利在蚀刻切割道于发光结构中形成发光台面结构后通过等离子体轰击或发光结构的离子注入来形成钝化层，以起到保护侧壁和防止发光层周围的电流泄漏作用，而发明是对金属电极下方P型GaN区域进行等离子体轰击形成等离子体轰击区域，使该区域P型GaN层与上面的ITO透明导电膜之间无法形成欧姆接触区域，从而起到电流扩展的目的，虽然两个发明都使用等离子体轰击的工艺，但是两者起的作用不同，一个是为了形成钝化层，一个是为了形成电流阻挡层。
[0008]现有技术中有利用N2、N2O和NH3等离子体对GaN发光二极管进行处理方法，但是其处理的目的均是研究等离子体对GaN发光二极管产生的光电特性影响，但是并未就通过改善发光二极管的电流扩展，提高上述发光二极管的发光效率进行研究。
[0009]综上所述，针对现有的发光二极管的电流扩展较差的技术问题，亟待在本【技术领域】提出一种通过改善发光二极管的电流扩展的技术方案，进而提高上述发光二极管的发光效率。
【发明内容】
[0010]针对现有技术的不足，本发明提供一种GaN基发光二极管芯片。
[0011 ] 本发明还公开了上述GaN基发光二极管芯片的制备方法。
[0012]术语解释:
[0013]1、ICP刻蚀:感应耦合等离子体刻蚀，干法刻蚀的一种。
[0014]2、等离子体刻蚀:在射频源的作用下，使反应气体成为等离子体状态，从而对材料进行干法刻蚀的一种方法。
[0015]3、等离子体轰击:在高频电磁场的作用下，在垂直方向上等离子体向下轰击材料表面。
[0016]4、电子束蒸发:将蒸发材料置于水冷坩埚中，利用电子束直接加热使蒸发材料汽化并在衬底上凝结形成薄膜的一种真空蒸镀技术。
[0017]5、RIE刻蚀:反应离子体刻蚀，干法刻蚀的一种。
[0018]本发明的技术方案如下:
[0019]一种GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的η型GaN层、量子阱层、ρ型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和η型GaN层上分别设置有金属电极；在所述ρ型GaN层上、且与金属电极相对的位置设置有等离子体轰击区域。
[0020]根据本发明优选的，在所述透明导电层裸露的上表面和η型GaN层裸露的上表面均设置有钝化层。
[0021]根据本发明优选的，所述的钝化层为SiO2薄膜。 [0022]根据本发明优选的，所述等离子体轰击区域的垂直深度为10-]000Α。所述透明导电层厚度为2000-3000 A0[0023]根据本发明优选的，所述透明导电层为ITO透明导电膜。
[0024]一种上述GaN基发光二极管芯片的制备方法，包括步骤如下:
[0025](I)利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的ρ型GaN层到η型GaN层刻蚀出台面结构；
[0026]根据本发明优选的，在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为(:12或此12。在进行步骤(1)中的干法刻蚀之前，首先在GaN基外延片的P型GaN层的上表面涂正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出可供后续ICP刻蚀出台面结构的图形。
[0027](2)利用等离子体刻蚀设备对所述台面结构中P型GaN层进行等离子体轰击，形成等离子体轰击区域，所述等离子体轰击区域与将要安装的金属电极的尺寸相适应。在进行步骤(2)中等离子体轰击之前，首先在GaN基外延片的表面涂上正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出裸露的P型GaN层，成为目标等离子体轰击的区域。
[0028](3)对经步骤(2)处理后的GaN基外延片进行去胶清洗；
[0029](4)在所述ρ型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜；
[0030]根据本发明优选的，所述步骤(4)的具体步骤为:首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光亥IJ，光刻出只保留P型GaN层上对应的ITO透明导电膜。
[0031](5)分别在所述ITO透明导电膜和η型GaN层上制备P型电极和η型电极，得GaN基发光二极管芯片。
[0032] 根据本发明优选的，步骤(5)所述制备ρ型电极和η型电极的方法为:在经步骤
(4)处理后的GaN基外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，在ITO透明导电膜和η型GaN层上光刻出ρ型电极和η型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述P型电极区域和η型电极区域分别沉积Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到P型金属电极和η型金属电极。
