一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法，所述氮化鎵基發(fā)光二極管包括X型氮化鎵層和設(shè)置于X型氮化鎵層上的X型電極；所述X型電極下部的X型氮化鎵層上形成有電流阻隔區(qū)域；電流阻隔區(qū)域的面積小于X型電極的面積；所述X型氮化鎵層為N型氮化鎵層或P型氮化鎵層，所述X型電極對(duì)應(yīng)X型氮化鎵層為N型電極或P型電極。本發(fā)明利用光刻和等離子干法刻蝕技術(shù)，使被處理表面形成高阻區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)電流分向?qū)б哪康模筁ED電極區(qū)域的無(wú)效發(fā)光被大大降低。
【專利說(shuō)明】一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于氮化鎵基發(fā)光二極管制造工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,簡(jiǎn)稱LED)的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)十年歷史，已經(jīng)在信號(hào)顯示、背光源和固態(tài)照明領(lǐng)域獲得了極其廣泛的應(yīng)用，給人類的生活帶來(lái)了各種便利。以II1-V族化合物氮化鎵(GaN)材料為基礎(chǔ)的LED器件(包括其同族In、Al元素?fù)诫s獲得的各種合金材料體系)可以覆蓋從深紫外到可見(jiàn)光的大部分波段。LED器件制造大多是通過(guò)外延方式生長(zhǎng)形成P-型和N-型層薄膜材料，并在P-型和N-型層間生長(zhǎng)不同能帶結(jié)構(gòu)的周期性多層材料組成載流子復(fù)合區(qū)即發(fā)光區(qū)。其外延生長(zhǎng)襯底多采用藍(lán)寶石(Al2O3)或碳化硅(SiC)等材料，然后再利用半導(dǎo)體加工工藝完成芯片工作區(qū)域定義、電極的制作和表面織構(gòu)化等步驟形成發(fā)光器件，最終經(jīng)封裝后加上正向電壓使其而發(fā)光。在器件設(shè)計(jì)工作中，根據(jù)能帶設(shè)計(jì)理論和實(shí)際工藝調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)不同范圍波長(zhǎng)的光輸出，并獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
[0003]水平結(jié)構(gòu)LED器件是將N型和P型電極置于LED薄膜的同一側(cè)，而在此薄膜的底層是絕緣的藍(lán)寶石材料襯底。P-型和N-型電極制作是采用光刻、局部干法刻蝕、物理氣相沉積等工藝加工獲得，分布在芯片同一表面的不同位置，其注入工作電流由水平方向流過(guò)LED的發(fā)光區(qū)。這種器件由于不均勻的電子橫向注入和側(cè)面擴(kuò)散導(dǎo)致從P-型電極區(qū)到N-型電極區(qū)的不均勻電流注入，限制了單顆LED最大芯片尺寸以及整體器件的發(fā)光效率。同時(shí)由于氮化鎵材料和空氣或封裝材料的折射率差異較大，其全反射角較大導(dǎo)致出光效率低。另一種器件是采用芯片倒置的方式，將芯片通過(guò)厚的金屬焊層與導(dǎo)電材料如硅襯底壓合在一起，同時(shí)在芯片制備時(shí)使用高反射鏡結(jié)構(gòu)，使芯片從藍(lán)寶石面出光，可以獲得更高的發(fā)光效率，但P和N極仍處于同一層。第三種方法是徹底改變LED器件的結(jié)構(gòu)，采用紫外激光剝離等襯底去除和轉(zhuǎn)移的方式，利用紫外激光在藍(lán)寶石材料與GaN材料的界面的強(qiáng)烈光吸收產(chǎn)生GaN局部熱分解，實(shí)現(xiàn)LED薄膜和藍(lán)寶石襯底的分離。使N-型和P-型電極從水平結(jié)構(gòu)變成垂直結(jié)構(gòu)，即注入電流主要以垂直于薄膜表面的方式均勻流過(guò)LED器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED器件，不僅大幅度提高工作電流，且由于散熱效果同時(shí)獲得改善，其器件的可靠性也大幅度提升。
[0004]但在以上各種結(jié)構(gòu)LED芯片結(jié)構(gòu)中，由于電極焊盤(pán)下方是電流注入最集中的區(qū)域，該區(qū)域發(fā)光效果最為明顯，然而由于電極的遮擋使其形成無(wú)效發(fā)光(被電極反射后在器件內(nèi)部再經(jīng)多次反射被材料吸收形成熱效應(yīng))，因此在LED芯片工藝中已經(jīng)普遍采用絕緣材料制備電流阻隔層(CBL - current blocking layer),使注入電流減少或避開(kāi)此區(qū)域,減少了無(wú)效發(fā)光。