一种ＧａＮ基ＬＥＤ芯片结构中ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层的表面粗化方法技术

本发明专利技术公开了一种ＧａＮ基ＬＥＤ芯片结构中ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层的表面粗化方法。该方法包括如下步骤：（１）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、多量子阱层、ｐ－ＧａＮ层的层叠式结构和蒸镀ＩＴＯ电流扩展层；（２）制备单层镍纳米粒子作为掩模，在ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层表面制作粗化结构。本发明专利技术方法步骤简单，成本低，粗化效果好；通过本发明专利技术方法对ＧａＮ基ＬＥＤ的ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层进行表面粗化，可以抑制芯片内光子的全反射，提高器件的出光效率。

Surface roughening method of P GaN layer or ITO layer in GaN based LED chip structure

The invention discloses a surface roughening method of a p - GaN layer or a ITO layer in a GaN based LED chip structure. The method comprises the following steps: (1) on a semiconductor substrate in low temperature growth of GaN buffer layer, an undoped GaN layer, n layer, GaN multi quantum cascade structure and steam well layer, GaN layer P ITO plating current spreading layer; (2) preparing monolayer nickel nano particles as a mask, in the layer or the ITO layer P GaN coarse structure. The invention has simple steps, low cost, good roughening effect; by the method of GaN based LED P GaN layer or ITO layer surface roughening, total reflection can inhibit the photon in the chip, improve the optical efficiency of devices.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电器件领域，具体涉及一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO 层的表面粗化方法。
技术介绍
近年来，发光二极管(LED)无疑成为最受重视的光源技术之一。 一方面LED具有 体积小的特性；另一方面LED具备低电流、低电压驱动的省电特性。理论上预计，半导体LED 照明灯的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍、日光灯的2倍。同时它还具有结构牢 固、抗冲击和抗震能力强；超长寿命，可达100000小时；无红外线和紫外线辐射；无汞，有利 于环保等众多优点。其中，作为在光电子领域的主要应用之一，GaN基材料得到了越来越多 人的关注，利用GaN基半导体材料可制作出超高亮度蓝、绿、白光发光二极管。由于GaN基 发光二极管的亮度取得了很大的提高，使得GaN基发光二极管在很多领域都取得了应用， 例如交通信号灯、移动电话背光、汽车尾灯、短距离通信、光电计算机互联等。而在不久的将 来可能用作节能、环保照明器具的GaN基白光LED则更是将引起照明产业的革命，有着非常 广阔的应用前景，半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生专利技术白炽灯。基于GaN基 LED的重要作用，如何提高GaN基LED的发光效率已成为关注的焦点。研究人员急待开发出 可靠的方法来提高光功率，从而大幅度提高LED产品的档次，提高经济效益。目前在20mA 的标准工作电流下，典型的GaN基蓝色LED芯片的发光功率约为4mW，许多厂商从提高外量 子效率入手来提高出光功率，可使发光功率在4. 5mW以上。早期LED组件发展集中在提升 其内部量子效率，随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量 子效率已有了非常大的改善，目前蓝光GaN基的LED内量子效率可达70X以上，紫外GaN基 LED可达80X，进一步改善的空间较小。 半导体材料本身的光电转换效率已远高过其它发光光源，提高GaN基LED的外部 量子效率对促进LED的发展应用具有重大意义，鉴于目前其内部量子效率的提高几乎已经 接近理论的极限的状况下，提升LED组件的光取出效率将成为重要的课题。这在很大程度 上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率，进而达到提升发光效率(或外量子效率) 的目的，大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率，目前国内 外采用的主要技术途径主要有生长分布布喇格反射层(DBR)结构、倒装技术、表面粗化技 术和光子晶体技术。其中表面粗化技术作为一种制作工艺相对简单的技术被普遍看好，它 不需要制作像光子晶体的严格结构尺寸，而且制作方法也较多。通常普通的GaN基LED芯 片制作工艺是在蓝宝石衬底上依次生长n-GaN层、多量子阱层及p-GaN层的层叠式结构，接 着沉积ITO电流扩散层，然后制作出金属电极。由于GaN材料和ITO薄膜的折射率约为2. 5 和2. 1，比周围空气的折射率大的多，这样在有源层产生的光子在经过p-GaN与ITO界面和 ITO与空气界面时就会发生全反射现象，导致大部分光线被折回而不能透出器件表面。通 过表面粗化，可以破坏光子的全反射行为，增加光子逃出器件表面的机率，从而提高发光效率。 在目前已提出的表面粗化方法中，虽然均不同程度的提高了 LED亮度，然而这些 方法也暴露出的技术要求高、过程不易控制、会出现正向偏压升高等缺点。因此，有必要研 究出一种制作工艺相对简单、成本低、便于产业化生产的表面粗化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有的表面粗化技术的不足，提供一种制作工艺相对简单，成本低，粗化效果好的表面粗化方法。 本专利技术是通过以下技术方案予以实现的 —种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或IT0层的表面粗化方法，其特征在于包括 如下步骤 (1)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 层、p-GaN层和蒸镀IT0电流扩展层； (2)制备单层镍纳米粒子作为掩膜，在p-GaN层或ITO层表面制作粗化结构。 其中，所述步骤(1)中的半导体衬底的材料优选蓝宝石、硅或SiC。 步骤(2)中所述单层镍纳米粒子掩膜的制备方法如下 ①配置镍纳米粒子分散液将1 20wt%的直径为50nm 200nm的纳米镍粉溶 于无水乙醇，加入分散剂，将混合液进行超声分散处理8 30min ; ②镍纳米粒子分散液的旋涂将上述纳米镍粒子分散液旋涂在p-GaN层或ITO层 表面上，形成单层镍纳米粒子薄膜； ③单层镍纳米粒子薄膜的烘干将旋涂有单层镍纳米粒子的外延片样品进行烘 干，形成ICP刻蚀所需的单层镍纳米粒子掩膜层。 其中，所述分散剂优选油酸或柠檬酸。 所述单层镍纳米粒子掩膜优选自组装单层镍纳米粒子掩膜。 为了使镍纳米粒子在分散剂中的悬浮性能更好，所述镍纳米粒子在配置分散液前 优选非氧化的镍纳米粒子，所以需要进行如下处理将稀盐酸与纳米镍粉按质量比5 : l混 合后进行反应，超声振荡30min后静置20min，倒掉上层清液，并反复洗涤至pH值为6 7 。 当对p-GaN表面进行粗化处理时，在ICP刻蚀过程中，优选用Cl2/BCl3/Ar作为刻 蚀气体，刻蚀条件优选为BC13的流量为2 15sccm， Ar的流量为5 30sccm， Cl2的流量 为110 35sccm，ICP功率为500 750W，RF功率为100 300W，刻蚀时间为10s lmin， 刻蚀后在p-GaN层表面形成凹凸状形貌；将刻蚀后的样品放入乙醇溶液中，超声清洗将镍 纳米粒子掩膜去除并冲洗干净。 当对ITO电流扩展层进行粗化处理时，在ICP刻蚀过程中，优选用Cl2/BCl3/Ar 或Cl2/Ar作为刻蚀气体，刻蚀条件优选为BC13的流量为5 10sccm， Ar的流量为2 15sccm，Cl2的流量为25 60sccm， ICP功率为200 500W，RF功率为100 350W，刻蚀时 间为1 4min，刻蚀后在ITO电流扩展层表面形成凹凸状形貌；将刻蚀后的样品放入乙醇 溶液中，超声清洗将镍纳米粒子掩膜去除并冲洗干净。 上述ICP刻蚀过程中，可以通过ICP刻蚀处理的时间来控制p-GaN层或ITO电流 扩展层的粗糙程度，特别是对p-GaN层的粗化时，为了发挥器件的光电特性，刻蚀深度不超过p-GaN层厚度的1/2较佳。 GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化过程中，在半导体衬底上生长 外延均为本领域中的常用技术。 与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果 本专利技术GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法，通过将p-GaN 层或ITO层的粗化，破坏了光子在经过p-GaN与ITO界面和ITO与空气界面时发生的反射 现象，增加了光子逃出器件表面的机率，提高了发光效率。本专利技术方法过程易于控制，制作 工艺相对简单，成本低，过程容易控制，便于产业化生产。附图说明 图1是常规GaN基LED的结构示意图，其中，1为P电极，2为IT0层，3为p-GaN 层，4为量子阱，5为N电极，6为n-GaN层，7为不掺杂GaN层，8为低温GaN缓冲层，9为蓝 宝石衬底； 图2是通过对ITO电流扩展层表面粗化提高出光率的GaN基LED的结构示意图， 其中，1为P电极，2为表面粗化ITO层，3为p-GaN层，4为量子阱，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＧａＮ基ＬＥＤ芯片结构中ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层的表面粗化方法，其特征在于包括如下步骤：（１）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、多量子阱层、ｐ－ＧａＮ层和蒸镀ＩＴＯ电流扩展层；（２）制备单层镍纳米粒子作为掩膜，在ｐ－ＧａＮ层或ＩＴＯ层表面制作粗化结构。