[0033]根据本发明优选的，对所述步骤(5)所制得的GaN基发光二极管芯片进行保护芯片处理:首先，在所述GaN基发光二极管芯片的表面沉积一层SiO2薄膜作为钝化层；其次，再经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉P型金属电极和η型金属电极表面的SiO2薄膜，即得GaN基发光二极管。
[0034]本发明的有益效果:
[0035]1、本发明所述GaN基发光二极管芯片，通过选择性的对P型金属电极下方对应的P型GaN层表面上进行等离子体轰击形成等离子体轰击区域，使该区域ρ型GaN层与上面的ITO透明导电膜之间无法形成欧姆接触区域，从而起到电流扩展的目的。
[0036]2、本发明所述的GaN基发光二极管芯片，利用独特的电流阻挡层结构，使GaN基发光二极管中的电流得到良好的扩展，避免了 P型金属电极区域电流过大，提高了器件的发光效率及器件的可靠性。
[0037]3、本发明所述的GaN基发光二极管芯片的制备方法步骤简单、成本低，适合批量
化生产。【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是制备本发明所述GaN基发光二极管芯片的步骤(1)所制得的衬底剖视示意图；
[0039]图2是制备本发明所述GaN基发光二极管芯片的步骤(2)制得的衬底剖视示意图；
[0040]图3是制备本发明所述GaN基发光二极管芯片的步骤(3)制得的衬底剖视示意图；
[0041]图4是制备本发明所述GaN基发光二极管芯片的步骤(4)制得的衬底剖视示意图；
[0042]图5是制备本发明所述GaN基发光二极管芯片的步骤(5)制得的衬底剖视示意图；
[0043]图6是本发明所述GaN基发光二极管芯片的结构示意图，也是经步骤(6)加工后所制得的衬底剖视示意图；
[0044]图7为对比例中所述，在不同电流下LEDl与LED2的出光功率对比图。
[0045]在图1-6中，l、p型GaN层，2、量子阱层，3、n型GaN层，4、光刻胶，5、等离子体轰击区域，6、透明导电层，7、金属电极，8、钝化层。 【具体实施方式】
[0046]下面将结合说明书附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明，所提供的实例为本发明的优选实例，但不限于此。
[0047]实施例1、
[0048]如图5所示。
[0049]一种GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的η型GaN层3、量子阱层2、ρ型GaN层I和透明导电层6 ;在所述透明导电层6和η型GaN层3上分别设置有金属电极7 ；在所述P型GaN层I上、且与金属电极7相对的位置设置有等离子体轰击区域5。
[0050]所述等离子体轰击区域5的垂直深度为700Α。所述透明导电层6为ITO透明导电膜，其厚度为2500 Ao
[0051]实施例2、
[0052]根据实施例1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其区别在于，所述等离子体轰击区域5的垂直深度为〃0Α所述透明导电层6为ITO透明导电膜，其厚度为2000 A0
[0053]实施例3、
[0054]根据实施例1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其区别在于，所述等离子体轰击区域5的垂直深度为1000Α。所述透明导电层6为ITO透明导电膜，其厚度为3000 L
[0055]实施例4、
[0056]如图6所示。如实施例1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其区别在于，在所述透明导电层6裸露的上表面和η型GaN层裸露的上表面均设置有钝化层8，所述的钝化层8为SiO2薄膜。
[0057]实施例5、[0058]一种如实施例1所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，包括步骤如下:
[0059](I)如图1所示，利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的ρ型GaN层到η型GaN层刻蚀出台面结构；
[0060]在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为Cl2或BCl2。在进行步骤(1)中的干法刻蚀之前，首先在GaN基外延片的ρ型GaN层的上表面涂3 μ m厚的正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光亥IJ，光刻出可供后续ICP刻蚀出台面结构的图形，其中使用热板在98°C下烘烤l_2min进行对准，然后在紫外线下曝光5-20seC，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30seC，使用热板在98°C下烘烤l-2min。
