專利名稱：GaN基光電子器件表面粗化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電子器件表面粗化工藝，特別一種能使GaN基LED等電-光轉(zhuǎn) 化器件及太陽能電池等光-電轉(zhuǎn)化器件表面P型層粗化的方法。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的III族氮化物半導(dǎo)體材料在光電子和微電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng) 用前景。直接帶隙GaN、InN、AlN及其合金材料(例如hGaN、AKiaN)的禁帶寬度覆蓋從紅 外到紫外的波段，可用于制作發(fā)光二極管(LED)、高性能紫外探測器、紫光和藍(lán)綠光激光器 (LD)、高效太陽能電池等，廣泛應(yīng)用于全色顯示、白光照明、高密度信息存儲(chǔ)、激光打印以及 水下通信及節(jié)能等領(lǐng)域。對于多數(shù)光電器件，提高表面的粗糙度可以降低器件表面對光的 反射，這不僅可以增加如LED等電-光轉(zhuǎn)化器件的表面出光效率，而且可以降低如太陽能電 池、探測器等光-電轉(zhuǎn)化器件表面對入射光的反射，從而提高器件性能。如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有工藝制作出的GaN基光電子器件芯片通常是基于一種p-i_n 結(jié)構(gòu)，器件芯片的外延生長工藝是在襯底11上形成η型層12，光-電(電-光)轉(zhuǎn)化區(qū)(i 型層1 及ρ型層14的疊層結(jié)構(gòu)，這種通過外延方法生長出的外延片表面比較平整，因此 制備出器件表面會(huì)對光有很強(qiáng)的反射。例如，LED所產(chǎn)生的光達(dá)到與空氣的界面時(shí)，由于 GaN基半導(dǎo)體材料與空氣的折射率相差較大，因此全反射角小，大于臨界角的光將產(chǎn)生全反 射回到LED芯片內(nèi)部，并在芯片內(nèi)部不斷被各個(gè)界面反射直到被吸收而導(dǎo)致能量在芯片內(nèi) 部消耗，最終無法出光。對于太陽能電池、探測器等光-電轉(zhuǎn)化器件，平整的芯片表面會(huì)反 射掉部分入射光，從而降低器件的光-電轉(zhuǎn)化效率。為降低芯片表面對光的反射，通常會(huì)對芯片表面的ρ型層14表面進(jìn)行粗化處理。 目前，對于GaN基光電子器件表面粗化的方法主要有兩種，并主要產(chǎn)生于GaN基LED器件工 藝中一是在外延生長結(jié)束后，對GaN基LED表面進(jìn)行粗化處理，現(xiàn)有方法包括采用濕法腐 蝕或干法刻蝕的方法對P-GaN層進(jìn)行表面粗化，但這種方法會(huì)對P-GaN表面造成刻蝕損傷， 從而增加電極與P-GaN之間的接觸電阻。另一種方法是直接生長粗糙的P-GaN層，通常采 用低的生長溫度或者重?fù)組g的方法使p-GaN層表面粗化，然而這種方法會(huì)在P-GaN層中引 入很多缺陷，降低P-GaN層的導(dǎo)電型，粗化效果也不理想。因此，需要提供一種芯片表面更有效的粗化制作方法，以進(jìn)一步提高GaN基光電 子器件的效率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方 法，最大程度降低芯片表面對光的反射，同時(shí)不影響P型層的電學(xué)性質(zhì)，從而提高器件的工 作效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，包括步驟1 取一襯底；
步驟2 在該襯底上依次外延生長η型層、i型層及ρ型層；步驟3 利用納米加工技術(shù)，在ρ型層上加工形成納米柱陣列；步驟4 在該納米柱陣列上外延生長ρ型表面粗化層。所述襯底是藍(lán)寶石襯底、Si襯底、SiC襯底或GaN襯底。所述η型層為η型LxGi^xN材料，厚度為0_3000nm，0彡χ < 1。所述i型層為本征InyGai_yN材料或采用LmGi^mNAnnGiVnN多量子阱結(jié)構(gòu)或超晶 格結(jié)構(gòu)，其中0彡y彡1，0<π!彡1，0彡η彡1，m > η，該層的厚度為0_500nm。所述ρ型層為ρ型InzGa1=N材料，厚度為20_300nm，0彡ζ彡1。所述納米加工技術(shù)是指首先制備納米尺度的掩膜，然后采用干法或濕法刻蝕在 外延片表面制備納米柱陣列。所述納米柱陣列的頂面和底面的形狀是圓形、規(guī)則多邊形或者不規(guī)則的多邊形， 納米柱陣列的頂面和底面的形狀為相同，或?yàn)椴煌?；納米柱陣列中納米柱截面的平均尺寸 為 0. 