專利名稱：圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片、發(fā)光芯片及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光外延片和發(fā)光芯片，以及其制作方法，更為具體地，涉及一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導(dǎo)體照明逐漸普及，氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管技術(shù)發(fā)展迅速。為了提高氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率，一方面要改善發(fā)光材料的晶體質(zhì)量以提高內(nèi)量子效率，另一方面則要通過芯片結(jié)構(gòu)以及封裝工藝的改進(jìn)以提升取光效率。為了提升芯片的取光效率，表面(界面)粗化或者紋理化技術(shù)是較為簡(jiǎn)單有效的方式之一，諸如圖形化襯底、外延表面粗化、透明導(dǎo)電層粗化、光子晶體等針對(duì)出光面或者襯底的粗化技術(shù)已經(jīng)被廣泛采用并獲得明顯效果。在各種表面(界面)紋理化技術(shù)中，圖形化襯底和氮極性面粗化因其取光效果明顯而得到廣泛應(yīng)用。圖形化襯底技術(shù)可以同時(shí)提高晶體質(zhì)量和取光效率，是目前常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的主流制造技術(shù)。針對(duì)氮極性面氮化鎵的晶向選擇性粗化可以獲得亞微米級(jí)周期的六角錐(金字塔)粗化形貌，因而具有極高的取光效率，但其通常用在基于襯底剝離的薄膜氮化鎵LED芯片結(jié)構(gòu)上，常規(guī)的氮化鎵LED芯片因生長(zhǎng)面為鎵極性，所以比較難以獲得。文獻(xiàn) 1 (L-C Chang, C-H Kuo, C-ff Kuo, Output power enhancements of nitride-based light-emitting diodes with inverted pyramid sidewalls structure, Solid-State Electronics 56 (2011) 8 - 12)報(bào)道了采用高溫硫酸和磷酸腐蝕切割道側(cè)壁邊緣的n-GaN層形成倒六角錐(金字塔)狀的粗化界面，通過優(yōu)化條件可以獲得27%的亮度提升。文獻(xiàn)1通過激光正面劃片形成切割道，切割道提供了橫向蝕刻通道，高溫磷酸和硫酸蝕刻切割道外延側(cè)壁上與藍(lán)寶石襯底交界的n-GaN層，且此n-GaN層的下表面呈氮極性， 從而形成一環(huán)繞芯片切割道邊緣的倒掛懸空的六角錐形貌帶。然而，采用文獻(xiàn)1所提出的技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)正裝芯片切割道邊緣的外延層倒六角錐粗化，其增加取光效率的幅度有限，如果能增大倒六角錐粗化的外延層區(qū)域，則可以獲得更大幅度的取光提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即在于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的上述局限，將氮極性粗化技術(shù)和圖形化襯底技術(shù)結(jié)合起來，以進(jìn)一步提高正裝氮化鎵基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其結(jié)構(gòu)包含 襯底；
圖形化粗化層形成于襯底之上，其包含復(fù)數(shù)個(gè)溝道和復(fù)數(shù)個(gè)氮化鎵層區(qū)塊，各個(gè)氮化鎵層區(qū)塊通過溝道相互隔離，并且各氮化鎵層區(qū)塊靠近溝道的邊緣區(qū)域的下表面為倒懸六角錐狀粗化形貌；
氮化鎵基發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層之上，并且填平所有溝道。一種圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其結(jié)構(gòu)包含 襯底；
圖形化粗化層形成于襯底之上，其包含復(fù)數(shù)個(gè)溝道和復(fù)數(shù)個(gè)氮化鎵層區(qū)，各個(gè)氮化鎵層區(qū)塊通過溝道相互隔離，并且各氮化鎵層區(qū)塊靠近溝道的邊緣區(qū)域的下表面為倒懸六角錐狀粗化形貌；
氮化鎵基發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層之上且填平所有溝道，并且氮化鎵基發(fā)光外延層依次包括η型氮化鎵基外延層、有源層和ρ型氮化鎵基外延層； P電極形成于P型氮化鎵基外延層之上； η電極形成于η型氮化鎵基外延層之上。一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片的制作方法，包括步驟 提供一襯底；
在襯底上生長(zhǎng)一可粗化層，其材料為氮化鎵，并且其下表面呈氮極性； 定義圖形化可粗化層并且蝕刻部分區(qū)域的可粗化層至露出襯底，以形成多個(gè)相互隔離的可粗化層區(qū)塊以及溝道；
采用濕法方式將靠近側(cè)向蝕刻溝道的可粗化層區(qū)塊的邊緣區(qū)域下表面蝕刻成倒六角錐狀；