這種工藝需要在電極之下的氮化鎵表面上，利用化學(xué)氣相沉積、光刻、濕法蝕刻制備具有一定厚度的電介質(zhì)材料層，如氮化硅或氧化硅；由于該位置的多界面特性其表面狀況較為復(fù)雜，若工藝處理不當(dāng)，很容易帶來(lái)后續(xù)大面積掉電極等一系列量產(chǎn)異常狀況，并造成無(wú)法挽回的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法，以改善和提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種氮化鎵基發(fā)光二極管，包括X型氮化鎵層和設(shè)置于X型氮化鎵層上的X型電極；所述X型電極下部的X型氮化鎵層上形成有電流阻隔區(qū)域；電流阻隔區(qū)域的面積小于X型電極的面積；所述X型氮化鎵層為N型氮化鎵層或P型氮化鎵層，所述X型電極對(duì)應(yīng)X型氮化鎵層為N型電極或P型電極。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:所述電流阻隔區(qū)域?yàn)樵赬型氮化鎵層上采用等離子體進(jìn)行干法刻蝕，使該區(qū)域P型氮化鎵材料的導(dǎo)電能力下降而形成。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:X型電極的下部設(shè)有反光鏡層。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:所述氮化鎵基發(fā)光二極管工作時(shí)，電流阻隔區(qū)域具有電流阻擋作用對(duì)電流分向?qū)Ч?，電流從X型氮化鎵層的電流阻隔區(qū)域以外的其他低阻區(qū)域流過(guò)，減少了 X型電極因遮擋效應(yīng)造成的發(fā)光損失，間接提高電流阻隔區(qū)域以外其他區(qū)域的發(fā)光。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:采用等離子體進(jìn)行干法刻蝕制備電流阻隔區(qū)域時(shí)，采用O2等離子體、F基等離子體或兩者混合等離子。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:所述氮化鎵基發(fā)光二極管為水平結(jié)構(gòu)，所述X型氮化鎵層為P型氮化鎵層，所述X型電極為P型電極；p型氮化鎵層下方依次設(shè)有多量子阱層、N型氮化鎵層和襯底；P型氮化鎵層上設(shè)有TCL透明導(dǎo)電層TCL透明導(dǎo)電層部分被刻蝕掉露出P型氮化鎵層上的電流阻隔區(qū)域；P型電極設(shè)置于TCL透明導(dǎo)電層被刻蝕掉部分的上部；N型氮化鎵層(11)上形成有N電極區(qū)域，N電極區(qū)域上設(shè)有N型電極。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:所述氮化鎵基發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)，所述X型氮化鎵層為N型氮化鎵層，所述X型電極為N型電極；N型氮化鎵層下方依次設(shè)有多量子阱層、P型氮化鎵層、金屬鍵合層、導(dǎo)電襯底和焊接層。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:電流阻隔區(qū)域的比接觸電阻率>10_5Ω.cm2。
[0015]一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，在所述X型氮化鎵層上利用O基等離子體、F基等離子體或二者混合的離子體對(duì)該X型氮化鎵層上部分區(qū)域進(jìn)行等離子干法刻蝕，使該區(qū)域X型氮化鎵材料的導(dǎo)電能力下降，獲得電流阻隔區(qū)域；然后再在電流阻隔區(qū)域的上方制備出X型電極。
[0016]本發(fā)明利用光刻和等離子干法刻蝕技術(shù)，對(duì)LED芯片P型電極下區(qū)域進(jìn)行表面處理，使其成為高阻區(qū)域以獲得電流阻擋效果，使電流從P型氮化鎵層其他低阻區(qū)域流過(guò)，減少了該電極區(qū)域因遮擋效應(yīng)造成的發(fā)光損失，間接提高其他區(qū)域的發(fā)光，并使用鋁鏡或銀鏡作為P電極金屬結(jié)構(gòu)的組成部分，從而實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光的目的。
[0017]本發(fā)明中，外延生長(zhǎng)工藝包括但不限于金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延，分子束外延、原子層外延、脈沖激光濺射；外延生長(zhǎng)襯底的選取包括但不限于藍(lán)寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅、氧化鋅，其晶向包括但不限于0001等極化、半極化和非極化方向；所選襯底包含各種特征尺寸的圖形化表面結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明中，LED芯片(氮化鎵基發(fā)光二極管)包括但不限于水平結(jié)構(gòu)LED芯片、倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片、垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，或其他特有結(jié)構(gòu)的LED芯片。
[0019]本發(fā)明中，等離子干法刻蝕工藝，包括但不限于O2等離子體、F基等離子體、或兩者混合等離子。