001-100 微米。所述ρ型粗化層的材料為P型InxGiVxN, 0彡X彡1。所述ρ型粗化層的表面呈尖錐狀。本發(fā)明的有益效果是1、利用本發(fā)明，結(jié)合刻蝕進(jìn)行表面粗化與外延生長進(jìn)行表面粗化的優(yōu)勢，一方面 通過調(diào)整納米柱的密度和尺寸可以有效地控制通過二次外延獲得的hxGai_xN尖錐的尺寸 和分布，因此，針對不同器件工作的波長可以更加靈活地控制P型粗化層的粗糙程度；2、利用本發(fā)明，粗糙化后的芯片表面呈尖錐狀，這種表面通過對入射光的散射和 繞射效果，可以減少表面對入射光反射的幾率，提高LED等發(fā)光器件的光提取效率或增加 入射光在太陽能電池表面的透入效率；3、利用本發(fā)明，通過外延方法獲得的這種尖錐狀表面由hXGal-XN材料的特定晶 體學(xué)平面構(gòu)成的，表面缺陷少，有利于電極的制作；4、利用本發(fā)明，可同時(shí)應(yīng)用于LED等電-光轉(zhuǎn)化器件及太陽能電池等光-電轉(zhuǎn)化 器件；


為了更加明確地說明本發(fā)明的原理，下面以一種具體的實(shí)施例及附圖來加以描 述，其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有工藝制作出的GaN基p-i-n結(jié)構(gòu)的光電子器件外延片示意圖；圖2是在器件表面加工的InzGi^zN納米柱陣列示意圖；圖3是納米柱上生長的生長ρ型hxGai_xN粗化層后形成尖錐狀表面的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，最大程度降低芯片表面對 光的反射，同時(shí)不影響P型層的電學(xué)性質(zhì)，從而提高器件的工作效率。請參閱圖1至圖3所示，本發(fā)明提供了一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方 法，包括
步驟1 取一襯底11 ；所述襯底是藍(lán)寶石襯底、Si襯底、SiC襯底或GaN襯底；步驟2 在該襯底上外延生長依次生長η型層12，i型層13及ρ型層14 ；所述η 型層12可為η型LxGi^xN材料，厚度為0-3000nm，0 ^ χ < 1 ；所述i型層13可為本征 hyGai_yN或采用InmGai_mN/InnGai_nN多量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)，其中0彡y彡l，0<m彡1， 0彡η彡1，m > n，該層的厚度為0-500nm ；所述ρ型層14可為ρ型材料，厚度為 20-300nm，0 彡 ζ 彡 1 ；步驟3 利用納米加工技術(shù)，在ρ型層14上加工形成納米柱陣列21，該納米柱陣 列21包括多個(gè)納米柱；所述納米加工技術(shù)是指首先制備納米尺度的掩膜，然后采用干法 或濕法刻蝕在外延片表面制備納米柱陣列21 ；所述納米柱陣列21中納米柱的頂面和底面 的形狀是圓形、規(guī)則多邊形或者不規(guī)則的多邊形，納米柱陣列21中納米柱的頂面和底面的 形狀為相同，或?yàn)椴煌?；納米柱陣列21中納米柱截面的平均尺寸為0. 001-100微米；步驟4 在該納米柱陣列21上外延生長ρ型表面粗化層31 ；所述ρ型粗化層31材 料可為P型MxGiVxN材料，0彡X彡1 ；所述P型粗化層31的表面呈尖錐狀。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見圖1-圖3所示。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在襯 底11上依次外延生長η型層12、i型層13、p型層14，其中所述襯底11為藍(lán)寶石襯底；n型 層12為η型GaN外延層，厚度為3000nm ；所述i型層13為Intl. A^^N/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)， 厚度為60nm ；所述ρ型層14為ρ型GaN材料，厚度為150nm ；隨后在ρ型層14上沉積200 納米厚的S^2介質(zhì)膜；然后在SiA介質(zhì)膜上蒸鍍一層金屬Ni，并通快速退火的方法使金屬 Ni聚集成直徑在10-200納米左右的金屬島。利用金屬島作為掩模材料，刻蝕ρ型層14，刻 蝕深度為lOOnm，從而制作出納米柱陣列21 ；隨后，再次通過MOCVD方法在帶有納米柱陣列 21的外延片表面生長ρ型粗化層31，所述ρ型粗化層31為200納米厚的ρ型InaiGiia9N 層，最終獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的LED外延片；實(shí)施例二 參見圖1-圖3所示。