在可粗化層上繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)光外延層，并且發(fā)光外延層橫向填平溝道，形成圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片。一種圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，制作步驟如下 提供一襯底；
在襯底上生長(zhǎng)一可粗化層，其材料為氮化鎵，并且其下表面呈氮極性； 定義圖形化可粗化層并且蝕刻部分區(qū)域的可粗化層至露出襯底，以形成多個(gè)相互隔離的可粗化層區(qū)塊以及溝道；
采用濕法方式將靠近溝道的可粗化層區(qū)塊的邊緣區(qū)域下表面蝕刻成倒六角錐狀； 在可粗化層上繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)光外延層，并且發(fā)光外延層橫向填平溝道； 在發(fā)光外延層上分別制作P、η電極以形成圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于通過兩次外延生長(zhǎng)，將圖形化技術(shù)與氮極性面粗化技術(shù)整合，在常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中置入圖形化的倒六角錐粗化外延層帶。一次外延生長(zhǎng)可粗化層作為粗化介質(zhì)，通過位于芯片內(nèi)部的溝道，濕法蝕刻可以將靠近溝道的可粗化層邊緣部分蝕刻成倒六角錐狀形貌帶，從而形成圖形化粗化層，然后再通過二次外延生長(zhǎng)發(fā)光層形成圖形化發(fā)光外延片以及制作電極形成圖形化發(fā)光芯片。本發(fā)明的圖形化發(fā)光外延片和發(fā)光芯片，其內(nèi)部具有多個(gè)倒六角錐形貌帶，這樣可在圖形化技術(shù)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提高取光效率。在本發(fā)明中，可粗化層和粗化后形成的圖形化粗化層為未摻雜氮化鎵或者η型氮化鎵，這樣二次外延生長(zhǎng)不會(huì)降低發(fā)光外延層的晶體質(zhì)量；為了獲得足夠尺度的粗化形貌， 可粗化層必須保證足夠的厚度，較為理想的厚度須在1微米以上；為了不增加發(fā)光外延層橫向生長(zhǎng)難度，側(cè)向蝕刻溝道最大寬度須小于或者等于10微米；濕法蝕刻可粗化層既可采用高溫(100°C以上)的磷酸和硫酸混合溶液，也可以采用高溫堿性溶液，如氫氧化鉀、氫氧化鈉、氨水等，或者借助紫外光輔助以加快蝕刻速率；橫向蝕刻深度也必須優(yōu)化以獲得較佳之粗化尺寸并防止外延層剝落，可粗化層被蝕刻的邊緣寬度建議不超過10微米。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。


附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖;T圖7是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片制作過程示意圖。圖8是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一種可用于圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片的圖案。圖中部件符號(hào)說明
10 藍(lán)寶石襯底；11 成核層；12 可粗化層；120 圖形化粗化層；121 氮化鎵層區(qū)塊； 122 溝道；13 :n-GaN 層；14 多量子阱(MQW);15 :p_GaN 層；20 =ITOjs ；21 :p 電極；22 :n 電極；100 側(cè)向蝕刻溝道區(qū)；200 =SiO2掩膜。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。如圖1所示，一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其結(jié)構(gòu)包括藍(lán)寶石襯底10、成核層 11、圖形化粗化層120和發(fā)光外延層，發(fā)光外延層依次包括n-GaN層13、多量子阱(MQW) 14 和P-GaN層15。其中，成核層11形成于藍(lán)寶石襯底10之上，其材料為未摻雜GaN ；圖形化粗化層120形成于成核層11之上，由多個(gè)氮化鎵層區(qū)塊121和溝道122構(gòu)成，其材料為n-GaN 或未摻雜的GaN，厚度2微米。圖形化粗化層的圖案如圖8所示，圖形化粗化層120通過溝道122分割為相互隔離的周期性圓形區(qū)塊121，單個(gè)周期為13微米，其中圓形直徑10微米， 最小溝道寬度3微米；每個(gè)圓形區(qū)塊靠近側(cè)向蝕刻溝道122的邊緣3微米區(qū)域的下表面呈倒懸六角錐狀粗化形貌；由n-GaN層13、多量子阱(MQW)14和ρ-GaN層15組成的發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層120之上并且填平所有溝道122。如圖2所示，在上述圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片的基礎(chǔ)上通過電極化可形成圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其結(jié)構(gòu)包括藍(lán)寶石襯底10、成核層11、圖形化粗化層120、發(fā)光外延層(依次包括n-GaN層13、多量子阱(MQW) 14和ρ-GaN層15)、ITO透明導(dǎo)電層20、ρ電極21和η電極22。