一种提高GaN LED发光效率的方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高GaN LED发光效率的方法及其应用，属于半导体发光二极管的技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来,发光二极管(Light emitting d1de,简称LED)作为一种新型光源在社会生活各个领域得到广泛的应用，例如户外显示、仪表指示、一般照明等。
[0003]随着GaN材料生长技术的发展，GaN LED芯片内部发光量子效率接近理论极限，在这种情况下，提高LED发光效率的主要方法是提高其光提取效率，使LED内部产生的光出射到LED外部。对于同面电极的正装LED芯片，一般采用ITO作为其透明电极，虽然ITO透明电极的透过率超过90%，仍然会对LED产生的光具有较强的吸收，降低LED的光提取效率。目前，在实际工业化量产中，降低ITO吸收的一个主要方法是:在ITO透明电极上做一些尺度在1-10微米的图形化孔洞的镂空结构，在镂空区域ITO被腐蚀掉，舍弃部分发光面积，以提高芯片出光能力。这样带来的一个不良结果是，由于发光面积减小，芯片工作电压会略微升高，但是芯片亮度提升更大，所以LED整体发光效率会提升。
[0004]对于上述ITO图形化孔洞技术，虽然镂空区域的ITO被腐蚀掉，减少了吸光，但是由于该区域缺少透明电极，电流无法横向扩展，导致区域的p-GaN、InGaN多量子阱、n-GaN并不参与LED内部发光，对LED发光没有正面作用。另外，由于p-GaN、InGaN多量子阱、n-GaN材料本身对光具有一定的吸收，对LED出光不利。单一的ITO图形化孔洞技术具有进一步改善的空间。
[0005]另外，一种提高LED发光效率的方法是在LED芯片表面做粗化结构，如对ITO或者P-GaN进行粗化。由于ITO和p-GaN的厚度很薄，为了做出有效的粗化图形，粗化的方法一般为采用一些亚微米尺寸的掩膜进行湿法腐蚀或者干法刻蚀。亚微米尺寸掩膜包括聚苯乙烯球、纳米金属颗粒等。这些亚微米尺寸的掩膜，一般是依靠其自然分布来实现图形化。依靠自然分布的微掩膜的图形重复性差，不适合大规模工业化生产。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种提高GaN LED发光效率的方法，在ITO图形化孔洞之后，保留光刻胶掩膜，采用ICP方法将镂空区域的P-GaN、InGaN多量子阱以及部分n-GaN刻蚀掉，减少该不发光区域对光的吸收；同时通过控制掩膜的形状以及ICP条件，在镂空区域刻蚀出圆柱形、圆台形或碗形的凹坑，达到表面粗化、提高LED出光的目的。
[0007]本发明还提供一种利用上述方法制备的GaN LED芯片。
[0008]术语解释:
[0009]1、ITO:氧化铟锡(Indium-Tin Oxide),是一种透明导电材料；本领域通用ITO表
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[0010]2、ICP刻蚀:感应鍋合等离子(Inductive Coupled Plasma)刻蚀，一种刻蚀方法。
[0011]3、RIE:Reactive 1n Etching,反应离子刻蚀；
[0012]4、MOCVD:Metal_organic Chemical Vapor DePosit1n,金属有机化学气相沉积。
[0013]本发明技术方案如下:
[0014]一种提高GaN LED发光效率的方法，包括步骤如下:
[0015](I)在衬底上自下而上依次生长n-GaN层、InGaN多量子阱层和p-GaN层，形成GaN外延片；
[0016](2)在GaN外延片上蒸镀或者溅射一层ITO薄膜，厚度为20_200nm ；