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在 襯底11上依次外延生長η型層12、i型層13、p型層14，其中所述襯底11為η型GaN襯底 材料；η型層12為η型GaN外延層，厚度為300nm ；所述i型層13為I% A^^N/GaN多量子 阱結(jié)構(gòu)，厚度為60nm;所述ρ型層14為ρ型GaN材料，厚度為150nm;隨后在ρ型層14上 沉積200納米厚的SiO2介質(zhì)膜；然后在S^2介質(zhì)膜上蒸鍍一層金屬Ni，并通快速退火的方 法使金屬M(fèi)聚集成直徑在10-200納米左右的金屬島。利用金屬島作為掩模材料，刻蝕ρ 型層14，刻蝕深度為lOOnm，從而制作出納米柱陣列21 ；隨后，再次通過MOCVD方法在帶有 納米柱陣列21的外延片表面生長ρ型粗化層31，所述ρ型粗化層31為200納米厚的ρ型 In0. A^19N層，最終獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的LED外延片；實(shí)施例三參見圖1-圖3所示。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在 襯底11上依次外延生長η型層12、i型層13、P型層14，其中所述襯底11為藍(lán)寶石襯底； η型層12為η型GaN外延層，厚度為3000nm ；所述i型層13為本征Ina2Giia8N層，厚度為 200nm ；所述ρ型層14為ρ型GaN材料，厚度為150nm ；隨后在ρ型層14上沉積200納米厚 的SiO2介質(zhì)膜；然后在SiA介質(zhì)膜上蒸鍍一層金屬Ni，并通快速退火的方法使金屬Ni聚 集成直徑在10-200納米左右的金屬島。利用金屬島作為掩模材料，刻蝕ρ型層14，刻蝕深 度為lOOnm，從而制作出納米柱陣列21 ；隨后，再次通過MOCVD方法在帶有納米柱陣列21的外延片表面生長P型粗化層31，所述ρ型粗化層31為200納米厚的ρ型InaiGiia9N層，最 終獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的GaN基太陽能電池外延片；實(shí)施例四參見圖1-圖3所示。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在 襯底11上依次外延生長η型層12、i型層13、P型層14，其中所述襯底11為藍(lán)寶石襯底； η型層12為η型GaN外延層，厚度為3000nm ；所述i型層13為Ina A^^N/GaN多量子阱結(jié) 構(gòu)，厚度為60nm ；所述ρ型層14為ρ型GaN材料，厚度為150nm ；隨后在ρ型層14上沉積 200納米厚的SiO2介質(zhì)膜；然后在S^2介質(zhì)膜上利用全息曝光的方法制作模版圖形，刻蝕 P型層14，刻蝕深度為lOOnm，從而制作出納米柱陣列21 ；隨后，再次通過MOCVD方法在帶有 納米柱陣列21的外延片表面生長ρ型粗化層31，所述ρ型粗化層31為200納米厚的ρ型 In0. A^19N層，最終獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的LED外延片；實(shí)施例五參見圖1-圖3所示。使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在襯 底11上依次外延生長η型層12、i型層13、p型層14，其中所述襯底11為藍(lán)寶石襯底；n型 層12為η型GaN外延層，厚度為3000nm ；所述i型層13為Intl. A^^N/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)， 厚度為60nm ；所述ρ型層14為ρ型GaN材料，厚度為150nm ；隨后在ρ型層14上沉積200 納米厚的S^2介質(zhì)膜；然后在SiA介質(zhì)膜上蒸鍍一層金屬Ni，并通快速退火的方法使金屬 Ni聚集成直徑在10-200納米左右的金屬島。利用金屬島作為掩模材料，刻蝕ρ型層14，刻 蝕深度為lOOnm，從而制作出納米柱陣列21 ；隨后，再次通過MOCVD方法在帶有納米柱陣列 21的外延片表面生長ρ型粗化層31，所述ρ型粗化層31為200納米厚的ρ型GaN層，最終 獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的LED外延片；在上述實(shí)施例一至五中，襯底11還可為Si襯底，SiC襯底或GaN襯底；用來作為 刻蝕掩膜的介質(zhì)材料還可為SiNx ；在上述實(shí)施例一至五中，外延生長方法還可為分子束外延(MBE)；加工制作的納 米柱陣列21，其中納米柱的底面和側(cè)面垂直、或成0. 