專利名稱：粗化電極用于高亮度正裝led芯片和垂直led芯片的制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體制作高亮度LED芯片的一種工藝方法，尤其是涉及透明導(dǎo)電薄膜ITO表面的粗糙化以提高LED芯片的出光效率，屬于納米加工和半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
外量子效率是高亮度LED芯片的主要技術(shù)瓶頸，其大小等于內(nèi)量子效率與光的逃逸率之積。當(dāng)前，商業(yè)化LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)接近100％，但是外量子效率僅有3-30％。這主要是由于光的逃逸率低造成的。引起光的逃逸率低的因素有晶格缺陷對光的吸收；襯底對光的吸收；光在出射過程中，在各個界面由于全反射造成的損失。
銦錫氧化物ITO(In2O3與Sn2O3質(zhì)量之比為9∶1)薄膜具有如下優(yōu)點(diǎn)在可見光譜區(qū)內(nèi)透光率高(～90％)；低的電阻率(＜5×10-4Ωcm)。因此，ITO薄膜作為透明電極和電流擴(kuò)散層在光電子器件中被廣泛的應(yīng)用。在商業(yè)化的LED，透明的ITO薄膜正逐步取代半透明的金屬薄膜Ni/Au。以ITO作為歐姆接觸的LED與半透明的Ni/Au作為歐姆接觸的LED相比亮度大約提高了50％。但在ITO與空氣的界面上，由于兩種介質(zhì)的折射率相差較大，仍然使大量的光不能耦合出來。ITO的折射率為2.10，光由ITO到空氣的最大反射角為28°。只有大約不到20％的光能從ITO介質(zhì)進(jìn)入空氣，這大大降低了LED器件的外量子效率。
因此讓發(fā)光層發(fā)出的光更多地耦合出器件外面是提高外量子效率的關(guān)鍵。本發(fā)明涉及一種提高發(fā)LED出光效率的一種方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、成本低、適用于工業(yè)化生產(chǎn)的，能提高外量子效率的LED芯片的制作工藝。具體的說，就是應(yīng)用納米加工技術(shù)，即自然光刻技術(shù)(naturallithography)，結(jié)合ICP干法刻蝕技術(shù)對傳統(tǒng)的和垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED器件的ITO薄膜表面進(jìn)行微細(xì)化，通過增加光從ITO介質(zhì)折射到空氣中的幾率，從而提高LED器件的外量子效率。并將此粗化電極的發(fā)明方法用在正裝LED芯片和垂直LED芯片的制備工藝中。


圖1是本發(fā)明中新型高亮度發(fā)光二極管晶片；圖2是本發(fā)明中發(fā)光二極管新型垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED晶片；圖3是本發(fā)明中電子束蒸發(fā)法制備的ITO表面的輪廓曲線圖；
圖4是本發(fā)明中微細(xì)化過的ITO表面的輪廓曲線圖；圖5是本發(fā)明中表面微細(xì)化處理過的LED和表面未粗糙過的LED的亮度對比(芯片波長為468nm)；圖6是本發(fā)明中表面做微細(xì)化處理的LED和表面微細(xì)化處理過的LED在20毫安驅(qū)動電流下的正向電壓對比(芯片波長為468nm)；具體實(shí)施方式
本發(fā)明的新型發(fā)光二極管之一，包括藍(lán)寶石襯底1、GaN緩沖層2、n型GaN層3、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層(發(fā)光層)4、p-AlGaN波導(dǎo)層5、p型GaN層6、p型歐姆接觸透明電極7、p型歐姆接觸透明電極8、n型歐姆接觸電極9和金屬層鏡子10。材料采用ITO，并利用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行粗糙化。