一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法技术

一种采用激光辐照氮化镓外延片以改善以其为基底的LED发光性能的方法，属于材料制备领域。本发明专利技术先将GaN外延片(表面为p型)进行预处理，去除表面的污染附着物及有机残留等，改善表面晶格缺陷，采用248nm准分子激光器对GaN外延片进行辐照，单脉冲能量密度0.15J/cm2-0.6J/cm2，采用磁控溅射的方法在样品表面淀积金属电极后，再进行如载流子浓度、表面电阻率等一些金属半导体欧姆接触的电学测试，经测试，辐照后样品的各项电学性质发生了显著变化，表明在辐照后其欧姆接触得到了极大的改善。对辐照前后的GaN外延片进行流程化LED工艺制作，再对其正向电压、反向漏电流、光出射功率等LED特性参数测试，均得到了不同程度的改善。

【技术实现步骤摘要】
一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法
本专利技术属于材料制备领域。
技术介绍
氮化镓、碳化硅等材料为代表的宽禁带半导体作为一种物理特性丰富的新兴材料，其许多电学光学性质均远远超过了前一代半导体材料。宽禁带半导体在现阶段的生产生活中扮演了越来越重要的位置，特别是氮化镓材料在人类照明产业中的地位举足轻重，在新一代照明用LED器件中有很广泛的应用。GaN材料的禁带宽度是直接带隙型的，在室温下其禁带宽度为3.39eV，属于宽禁带半导体范畴，在载流子复合时普遍具有较高的量子效率。GaN材料是直接带隙意味着其带隙较宽，非常适合用来制作蓝、绿光和紫外光发光器件(例如LED)及紫外光探测器件。其电子饱和速率、击穿电场、导热率、带隙高于Si和GaAs，所以可用于电荷耦合器件、高速存储器、大功率器件及要求暗电流比较低的光探测器。当然，GaN等直接带隙材料还可以制作短波长大功率激光器。其次，这类材料介电强度高，适于开发相应大功率的放大器件、开关器件及二极管。此外，其相对介电常数比较低，可制作毫米波放大器串联电容。这些优异特性，使得其在高温、高频、光电子、大功率以及抗辐射等方面有很大的应用潜力。GaN材料有着极大的性能改善空间。首先，从外延生长氮化镓材料的衬底角度来看，用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，若使用其作为氮化镓材料生长的衬底材料可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，从而提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。如今用于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石，即Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。但是蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配度较大，造成在外延生长的GaN材料中位错密度较大，影响材料的结晶质量和许多电学和光学性质。正是因此，高质量的GaN材料外延生长非常困难，其生长技术发展也非常缓慢。直到20世纪90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断提高，以及缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突破，才使GaN基材料及其外延生长的研究变得空前活跃，成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。其次，即使采用各种方法生长出的GaN晶体也不可避免的大多含有一定数量的氮空位缺陷(VN)，这会导致非掺杂的GaN材料均为n型半导体,本底电子浓度在1014-4x1016cm-3左右,呈现出高电导的情况；而p型GaN一般属补偿材料,且一般均用Mg元素作为受主掺杂杂质。目前可控掺杂浓度仅在1011-1020cm-3之间。这意味着外延生长的p型GaN材料的电学性能有较大的提升空间，而由于这种电学性能的不尽如人意直接导致了以GaN材料为基底的LED的发光性能不甚理想，其光出射功率以及电光转换效率仍然只能被限制在较低的水平，其中电光转换效率在工业生产中一般只能达到约15％-20％。。LED是由英文lightemittingdiode各词头缩写而成的专业术语，即“发光二级管”，它是电能转换成光能的能量转换装置，是一种在适当的正向偏压下半导体p-n结能自发辐射而发光的一种器件。目前，如何提高以GaN为基底的蓝光LED的发光性能是全球的学术热点之一，原因就是蓝光LED的发光材料研究起步较晚，其材料性能又没有达到人们预期的水平。激光技术自问世以来，以其能量高、易操作、可控性好不易引入污染等优点广泛用于新材料制备、辐照材料改性等研究领域。特别是伴随着准分子激光等短波长高峰值功率激光器的应用，材料冷加工的思想越来越重要，主要研究材料在激光辐照下电、光、磁等物理性质的改变，涉及半导体材料、介电材料、高温超导材料和磁性材料等方面。运用准分子激光辐照的方法进行表面改性的的优越性主要有激光拥有高能量密度的光输出；输出能量密度和脉冲频率以及脉冲数的等参数精确可控；处理特定局域表面的可选择性和可重复性。