[發(fā)明專利]一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201110290769.8
• 申請日: 2011-09-27
• 公開（公告）號: CN103022277A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖志國;孫英博;武勝利;唐勇;李倩影;薛念亮;劉偉;閆曉紅
• 申請（專利權(quán)）人: 大連美明外延片科技有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。

背景技術(shù)

發(fā)光二極管(LED)是一種具有較高電光轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。目前以氮化鎵(GaN)材料為代表的III-V族化合物是藍(lán)綠光LED的重要材料體系。因其具有壽命長、體積小、耐沖擊、不易損壞、安全環(huán)保、使用電壓低、晶粒可回收、無熒光燈水銀污染等優(yōu)點，以及在交通信號燈、筆記本背光源、大型LED顯示器、背景燈、路燈、日光燈、汽車指示燈等眾多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用促進了LED研發(fā)和商用器件的快速發(fā)展。目前較低的量子效率是限制LED行業(yè)發(fā)展的重要因素之一，其主要原因有兩點，其一是外延層、襯底材料以及空氣之間折射率相差較大，導(dǎo)致發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光在不同折射率材料截面發(fā)生全反射而不能導(dǎo)出芯片；其二是藍(lán)寶石與GaN晶格失配較大，導(dǎo)致外延晶體缺陷密度較大，內(nèi)量子效率低。

目前已經(jīng)提出了幾種可以提高芯片量子效率的方法，主要包括：改變芯片的幾何外形，減少光在芯片內(nèi)部的光程，降低光的吸收損耗，如倒金字塔結(jié)構(gòu)；控制和改變自發(fā)輻射，一般采用諧振腔或光子晶體等結(jié)構(gòu)；采用表面粗化的方法，使光在粗糙的半導(dǎo)體和空氣截面發(fā)生漫反射，增加其射出的機會等。

為了提高器件的內(nèi)量子效率，現(xiàn)在比較多采用圖形化襯底的方法實現(xiàn)。在襯底上設(shè)計制作出微米級或納米級的具有微結(jié)構(gòu)的特定規(guī)則的圖案，使GaN材料由縱向外延變?yōu)闄M向外延，從而有效減少GaN外延材料的缺陷密度，減小有源區(qū)的非輻射性復(fù)合。另外，圖形化襯底增強了光在GaN和襯底界面的散射，從而增加了光從芯片內(nèi)部出射的概率。專利ZL200410038260.4中介紹了一種濕法刻蝕實現(xiàn)襯底圖形化的方法；專利申請201010263069.5中介紹了采用等離子體刻蝕方法實現(xiàn)襯底圖形化。然而無論是濕法刻蝕還是干法刻蝕，基本都會涉及到沉積、光刻、刻蝕、去膠等步驟，過程復(fù)雜，無形當(dāng)中為制作效果引入了多個影響因素，如曝光后圖形效果、保護膜質(zhì)量等，以上因素都會影響制作出的準(zhǔn)周期性圖形的質(zhì)量，且電感耦合等離子體刻蝕機成本較高。

采用激光掃描燒蝕的方法制備圖形化襯底不僅可以簡化制作過程，還可以降低生產(chǎn)成本。鑒于此，我們提供了一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。采用飛秒激光器在襯底表面制作襯底圖形，這種方法不同于普通的激光燒蝕。普通的激光燒蝕僅僅是在物質(zhì)表面轟擊出激光光斑大小的坑狀表面，且周期均在1μm以上。本方法可以制備的圖形周期可以小于1μm，增加表面圖形數(shù)量，進一步減少缺陷密度，且提高外量子效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法。采用飛秒激光直接在襯底上進行掃描燒蝕，在襯底表面形成納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)，并在該襯底上生長外延層、制備芯片。這種結(jié)構(gòu)可以提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和外量子效率，從而提高芯片發(fā)光效率。

一種采用圖形化襯底的發(fā)光二極管的制備方法包括以下步驟：

(1)清洗襯底；

(2)采用激光燒蝕的方式在襯底表面燒蝕出納米級準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)；

(3)采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法進行外延層生長，外延層包括N型層、多量子阱層和P型層；

(4)采用光刻和刻蝕方法在外延層一側(cè)進行刻蝕直到N型層裸露，形成Mesa平臺；

(5)在P型層上沉積透明導(dǎo)電層，其厚度在100-3000nm；

(6)在前一步驟得到的結(jié)構(gòu)上制備電極，厚度在1500-2000nm；

(7)沉積SiO₂保護層，厚度在200-350nm；

(8)將晶圓減薄到100-200μm厚，切割成分立芯片；

其中步驟(2)所述激光燒灼為采用飛秒激光器進行的激光掃描燒蝕，激光脈寬為30-150fs，激光能量密度控制在0.05-0.9mJ/cm²，重復(fù)頻率為1-20000Hz，掃描速度為0.1-1mm/s。

所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。

所述納米級準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)為蒙古包形、類圓錐形或類圓柱形。

步驟(2)所述燒灼過程中襯底置于水中或者氣體環(huán)境中，所述氣體包括空氣、六氟化硫、氫氣、氧氣或氮氣。

透明導(dǎo)電層材料為氧化銦錫、氧化鋅或金。

電極材料為鋁、鋁/金、鎳/金、鈦/金、鉻/金、鉻/鉑/金、鎳/銀/鎳/金。