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)光二極管，本發(fā)明一種高亮度發(fā)光二極管的制備方法，包括以下步驟(1)運(yùn)用MOCVD外延生長GaN基LED結(jié)構(gòu)外延片，襯低為籃寶石(Al3O2)；(2)用電子束蒸發(fā)在外延片上沉積ITO薄膜；(3)在所沉積ITO薄膜上應(yīng)用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行粗糙化；(4)在ITO表面沉積SiO2薄膜作為干法刻蝕掩膜，并在這表面進(jìn)行光刻；(5)用BOE溶液(N4HF與HF體積比為4∶1)清洗未受光刻膠保護(hù)的SiO2；(6)用酸性溶液(HNO3，HCL，H2O體積比為2∶1∶1)清洗未受光刻膠保護(hù)的ITO；(7)用去膜劑清洗光刻膠；(8)用ICP刻蝕N面臺階和芯片尺寸的劃道，露出N-GaN臺面；(9)用BOE溶液清洗P-GaN上的SiO2；(10)蒸鍍以Ni/Au為金屬組合的P-N電極和焊墊；(11)用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備將藍(lán)寶石由350～450μm減薄至200μm；(12)將作好電極的外延片用激光劃片機(jī)分割成單個LED器件；(13)在襯底上鍍金屬層鏡子。材料可以是單金屬或多層金屬。
自然光刻技術(shù)和ICP干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行透明電極ITO的納米加工、微細(xì)化處理，包括以下步驟(1)用電子束蒸發(fā)設(shè)備在外延片表面沉積某一厚度的ITO薄膜；ITO薄膜厚度為350nm-400nm。
(2)將上述外延片浸泡在去離子水中，提高外延片表面ITO薄膜的親水性；
(3)把粒徑范圍350nm-400nm的聚苯乙烯納米顆粒配成納米顆粒的質(zhì)量百分比濃度為1～10％。
(4)用旋涂儀按某些參數(shù)設(shè)定把上述的懸濁液均勻的旋涂在ITO表面；(5)在室溫下自然晾干外延片；(6)設(shè)定ICP參數(shù)，偏壓電源功率150-200瓦特，ICP電電源功率150-200瓦特；氣體流量氯氣，30-40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分，氬氣，3-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分；刻蝕時間50-300秒。刻蝕上述外延片；(7)用在某溶劑里浸泡過的棉花球擦洗外延片表面，去除ICP刻蝕后的納米球。
由圖3和圖4可以看出微細(xì)化處理前后ITO表面的輪廓曲線，微細(xì)化處理前，ITO表面的平整度大約為3～4nm，微細(xì)化處理后，ITO表面有很大變化，其平整度大約為120～130nm。對應(yīng)的ICP參數(shù)為偏壓電源功率150瓦特，ICP電電源功率150瓦特；氣體流量氯氣，36標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分，氬氣，4標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分；刻蝕時間200秒。
由圖5可以看出ITO表面微細(xì)化處理過的LED和ITO表面未處理過的LED的亮度對比(芯片波長為468nm)。微細(xì)化處理過的LED的亮度相對于未處理過的LED有很大的提高。由圖6可以看出ITO表面做微細(xì)化處理的LED和表面微細(xì)化處理過的LED在5V方向電壓驅(qū)動下的漏電流(芯片波長為468nm)。微細(xì)化處理過的LED的亮度相對于未處理過的LED的穩(wěn)定性有極大提高。因此本發(fā)明提供一種工藝簡單、成本低、適用于工業(yè)化生產(chǎn)的，能提高外量子效率的LED芯片的制作工藝。
本發(fā)明的另一發(fā)光二極管新型垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基高亮度LED如圖2所示，包括n-GaN層1、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層(發(fā)光層)2、p-AlGaN波導(dǎo)層3、p型GaN層4、n型透明電極5、n型金屬電極6和金屬層鏡子7。透明電極材料采用ITO，并利用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行粗糙化。
為實(shí)現(xiàn)上述新型垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED，制備方法包括以下步驟(1)在藍(lán)寶石襯底(Al3O2)上用MOCVD生長LED發(fā)光結(jié)構(gòu)；(2)在外延層的p-GaN層上鍍金屬層；(3)金屬鍵合法反轉(zhuǎn)鍵合在金屬鏡子上；(4)激光剝離掉藍(lán)寶石襯底(Al3O2)襯底；