其中，成核層11形成于藍(lán)寶石襯底10之上，其材料為未摻雜GaN ；圖形化粗化層120形成于成核層11之上，其材料為n-GaN或未摻雜的GaN，厚度2微米。圖形化粗化層的圖案如圖8所示，，圖形化粗化層120通過溝道122分割為相互隔離的周期性圓形區(qū)塊121，單個(gè)周期為13微米，其中圓形直徑10微米，最小溝道寬度3微米；每個(gè)圓形區(qū)塊靠近溝122的邊緣3微米區(qū)域的下表面呈倒懸六角錐狀粗化形貌；由n-GaN層13、多量子阱(MQW) 14和p-GaN層15組成的發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層120之上并且填平所有溝道122 ；ITO透明導(dǎo)電層20形成于P-GaN層15之上；ρ電極21形成于ITO透明導(dǎo)電層20 之上；η電極22形成于n-GaN層13之上。圖8中所示的圖形化粗化層的圖案中，氮化鎵層區(qū)塊121為圓形區(qū)塊、呈周期性分布，應(yīng)該注意此種分布只是其中的一種優(yōu)選實(shí)施方式，也可呈非周期性分布。氮化鎵層區(qū)塊 121的形狀不局限于圓形，也可有方形、橢圓形等。上述如圖1所示的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片制作方法，其制作步驟包括 如圖3所示，在藍(lán)寶石襯底10上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)依次外延生長(zhǎng)
成核層11和可粗化層12，成核層11材料為未摻雜GaN，可粗化層12為厚度2微米的n-GaN層。如圖4所示，采用光刻和蝕刻在可粗化層12之上定義出SiO2掩膜區(qū)200和側(cè)向蝕刻溝道區(qū)域100。光刻版圖可以參考采用圖8進(jìn)行設(shè)計(jì)，由周期性重復(fù)的溝道122和圓形區(qū)塊組成，總周期為13微米，其中圓形直徑10微米，最小溝道寬度3微米，溝道122為側(cè)向蝕刻溝道區(qū)域100，圓形區(qū)塊為掩膜區(qū)200。定義完掩膜區(qū)200和側(cè)向蝕刻溝道區(qū)100后， 即可采用干法等離子體蝕刻側(cè)向蝕刻溝道區(qū)100的可粗化層12和成核層11直至完全露出藍(lán)寶石襯底10。如圖5所示，采用250°C的硫酸和磷酸(比例3:2)側(cè)向蝕刻溝道122兩端的外延層，蝕刻時(shí)間控制在2分鐘，這樣可以得到環(huán)繞側(cè)向蝕刻溝道100的橫向蝕刻深度在3微米左右的倒六角錐形貌帶，從而形成圖形化粗化層120。此外，也可以采用高溫堿性溶(如氫氧化鉀、氫氧化鈉、氨水等)，對(duì)溝道進(jìn)行側(cè)向蝕刻液，或者借助紫外光輔助以加快蝕刻速率。如附圖6所示，在圖形化粗化層120之上繼續(xù)外延生長(zhǎng)發(fā)光層，依次包括n-GaN層 13、多量子阱(MQW) 14和p-GaN層15，并且發(fā)光外延層橫向填平溝道100，從而形成圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片。如圖7所示，在上述圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片制作方法的基礎(chǔ)上，制作圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，包括蝕刻部分區(qū)域的發(fā)光外延層至露出n-GaN層13，在p-GaN層15之上制作ITO透明導(dǎo)電層20，在ITO層20之上制作ρ電極21 ；在n-GaN層13上制作η電極 22。很明顯地，本發(fā)明的說明不應(yīng)理解為僅僅限制在上述實(shí)施例，而是包括利用本發(fā)明構(gòu)思的全部實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其結(jié)構(gòu)包括 襯底；圖形化粗化層形成于襯底上，其包含復(fù)數(shù)個(gè)溝道和復(fù)數(shù)個(gè)氮化鎵層區(qū)塊，各個(gè)氮化鎵層區(qū)塊通過溝道相互隔離，并且各氮化鎵層區(qū)塊靠近溝道的邊緣區(qū)域的下表面為倒懸六角錐狀粗化形貌；氮化鎵基發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層之上，并且填平所有溝道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其中的圖形化粗化層的材料為未摻雜氮化鎵或者η型氮化鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其中的圖形化粗化層厚度大于或者等于1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其中的溝道最大寬度小于或者等于10微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片，其中具有倒懸六角錐粗化形貌的氮化鎵層區(qū)塊邊緣寬度小于或者等于10微米。