1-90度的任意角度，頂面的形狀為 圓型、多邊形；加工制作的帶有納米柱陣列21的外延片可放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積 (MOCVD)反應(yīng)室內(nèi)，在通NH3保護(hù)的條件下升溫到100-1200度之間，對納米柱陣列進(jìn)行退火 以去除納米加工過程對納米柱陣列21表面引入的損傷；通過退火對納米柱陣列21的側(cè)面、 頂面進(jìn)行幾何整形，使構(gòu)成納米柱陣列21表面的晶面更有利于隨后的材料外延生長?？蛇x 擇再用MOCVD方法在退火后的納米柱陣列21上二次外延生長一層ρ型GaN材料，利用同質(zhì) 外延來進(jìn)一步降低納米加工對P型GaN材料的損傷，提高納米柱21陣列的晶體質(zhì)量。本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，最大程 度降低芯片表面對光的反射，同時(shí)不影響P型層14的電學(xué)性質(zhì)，從而提高器件的工作效率。 具體涉及這樣一種利用納米加工技術(shù)在對于現(xiàn)有平板狀芯片表面制作進(jìn)行加工，制作出如 圖2所示的納米柱21陣列。再次在帶有納米柱21陣列的外延片表面生長ρ型層31，最終 獲得具有尖錐狀結(jié)構(gòu)粗化表面的GaN光電器件外延片；利用這種方法可以有效降低表面對 入射光反射的幾率，提高GaN基光電子器件如LED等發(fā)光器件的光提取效率或增加入射光 在太陽能電池表面的透入效率。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，包括步驟1 取一襯底；步驟2 在該襯底上依次外延生長η型層、i型層及ρ型層；步驟3 利用納米加工技術(shù)，在ρ型層上加工形成納米柱陣列；步驟4 在該納米柱陣列上外延生長ρ型表面粗化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述襯底是藍(lán)寶石 襯底、Si襯底、SiC襯底或GaN襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述η型層為η型 InPa^N 材料，厚度為 0-3000nm，0 彡 χ < 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述i型層為本 征LyGi^yN材料或采用Ir^feihN/Ir^GahN多量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)，其中0彡y彡1，0 <m彡1，0彡η彡l，m> n，該層的厚度為0_500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述ρ型層為ρ型 MzGa1=N材料，厚度為20-300nm，0彡ζ彡1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述納米加工技術(shù) 是指首先制備納米尺度的掩膜，然后采用干法或濕法刻蝕在外延片表面制備納米柱陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述納米柱陣 列的頂面和底面的形狀是圓形、規(guī)則多邊形或者不規(guī)則的多邊形，納米柱陣列的頂面和底 面的形狀為相同，或?yàn)椴煌?；納米柱陣列中納米柱截面的平均尺寸為0.001-100微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述ρ型粗化層的 材料為P型InxGa1^xN, 0彡X彡1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，所述ρ型粗化 層的表面呈尖錐狀。
全文摘要
本發(fā)明一種GaN基光電子器件表面粗化的制作方法，包括步驟1取一襯底；步驟2在該襯底上依次外延生長n型層、i型層及p型層；步驟3利用納米加工技術(shù)，在p型層上加工形成納米柱陣列；步驟4在該納米柱陣列上外延生長p型表面粗化層。
文檔編號H01L31/0236GK102064258SQ20091023778
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者張書明, 朱建軍, 楊輝, 王輝 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所