[0061](2)如图2所示，利用等离子体刻蚀设备对所述台面结构中P型GaN层进行等离子体轰击，其中所述等离子体轰击是利用Ar作为刻蚀气体，通过RIE刻蚀的方法对暴露的P型GaN层进行等离子体轰击:形成等离子体轰击区域，所述等离子体轰击区域与将要安装的金属电极的尺寸相适应。在进行步骤(2)中等离子体轰击之前，首先在GaN基外延片的表面涂上2 μ m厚的正性光刻胶，其次通过对准、曝光、显影、烘干步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出裸露的P型GaN层，成为目标等离子体轰击的区域，其中使用热板在98°C下烘烤l-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20seC，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，使用热板在98°C下烘烤l_2min ；
[0062](3)如图3所示，对经步骤(2)处理后的GaN基外延片进行去胶清洗；将经过等离子体轰击后的GaN基外延片放入丙酮中超声5-10min,然后在乙醇中超声IOmin,取出后使用去离子水冲洗lOmin，去除GaN基外延片表面的光刻胶； [0063](4)如图4所示，在所述ρ型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜，具体步骤为:首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层2500埃的ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上2μπι厚的正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出只保留P型GaN层上对应的ITO透明导电膜，其中使用热板在98°C下烘烤l_2min对准，然后在紫外线下曝光5-20seC，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30seC，使用热板在98°C下烘烤l_2min，放入浓度为25-30wt%的HCl溶液中腐蚀15-30min，腐蚀掉未被正性光刻胶保护的ITO透明导电膜，放入丙酮中超声5-10min,然后在乙醇中超声IOmin,取出后使用去离子水冲洗IOmin,进而去除GaN基外延片表面的光刻胶；
[0064](5)如图5所示，分别在所述ITO透明导电膜和η型GaN层上制备P型电极和η型电极，得GaN基发光二极管芯片，其中所述制备ρ型电极和η型电极的方法为:在经步骤(4)处理后的GaN基外延片上涂上3.5 μ m厚的负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，其中用热板在98°C下烘烤l_2min对准，然后在紫外线下曝光5-20sec,再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec,使用热板在98°C下烘烤l_2min,在ITO透明导电膜和η型GaN层上光刻出ρ型电极和η型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述P型电极区域和η型电极区域分别沉积2 μ m厚的Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到P型金属电极和η型金属电极。
[0065]实施例6、
[0066]如图6所示，一种如实施例5所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其区别在于:对所述步骤(5)所制得的GaN基发光二极管芯片进行保护芯片处理:首先，在所述GaN基发光二极管芯片的表面沉积一层1000埃厚的SiO2薄膜作为钝化层；其次，再经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉P型金属电极和η型金属电极表面的SiO2薄膜，即得GaN发光二极管，其具体操作步骤为:在所述钝化层的表面涂上2μπι的正性光刻胶，使用热板在98°C下烘烤l-2min对准，然后在紫外线下曝光5-20seC，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30seC，使用热板在98°C下烘烤l_2min，放入Si02腐蚀液中腐蚀30-60sec，腐蚀掉未被光刻胶保护的Si02薄膜,放入丙酮中超声5-10min,然后在乙醇中超声IOmin,取出后使用去离子水冲洗lOmin，去除表面的光刻胶，形成Si02钝化层的制作，得到GaN基发光二极管。
[0067]实施例7、
[0068]—种如实施例5所述GaN基发光二极管芯片的制备方法,其区别在于:
[0069]所述步骤(2)利用等离子体刻蚀设备对所述台面结构中ρ型GaN层进行等离子体轰击，其中所述等离子体轰击是利用Ar作为刻蚀气体，通过ICP刻蚀的方法对暴露的ρ型GaN层进行等离子体轰击:形成等离子 体轰击区域，所述等离子体轰击区域与将要安装的金属电极的尺寸相适应。
[0070]实施例8、