6.一種圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其結(jié)構(gòu)包括 襯底；圖形化粗化層形成于襯底上，其包含復(fù)數(shù)個(gè)溝道和復(fù)數(shù)個(gè)氮化鎵層區(qū)塊，各個(gè)氮化鎵層區(qū)塊通過溝道相互隔離，并且各氮化鎵層區(qū)塊靠近溝道的邊緣區(qū)域的下表面為倒懸六角錐狀粗化形貌；氮化鎵基發(fā)光外延層形成于圖形化粗化層之上且填平所有溝道，并且氮化鎵基發(fā)光外延層依次包括η型氮化鎵基外延層、有源層和ρ型氮化鎵基外延層； P電極形成于P型氮化鎵基外延層之上； η電極形成于η型氮化鎵基外延層之上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其中的圖形化粗化層的材料為未摻雜氮化鎵或者η型氮化鎵。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其中的圖形化粗化層厚度大于或者等于1微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其中的溝道最大寬度小于或者等于10微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片，其中具有倒懸六角錐粗化形貌的氮化鎵層區(qū)塊邊緣寬度小于或者等于10微米。
11.一種圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片的制作方法，包括步驟 提供一襯底；在襯底上生長(zhǎng)一可粗化層，其材料為氮化鎵，并且其下表面呈氮極性； 定義圖形化可粗化層并且蝕刻部分區(qū)域的可粗化層至露出襯底，以形成多個(gè)相互隔離的可粗化層區(qū)塊以及溝道；采用濕法方式將靠近側(cè)向蝕刻溝道的可粗化層區(qū)塊的邊緣區(qū)域下表面蝕刻成倒六角錐狀；在可粗化層上繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)光外延層，并且發(fā)光外延層橫向填平溝道，形成圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片。
12.—種圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，包括步驟提供一襯底；在襯底上生長(zhǎng)一可粗化層，其材料為氮化鎵，并且其下表面呈氮極性；定義圖形化可粗化層并且蝕刻部分區(qū)域的可粗化層至露出襯底，以形成多個(gè)相互隔離的可粗化層區(qū)塊以及溝道；采用濕法方式將靠近側(cè)向蝕刻溝道的可粗化層區(qū)塊的邊緣區(qū)域下表面蝕刻成倒六角錐狀；在可粗化層上繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)光外延層，并且發(fā)光外延層橫向填平溝道；在發(fā)光外延層上分別制作P、n電極以形成圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，其中的可粗化層的材料為未摻雜氮化鎵或者η型氮化鎵。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，其中的可粗化層厚度大于或者等于1微米。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，其中的溝道最大寬度小于或者等于10微米。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光芯片的制作方法，其中可粗化層被蝕刻的邊緣寬度小于或者等于10微米。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片的制作方法，其中濕法蝕刻可粗化層采用磷酸和硫酸混合溶液。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片的制作方法，其中磷酸和硫酸混合溶液的溫度大于或者等于ioo°c。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片的制作方法，其中濕法蝕刻可粗化層采用堿性溶液。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片和發(fā)光芯片的制作方法，其中通過加溫或者紫外光輔助照射加快濕法蝕刻的速率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種了圖形化氮化鎵基發(fā)光外延片、發(fā)光芯片及其制作方法。通過兩次外延生長(zhǎng)，將圖形化技術(shù)與氮極性面粗化技術(shù)整合，在常規(guī)氮化鎵基發(fā)光二極管芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中置入圖形化的倒六角錐粗化外延層帶。一次外延生長(zhǎng)可粗化層作為粗化介質(zhì)，通過位于芯片內(nèi)部的溝道，濕法蝕刻可以將靠近溝道的可粗化層邊緣部分蝕刻成倒六角錐狀形貌帶，從而形成圖形化粗化層，然后再通過二次外延生長(zhǎng)發(fā)光層形成圖形化發(fā)光外延片以及制作電極形成圖形化發(fā)光芯片。本發(fā)明的圖形化發(fā)光外延片和發(fā)光芯片，其內(nèi)部具有多個(gè)倒六角錐形貌帶，這樣可在圖形化技術(shù)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提高取光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102306693SQ201110293138
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者吳志強(qiáng), 林科闖, 潘群峰 申請(qǐng)人:廈門市三安光電科技有限公司