[0020]本發(fā)明中，芯片制備工藝流程，包括但不限于光刻、濕法和干法刻蝕、電子束或?yàn)R射、化學(xué)氣相沉積、退火方法。
[0021]本發(fā)明中，P型氮化鎵層上設(shè)有P型電極下的反光鏡層，為單一或多層金屬或化合物結(jié)構(gòu)，包括但不限于銀、鋁、金、DBR或ODR層。
[0022]本發(fā)明中，P型氮化鎵層上設(shè)有P型電極金屬層、N型氮化鎵層上設(shè)置有N型電極金屬層，分別與Ρ/N型層半導(dǎo)體材料形成良好歐姆接觸，為單一或多層金屬結(jié)構(gòu)，包括但不限于鎳、鈦，鋁，金，鉬及其合金。
[0023]本發(fā)明利用光刻和等離子干法刻蝕技術(shù)，使被處理表面形成高阻區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)電流分向?qū)б哪康?，使LED電極區(qū)域的無(wú)效發(fā)光被大大降低。其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0024](I)工藝制作簡(jiǎn)單減少了原有工藝步驟，省去了介質(zhì)膜沉積和化學(xué)濕法蝕刻工藝，在減少工藝步驟的同也降低了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本；(2)采用線寬精細(xì)度達(dá)到數(shù)十納米級(jí)別的干法刻工藝，替代線寬精細(xì)度為微米級(jí)別的濕法蝕刻工藝，使工藝控制能力大大提升；(3)本發(fā)明在氮化鎵和電極層之間不再引入其他材料和界面，降低了界面復(fù)雜程度，可以避免因界面狀況復(fù)雜和化學(xué)濕法蝕刻處理不當(dāng)造成的后續(xù)掉電極狀況，提高工藝良品率；(4)本發(fā)明不但可用于水平結(jié)構(gòu)LED芯片，同時(shí)也適用于制作其他各種結(jié)構(gòu)的LED芯片。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為水平結(jié)構(gòu)LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，利用光刻和等離子干法刻蝕技術(shù)，對(duì)LED芯片P型電極下區(qū)域進(jìn)行表面處理，使其成為高阻區(qū)域以獲得電流阻擋效果，使電流從P型氮化鎵層其他低阻區(qū)域流過(guò)，減少了該電極區(qū)域因遮擋效應(yīng)造成的發(fā)光損失，間接提高其他區(qū)域的發(fā)光，并使用鋁鏡或銀鏡作為P電極金屬結(jié)構(gòu)的組成部分，從而實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光的目的，該制備方法至少包括以下步驟:
[0029]I)利用 MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)方法生長(zhǎng)獲得LED外延結(jié)構(gòu)，LED外延結(jié)構(gòu)包括襯底10和依次沉淀在和P型氮化鎵層13 ;通過(guò)光刻方式在晶圓表面形成N電極區(qū)域，再利用干法刻蝕工藝對(duì)該區(qū)域外延層進(jìn)行刻蝕暴露出N型氮化鎵，形成同側(cè)PN結(jié)，完成的芯片圖形和尺寸定義；
[0030]2)在LED外延片P型氮化鎵層13之上，利用PVD物理沉積技術(shù)如電子束蒸發(fā)或?yàn)R射法，制備TCL透明導(dǎo)電層15，TCL透明導(dǎo)電層15的材質(zhì)如鎳金或ITO氧化銦錫導(dǎo)電材料；再按照LED芯片設(shè)計(jì)，利用光刻和濕法蝕刻工藝完成所需TCL透明導(dǎo)電層的制備；
[0031]3)制備P電極區(qū)域下的電流阻隔層17，該方法與常規(guī)在電極下利用電介質(zhì)材料(如氧化硅或氮化硅)形成一層不導(dǎo)電的絕緣層不同，其是利用光刻技術(shù)將P型電極162下部的部分TCL透明導(dǎo)電層15刻蝕掉，以使P型氮化鎵層13的一部分暴露出來(lái)，其他區(qū)域則用光刻膠進(jìn)行保護(hù)。然后采取等離子干法刻蝕技術(shù)，利用O、F基等離子體對(duì)該區(qū)域進(jìn)行干法刻蝕，使該區(qū)域P型氮化鎵材料的導(dǎo)電能力急劇下降，以獲得高阻區(qū)域的電流阻隔層17，電流阻隔層的比接觸電阻率>10_5Ω.cm2 ；
[0032]4)通過(guò)制作P型電極(高反射鏡、歐姆電極)162、N型電極161、鈍化保護(hù)層14最終完成LED芯片的前道制作工藝。P型電極162設(shè)置在TCL透明導(dǎo)電層15被刻蝕掉部分的上部。
[0033]本發(fā)明中，外延生長(zhǎng)工藝包括但不限于金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延，分子束外延、原子層外延、脈沖激光濺射；所述外延生長(zhǎng)襯底的選取包括但不限于藍(lán)寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅、氧化鋅，其晶向包括但不限于0001等極化、半極化和非極化方向；所選襯底包含各種特征尺寸的圖形化表面結(jié)構(gòu)。
