CN105449059A - 具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片及其制备方法，该LED芯片包括由下而上依次设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和多层电流扩展增透膜层；多层电流扩展增透膜层和n型GaN层上分别设置有金属电极；所述多层电流扩展增透膜层由下而上依次包括第一ITO薄膜层、第二ITO薄膜层和第三ITO薄膜层；其制备方法，包括如下步骤：(1)刻蚀出台面结构；(2)沉积第一ITO薄膜层；(3)对第一ITO薄膜层退火；(4)沉积第二ITO薄膜层；(5)沉积第三ITO薄膜层；(6)光刻多层电流扩展增透膜；(7)制作电极。本发明可以与不同掺杂类型的p型GaN形成稳定良好的欧姆接触，使电流扩展更加均匀，提高半导体发光二极管的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基LED(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
GaN、InN、AlN等具有对称六方晶系结构的Ⅲ-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。
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Si、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。
LED作为光源有着许多无可比拟的优点：发光密度高，电流可以直流注入，极高的内量子效率，长寿命，体积小以及绿色环保。然后所有半导体LED都面临着同一个问题，如何提高LED的外量子效率，而外量子效率等于内量子效率与光提取效率的乘积，目前高质量的LED的内量子效率已经达到90％以上，但是由于光提取效率非常低，以及半导体材料的吸收，被吸收的光能被转换为热能，致使晶片结温升高，由此又导致LED的色偏，寿命以及电光转换效率降低等不利影响。
随着LED芯片尺寸的增大，芯片表面电流扩展对LED光电性能产生较大影响。目前，LED透明电极主要采用氧化铟锡(ITO)。ITO具有透明、导电以及更容易与P型GaN形成良好的欧姆接触。要求ITO具有较高的透过率以及好的导电性，但是常规使用的单层ITO薄膜的导电性能与透明性不可兼得。需要我们找到一种合适的方法实现低阻的ITO与高的透过率。
中国专利文献CN102142496A公开了一种P型GaN上双层透明电极，第一层ITO做为透明导电层，第二层使用ZnO做为导电层。从而实现好的欧姆接触以及低阻的电流扩散。但这种方法在一定程度上影响了光线透过率进而半导体发光二极管的光提取效率。
中国专利文献CN103268882A公开了一种具有微结构增透膜的高压LED芯片，通过生长SiON做为膜层材料，折射率在1.6-1.7可调，增透膜厚度为LED发光波长的四分之一。同时将ITO层上方的增透膜做成具有圆柱状微结构，从而提高半导体发光二极管的光提取效率。该方法可以从一定程度上提高光提取效率，但是针对ITO层的增透作用还有一定的提高空间。
综上述，针对半导体发光二极管在电流扩展方面以及增透膜技术方面有人做出了一定的研究。但都针对其中一点做出表述，两者相结合的研究较少，并且都存在一定的提高空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，同时提供一种该LED芯片的制备方法。
本发明的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，包括由下而上依次设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和多层电流扩展增透膜层；多层电流扩展增透膜层和n型GaN层上分别设置有金属电极；所述多层电流扩展增透膜层由下而上依次包括第一ITO(氧化铟锡)薄膜层、第二ITO薄膜层和第三ITO薄膜层。
所述第一ITO薄膜层的折射率为1.8-1.9，第二ITO薄膜层的折射率为1.5-1.6，第三ITO薄膜层的折射率为1.6-1.7。
所述第一ITO薄膜层的厚度为第二ITO薄膜层的厚度为第三ITO薄膜层的厚度为
所述第一ITO薄膜层的阻值为30-120Ω/sq，第二ITO薄膜层的阻值为10-20Ω/sq(方块电阻单位)，第三ITO薄膜层的阻值为20-40Ω/sq。
上述具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用干法刻蚀方法，从p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构；
(2)在步骤(1)形成的外延片上表面沉积第一ITO薄膜层；
(3)对第一ITO薄膜层退火；
(4)在步骤(3)形成的外延片上表面沉积第二ITO薄膜层；
(5)在步骤(4)形成的外延片上表面沉积第三ITO薄膜层；
(6)在步骤(5)形成的外延片表面上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干和腐蚀对正性光刻胶进行光刻，光刻只保留p型GaN层上对应的多层电流扩展增透膜；
(7)制作电极；
(8)对外延片减薄和裂片，得到GaN基LED芯片。
所述步骤(3)对第一ITO薄膜层退火的具体过程为：先用丙酮清洗再用乙醇清洗，然后在温度500～600℃退火15～30分钟。
所述步骤(7)制作电极的具体过程为：在经过步骤(6)处理的外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影和烘干后对所述负性光刻胶进行光刻，在多层电流扩展增透膜层和n型GaN层上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸方法在所述p型电极区域和n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型电极和n型电极。
本发明设置有三层ITO薄膜，具有以下特点：
1.第一ITO薄膜层作为欧姆接触层，可以与不同掺杂类型的p型GaN形成稳定良好的欧姆接触。
2.第二ITO薄膜层作为电流扩展层，比第一ITO薄膜层具有更低的阻值，使电流扩展更加均匀。
3.第三ITO薄膜层与第一ITO薄膜层和第二ITO薄膜层相互配合，形成膜组，在波长455nm处的增透层有更好的透过效果，提高半导体发光二极管的光提取效率。
附图说明
图1是刻蚀出台面结构的GaN基LED外延片的结构示意图。