(5)用電子束蒸發(fā)在剝離后的n-GaN外延層上沉積ITO薄膜；(6)在所沉積ITO薄膜上應(yīng)用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行微細(xì)化；(7)在ITO表面沉積SiO2薄膜作為干法刻蝕掩膜，并在這表面進(jìn)行光刻；(8)用BOE溶液(N4HF與HF體積比為4∶1)清洗未受光刻膠保護(hù)的SiO2；(9)用酸性溶液(HNO3，HCL，H2O體積比為2∶1∶1)清洗未受光刻膠保護(hù)的ITO；(10)用去膜劑清洗光刻膠；(11)蒸鍍n-金屬電極；(14)將作好電極的外延片用激光劃片機(jī)分割成單個的LED器件。
對于上述垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基高亮度LED，因N型高摻雜層的高導(dǎo)電率可使電流不擁擠在其周圍而能均勻?qū)㈦娏鳈M向分布傳播至整個元件，電流得以準(zhǔn)垂直自下流上經(jīng)過P型層和活性層，然后經(jīng)N型高摻雜層橫向流至N電極，發(fā)光層的材料得以充分應(yīng)用，增大電流密度，降低LED工作電壓和電阻，產(chǎn)生的熱量減少，出光效率提高，有效地改善了電流分布，使熱源分布和發(fā)光強(qiáng)度更加均勻。相對于第一例建立在傳統(tǒng)LED上的高亮度LED更能提高芯片的外量子效率。
權(quán)利要求
1.一種新型高亮度發(fā)光二極管如圖1所示，包括藍(lán)寶石襯底、GaN緩沖層、n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層(發(fā)光層)、p-AlGaN波導(dǎo)層、p型GaN層、p型透明電極、p型金屬電極和焊墊、n型金屬電極和焊墊和金屬層鏡子。其特征在于，所述的p型歐姆接觸透明電極材料采用ITO，并利用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行粗化。并在器件的底部鍍上厚的金屬鏡子，金屬可以為單金屬或多層金屬，厚度在2到10微米。
2.一種新型垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基高亮度LED發(fā)光二極管如圖2所示，包括n-GaN層、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層(發(fā)光層)、p-AlGaN波導(dǎo)層、p型GaN層、n型透明電極、n型金屬電極和焊墊和金屬層鏡子。其特征在于，所述的電流擴(kuò)散層的材料采用ITO，并利用自然光刻技術(shù)(natural lithography)和干法刻蝕對ITO薄膜表面進(jìn)行納米加工。
3.按照權(quán)利要求1和2所述的高亮度發(fā)光二極管LED，其特征在于所述的ITO薄膜厚度為350nm-400nm。
4.按照權(quán)利要求1和2所述的，其特征在于所述的自然光刻技術(shù)(natural lithography)所用的聚苯乙烯納米顆粒的粒徑范圍為200nm-400nm。
5.按照權(quán)利要求1和2所述的，其特征在于所述干法刻蝕的參數(shù)偏壓電源功率150-200瓦特，ICP電電源功率150-200瓦特；氣體流量氯氣，30-40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分，氬氣，2-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分；刻蝕時間50-300秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高亮度LED芯片的制作工藝，利用自然光刻技術(shù)和ICP干法刻蝕技術(shù)對傳統(tǒng)的和垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵基LED的透明導(dǎo)電薄膜層進(jìn)行微細(xì)化處理，從而提高LED芯片出光效率。并將此粗化發(fā)明方法用于正裝LED結(jié)構(gòu)和垂直LED結(jié)構(gòu)。在未增加其新設(shè)備的條件下，本發(fā)明極大地提升了LED芯片的外量子效率和穩(wěn)定性。
文檔編號H01L33/00GK101075652SQ20061012444
公開日2007年11月21日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者靳彩霞, 姚雨, 董志江, 黃素梅 申請人:武漢迪源光電科技有限公司