[0034]本發(fā)明中，LED芯片包括但不限于水平結(jié)構(gòu)LED芯片、倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片、垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，或其他特有結(jié)構(gòu)的LED芯片。圖2為垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，N型氮化鎵層11上設(shè)有N型電極161 ;N型氮化鎵層11下方依次設(shè)有多量子阱層12、P型氮化鎵層13、金屬鍵合層20、導(dǎo)電襯底21和焊接層22 ;N型電極161下方的N型氮化鎵層11上設(shè)有電流阻隔層17。
[0035]本發(fā)明中，等離子干法刻蝕工藝，包括但不限于O2等離子體、F基等離子體、或兩者混合等離子。
[0036]本發(fā)明中，芯片制備工藝流程，包括但不限于光刻、濕法和干法刻蝕、電子束或?yàn)R射、化學(xué)氣相沉積、退火方法。
[0037]本發(fā)明中，P型氮化鎵層上設(shè)有P型電極下的反光鏡層，為單一或多層金屬或化合物結(jié)構(gòu)，包括但不限于銀、鋁、金、DBR或ODR層。
[0038]本發(fā)明中，P型氮化鎵層上設(shè)有P型電極金屬層、N型氮化鎵層上設(shè)置有N型電極金屬層，分別與Ρ/N型層半導(dǎo)體材料形成良好歐姆接觸，為單一或多層金屬結(jié)構(gòu)，包括但不限于鎳、鈦，鋁，金，鉬及其合金。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，包括X型氮化鎵層和設(shè)置于X型氮化鎵層上的X型電極；所述X型電極下部的X型氮化鎵層上形成有電流阻隔區(qū)域；電流阻隔區(qū)域的面積小于X型電極的面積；所述X型氮化鎵層為N型氮化鎵層或P型氮化鎵層，所述X型電極對(duì)應(yīng)X型氮化鎵層為N型電極或P型電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述電流阻隔區(qū)域?yàn)樵赬型氮化鎵層上采用等離子體進(jìn)行干法刻蝕，使該區(qū)域P型氮化鎵材料的導(dǎo)電能力下降而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，X型電極的下部設(shè)有反光鏡層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述氮化鎵基發(fā)光二極管工作時(shí)，電流阻隔區(qū)域具有電流阻擋作用對(duì)電流分向?qū)Ч?，電流從X型氮化鎵層的電流阻隔區(qū)域以外的其他低阻區(qū)域流過(guò)，減少了 X型電極因遮擋效應(yīng)造成的發(fā)光損失，間接提高電流阻隔區(qū)域以外其他區(qū)域的發(fā)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，采用等離子體進(jìn)行干法刻蝕制備電流阻隔區(qū)域時(shí)，采用O2等離子體、F基等離子體或兩者混合等離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述氮化鎵基發(fā)光二極管為水平結(jié)構(gòu)，所述X型氮化鎵層為P型氮化鎵層，所述X型電極為P型電極；P型氮化鎵層下方依次設(shè)有多量子阱層(12)、N型氮化鎵層(11)和襯底(10) ;P型氮化鎵層上設(shè)有TCL透明導(dǎo)電層(15)，TCL透明導(dǎo)電層(15)部分被刻蝕掉露出P型氮化鎵層上的電流阻隔區(qū)域；P型電極設(shè)置于TCL透明導(dǎo)電層(15)被刻蝕掉部分的上部；N型氮化鎵層(11)上形成有N電極區(qū)域，N電極區(qū)域上設(shè)有N型電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述氮化鎵基發(fā)光二極管為垂直結(jié)構(gòu)，所述X型氮化鎵層為N型氮化鎵層，所述X型電極為N型電極；N型氮化鎵層下方依次設(shè)有多量子阱層(12)、P型氮化鎵層(13)、金屬鍵合層(20)、導(dǎo)電襯底(21)和焊接層(22)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，電流阻隔區(qū)域的比接觸電阻率>10_5Ω.cm2。
9.權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，在所述X型氮化鎵層上利用O基等離子體、F基等離子體或二者混合的離子體對(duì)該X型氮化鎵層上部分區(qū)域進(jìn)行等離子干法刻蝕，使該區(qū)域X型氮化鎵材料的導(dǎo)電能力下降，獲得電流阻隔區(qū)域，其中比接觸電阻率>10_5Ω.cm2 ;然后再在電流阻隔區(qū)域的上方制備出X型電極。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK103715339SQ201310665463
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】云峰, 郭茂峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)