【技术特征摘要】
一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法，其特征在于包括如下步骤(1)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、多量子阱层、p-GaN层和蒸镀ITO电流扩展层；(2)制备单层镍纳米粒子作为掩膜，在p-GaN层或ITO层表面制作粗化结构。2. 根据权利要求1所述的GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法， 其特征在于步骤(1)中所述半导体衬底的材料为蓝宝石、硅或SiC。3. 根据权利要求1所述的GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法， 其特征在于步骤(2)中所述单层镍纳米粒子掩膜的制备方法如下(1) 配置镍纳米粒子分散液将1 20wt^的直径为50nm 200nm的纳米镍粉溶于无 水乙醇，加入分散剂，将混合液进行超声分散处理8 30min ;(2) 镍纳米粒子分散液的旋涂将上述纳米镍粒子分散液旋涂在p-GaN层或ITO层表 面上，形成单层镍纳米粒子薄膜；(3) 单层镍纳米粒子薄膜的烘干将旋涂有单层镍纳米粒子的外延片样品进行烘干， 形成ICP刻蚀所需的单层镍纳米粒子掩膜层。4. 根据权利要求3所述的GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法， 其特征在于步骤(1)中所述分散剂为油酸或柠檬酸。5. 根据权利要求1或3所述的GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方 法，其特征在于所述单层镍纳米粒子掩膜为自组装单层镍纳米粒子掩膜。6. 根据权利要求3所述的GaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：何安和，章勇，何苗，范广涵，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]