[0071]一种如实施例5所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其区别在于:
[0072]所述步骤(2)利用等离子体刻蚀设备对所述台面结构中ρ型GaN层进行等离子体轰击，其中所述等离子体轰击是利用Cl2作为刻蚀气体，通过ICP刻蚀的方法对暴露的P型GaN层进行等离子体轰击:形成等离子体轰击区域，所述等离子体轰击区域与将要安装的金属电极的尺寸相适应。
[0073]对比例、
[0074]将一个GaN基外延片平分成两个半片，其中一半按照实施例5所述的制备方法制作GaN基LED芯片，记为LEDl ;另外一半按照实施例5中的步骤(1)、(4)、(5)记载的方法制作GaN基LED芯片，记为LED2，即LED2在制作透明导电层之前没有经过等离子体轰击处理。图7为不同电流下LEDl与LED2的出光功率对比图，可以看到与LED2相比，LEDl的光功率更高，且更适用于大注入电流，因此，通过选择性的对P型金属电极下方对应的P型GaN层表面上进行等离子体轰击形成等离子体轰击区域，使该区域P型GaN层与上面的ITO透明导电膜之间无法形成欧姆接触区域，从而起到电流扩展的目的，明显提高了 GaN基LED芯片的出光功率。
【权利要求】
1.一种GaN基发光二极管芯片，包括由下而上设置的η型GaN层、量子阱层、ρ型GaN层和透明导电层；在所述透明导电层和η型GaN层上分别设置有金属电极；其特征在于，在所述P型GaN层上、且与金属电极相对的位置设置有等离子体轰击区域。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，在所述透明导电层裸露的上表面和η型GaN层裸露的上表面均设置有钝化层。
3.根据权利要求2所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述的钝化层为SiO2薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述等离子体轰击区域的垂直深度为10-1000Α,所述透明导电层厚度为2()00-300() A0
5.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述透明导电层为ITO透明导电膜。
6.—种如权利要求1所述GaN基发光二极管芯片的制备方法,其特征在于,该方法包括步骤如下: (1)利用现有的干法刻蚀方法，沿GaN基外延片的ρ型GaN层到η型GaN层刻蚀出台面结构； (2)利用等离子体刻蚀设备对所述台面结构中P型GaN层进行等离子体轰击:形成等离子体轰击区域，所述等离子体轰击区域与将要安装的金属电极的尺寸相适应； (3)对经步骤(2)处理后的GaN基外延片进行去胶清洗； (4)在所述ρ型GaN层的表面沉积一层ITO透明导电膜； (5)分别在所述ITO透明导电膜和η型GaN层上制备ρ型电极和η型电极，得GaN基发光二极管芯片。
7.如权利要求6所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述干法刻蚀方法为ICP刻蚀方法，所采用的ICP刻蚀气体为Cl2或BC12。
8.如权利要求6所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体步骤为:首先，利用电子束蒸发方法在所述GaN基外延片的上表面沉积一层ITO透明导电膜作为电流扩展层；其次，在所述电流扩展层上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干、腐蚀步骤对所述正性光刻胶进行光刻，光刻出只保留P型GaN层上对应的ITO透明导电膜。
9.如权利要求6所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述制备P型电极和η型电极的方法为:在经步骤(4)处理后的GaN基外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影、烘干步骤后对所述负性光刻胶进行光刻，在ITO透明导电膜和η型GaN层上光刻出ρ型电极和η型电极区域；最后利用电子束蒸发法在所述P型电极区域和η型电极区域分别沉积Cr金属层和Au金属层，剥离负性光刻胶后得到ρ型金属电极和η型金属电极。
10.如权利要求6所述GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，对所述步骤(5)所制得的GaN基发光二极管芯片进行保护芯片处理:首先，在所述GaN基发光二极管芯片的表面沉积一层SiO2薄膜作为钝化层；其次，再经过光刻、腐蚀工艺，腐蚀掉P型金属电极和η型金属电极表面的SiO2薄膜，即得GaN基发光二极管。
【文档编号】H01L33/14GK104022200SQ201310063719
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2013年2月28日
【发明者】刘岩, 刘存志, 王成新 申请人:山东浪潮华光光电子股份有限公司