图2是制备有多层电流扩展增透膜层的GaN基LED外延片的结构示意图。
图3是光刻多层电流扩展增透膜层后的GaN基LED外延片的结构示意图。
图4是本发明制备的GaN基LED芯片的结构示意图。
图5是本发明GaN基LED芯片中的多层电流扩展增透膜层的结构示意图。
图中：1、p型GaN层，2、量子阱层，3、n型GaN层，4、多层电流扩展增透膜层，5、第一ITO薄膜层，6、第二ITO薄膜层，7、第三ITO薄膜层，8、p型电极，9、n型电极。
具体实施方式
如图4所示，本发明的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，包括由下而上依次设置的n型GaN层3、量子阱层2、p型GaN层1和多层电流扩展增透膜层4。多层电流扩展增透膜层4和n型GaN层3上分别设置有金属电极8。如图5所示，多层电流扩展增透膜层4由下而上依次包括第一ITO(氧化铟锡)薄膜层5、第二ITO薄膜层6和第三ITO薄膜层7。
第一ITO薄膜层5的折射率为1.8-1.9，第二ITO薄膜层6的折射率为1.5-1.6，第三ITO薄膜层7的折射率为1.6-1.7。第一ITO薄膜层5的厚度为第二ITO薄膜层6的厚度为第三ITO薄膜层7的厚度为第一ITO薄膜层5的阻值为30-120Ω/sq，第二ITO薄膜层6的阻值为10-20Ω/sq，第三ITO薄膜层7的阻值为20-40Ω/sq。
上述具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用干法刻蚀方法，从p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构，得到图1所示的外延片。
(2)如图2所示，在步骤(1)得到的外延片上表面(p型GaN层和台面的上表面)制备多层电流扩展增透膜层4，自下至上依次制备第一ITO薄膜层5、第二ITO薄膜层6和第三ITO薄膜层7，具体过程是：
①在步骤(2)形成的外延片表面采用电子束蒸镀方式蒸镀厚度为的第一ITO薄膜层5，蒸镀条件：蒸镀温度350℃、速率通氧量30sccm。
②对第一ITO薄膜层退火：首先，分别使用丙酮以及乙醇先后清洗，然后使用管式退火炉进行退火，退火温度500～600℃，时间15～30分钟；
③在步骤②形成的外延片上表面采用电子束蒸镀方式蒸镀厚度为的第二ITO薄膜层6，蒸镀条件：蒸镀温度280℃，速率通氧量10sccm。
④在步骤③形成的外延片上表面采用电子束蒸镀方式蒸镀的第三ITO薄膜层7，蒸镀条件：蒸镀温度350℃，速率通氧量15sccm～20sccm。
(3)在形成多层电流扩展增透膜层4的外延片表面上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干和腐蚀对正性光刻胶进行光刻，只保留p型GaN层1上的多层电流扩展增透膜，去除台面上的多层电流扩展增透膜，得到图3所示的外延片。
(4)制作电极
在图3所示的外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影和烘干后对所述负性光刻胶进行光刻，在多层电流扩展增透膜层4和n型GaN层3上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸镀方法在p型电极区域和n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型电极8和n型电极9。
(5)对外延片减薄和裂片，得到图4所示的GaN基LED芯片。
Claims (7)
1.一种具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，包括由下而上依次设置的n型GaN层、量子阱层、p型GaN层和多层电流扩展增透膜层；其特征是，多层电流扩展增透膜层和n型GaN层上分别设置有金属电极；所述多层电流扩展增透膜层由下而上依次包括第一ITO薄膜层、第二ITO薄膜层和第三ITO薄膜层。
2.根据权利要求1所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，其特征是，所述第一ITO薄膜层的折射率为1.8-1.9，第二ITO薄膜层的折射率为1.5-1.6，第三ITO薄膜层的折射率为1.6-1.7。
3.根据权利要求1所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，其特征是，所述第一ITO薄膜层的厚度为第二ITO薄膜层的厚度为第三ITO薄膜层的厚度为。
4.根据权利要求1所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片，其特征是，所述第一ITO薄膜层的阻值为30-120Ω/sq，第二ITO薄膜层的阻值为10-20Ω/sq，第三ITO薄膜层的阻值为20-40Ω/sq。
5.一种权利要求1所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)利用干法刻蚀方法，从p型GaN层到n型GaN层刻蚀出台面结构；
(2)在步骤(1)形成的外延片上表面沉积第一ITO薄膜层；
(3)对第一ITO薄膜层退火；
(4)在步骤(3)形成的外延片上表面沉积第二ITO薄膜层；
(5)在步骤(4)形成的外延片上表面沉积第三ITO薄膜层；
(6)在步骤(5)形成的外延片表面上涂上正性光刻胶，然后通过对准、曝光、显影、烘干和腐蚀对正性光刻胶进行光刻，光刻只保留p型GaN层上对应的多层电流扩展增透膜；
(7)制作电极；
(8)对外延片减薄和裂片，得到GaN基LED芯片。
6.根据权利要求5所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述步骤(3)对第一ITO薄膜层退火的具体过程为：先用丙酮清洗再用乙醇清洗，然后在温度500～600℃退火15～30分钟。
7.根据权利要求5所述的具有电流扩展增透膜层的GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述步骤(7)制作电极的具体过程为：在经过步骤(6)处理的外延片上涂上负性光刻胶，进行对准、曝光、显影和烘干后对所述负性光刻胶进行光刻，在多层电流扩展增透膜层和n型GaN层上光刻出p型电极和n型电极区域；最后利用电子束蒸方法在所述p型电极区域和n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型电极和n型电极。
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