本专利技术提出在不同气氛和光脉冲参数下，采用激光辐照的方法对GaN外延片结构进行辐照，利用辐照气氛和参数多变且精确可控的优势，尝试不同条件和参数以确定能够使GaN外延片电学性质以及以其为基底的LED发光性能改善最明显的参数设置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在不同辐照气氛和辐照参数下改善GaN外延片电学性质和以GaN为基底的LED各项发光性能的方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：1)将氮化镓外延片浸入有机溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入酒精溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗6-10分钟后，冲洗，干燥；2)将经步骤1)处理过的GaN外延片样品放在靶台上，调整光路，激光器波长为248nm；3)采用脉冲激光单脉冲能量密度0.15J/cm2-0.6J/cm2，频率3Hz-10Hz，脉冲数为60-120辐照样品。进一步，其特征在于氮化镓外延片样品为表层是p型GaN薄膜的多层外延结构样品。进一步，其特征在于所说的激光器是KrF准分子激光器。在上述步骤3)中，激光辐照GaN外延片是分别在标准大气、氮气和氧气气氛下进行的。并通过在不同气氛下改变激光辐照参数(脉冲能量密度、辐照脉冲数、脉冲频率)以在不同程度的改善氮化镓电学光学性质以及封装后的LED的发光性能。按照以上工艺方法得到的样品，在采用磁控溅射的方法在样品表面淀积Ni(30nm)/Au(100nm)金属电极后，对样品进行载流子浓度、表面电阻率等一些金属半导体欧姆接触的电学测试。结果显示在氮气气氛下，采用适当辐照参数的激光辐照样品可以最多使样品载流子浓度提高两个数量级，并且表面电阻率也同时降低了1个数量级。按照以上工艺方法得到的辐照后的氮化镓外延片样品，在通过清洗、蒸发ITO、台阶(mesa)光刻、ICP刻蚀、去胶、ITO合金、HF酸清洗、图形电极(patternedpad)光刻溅射Ti/Au、剥离Ti/Au、合金、探针台测试等小功率LED工艺流程本步骤，对其进行LED发光性能的测试，主要有反向漏电流、光出射功率、光输出效率等LED特性参数。本专利技术是基于准分子激光与GaN半导体材料发生的光化学与光热反应，在辐照时导致材料表面的物理性质发生改变。运用激光辐照改性的方法具有很大的灵活性，可以通过对于辐照参数与气氛的改变使得辐照后的材料具有最佳的电学和光学性能，并对封装后LED的发光性能有一定的改善。与现有的半导体改性技术，主要是快速热退火相比，本专利技术有明显的创新性：1.激光辐照GaN外延片的方法其工艺操作简单易行、时间周期短、激光辐照参数精确可控以及可处理特定局域表面。可以通过调整激光辐照参数和对辐照气氛环境的改变以使样品的电学光学性质以及封装成LED的发光性能得到最大程度的改善。2.经激光辐照改性后，样品的电学光学性质改善明显。并且与LED发光测试相结合，更结合生产生活的实际问题以提升以氮化镓LED为代表的蓝光LED的发光性能。3.采用激光作为高能辐照源，激光功率和脉冲个数较小，工艺简单，能耗较低；在1分钟内可完成辐照，改性速度快。4.采用激光辐照作为材料改性的方法，不影响氮化镓外延片表层下其他结构的材料性质，不产生环境污染。附图说明图1是氮化镓外延片样品经过LED封装工艺后的LED灯珠实物图，其中图1(a)是LED灯珠俯视图，图1(b)是LED灯珠侧视图。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将氮化镓外延片浸入丙酮溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入酒精溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗10分钟后，冲洗，干燥；2)将经步骤1)处理过的GaN外延片样品放在靶台上，调整光路，激光器波长为248nm；3)采用脉冲激光单脉冲能量密度0.15J/cm2‑0.6J/cm2，频率3Hz‑10Hz，脉冲数为60‑120辐照样品。

【技术特征摘要】
1.一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将氮化镓外延片浸入丙酮溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入酒精溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗10分钟后，冲洗，干燥；2)将经步骤1)处理过的GaN外延片样品放在靶台上，调整光路，激光器波长为248nm；运用复眼结构对出射激光进行整形，调整光路，使作用在样品上的光斑面积1cm2；3)采用脉冲激光单脉冲能量密度0.15J/cm2-0.6J/cm2，频率3Hz-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋毅坚，谈浩琪，赵艳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11