[0017](3)按照现有技术，采用掩膜工艺在步骤(2)处理完毕的GaN外延片上光刻腐蚀出ITO孔洞图形以及台面图形；
[0018](4)保留步骤(3)掩膜工艺中的光刻掩膜，采用ICP或RIE方法刻蚀无光刻掩膜的区域，自上而下依次刻蚀P-GaN层、InGaN多量子阱层以及部分n_GaN层，刻蚀至n_GaN层，刻蚀深度0.5-3 μ m ;去除掉光刻掩膜后得到图形化凹坑；
[0019](5)在GaN外延片上制备p电极和η电极；按照现有技术，在GaN外延片上采用光刻胶光刻P电极区域、η电极区域，再采用电子束蒸发法分别在P电极区域和η电极区域依次蒸镀金属Cr、Au，剥离光刻胶后形成P电极和η电极；
[0020](6)将衬底减薄，划裂成单独芯片。
[0021]根据本发明优选的，所述步骤(I)中采用MOCVD方法在衬底上自下而上依次生长n-GaN层、InGaN多量子讲层和ρ-GaN层，形成GaN外延片。
[0022]根据本发明优选的，所述步骤(2)中并对ITO薄膜进行退火，退火温度500-650°C，退火时间1-10分钟。采用退火工艺使ITO薄膜与P-GaN形成良好接触。
[0023]根据本发明优选的，所述步骤(3)中所述掩膜工艺是按照现有技术，采用光刻胶和ITO腐蚀液在步骤(2)处理完毕的GaN外延片上光刻腐蚀出ITO孔洞图形以及台面图形。
[0024]根据本发明优选的，所述步骤(I)中衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
[0025]根据本发明优选的，所述步骤(3)中ITO孔洞图形的直径为1-10μπι。
[0026]根据本发明优选的，所述步骤⑷中图形化凹坑为圆柱形、圆台形或碗形；凹坑的形状取决于光刻胶掩膜的侧壁形状以及ICP条件，所述光刻胶掩膜侧壁为陡直或者倾斜，所述ICP气体采用氯气、三氯化硼、氩气三种气体之一或者组合:当光刻胶掩膜侧壁为陡直形时，且ICP气体为氩气时，刻蚀出的图形化凹坑为圆柱形；当光刻胶掩膜侧壁倾斜，且ICP气体为氯气、三氯化硼、氩气混合气体时，刻蚀出的图形化凹坑为圆台形；当光刻胶掩膜侧壁倾斜，且ICP气体中氯气比例超过80%，刻蚀出的图形化凹坑为碗形。
[0027]根据本发明优选的，所述步骤⑷圆柱形凹坑的直径为1-10μπι ;所述圆台形凹坑上圆台的直径是1-10 μ m,下圆台直径是0.5-9 μ m ;碗形凹坑碗口的直径为1_10 μ m。
[0028]根据本发明优选的，所述步骤⑷中图形化凹坑深度为0.5-3 μ m。
[0029]利用上述方法制备的GaN LED芯片，其特征在于，包括由下而上依次设置的n_GaN层、InGaN多量子阱层、p-GaN层和ITO薄膜，在所述的芯片表面有ITO孔洞图形以及台面图形，在所述ITO孔洞图形的底部刻蚀有图形化凹坑，其刻蚀深度至n-GaN层的0.5-3 μ m。
[0030]根据本发明优选的，所述ITO薄膜的厚度为20_200nm。
[0031]根据本发明优选的，所述图形化凹坑的总面积占芯片表面积的15-50%。
[0032]根据本发明优选的，所述图形化凹坑为圆柱形、圆台形或碗形；所述圆柱形凹坑的直径为1-10 μ m ;所述圆台形凹坑上圆台的直径是Ι-?ο μ m,下圆台直径是0.5-9 μ m ;所述碗形凹坑碗口的直径为1-10 μ m。
[0033]本发明的有益效果:
[0034]1、本发明所述方法，ITO镂空区域的p-GaN、InGaN多量子阱以及部分n_GaN被刻蚀掉，大大减少上述不发光区域对光的吸收。
[0035]2、本发明所述方法，通过控制掩膜的侧壁形状以及ICP条件，在ITO镂空区域刻蚀出碗形、圆台形、或者圆柱形的图形化凹坑，达到表面粗化、提高LED出光效率的目的。
[0036]3、本发明所述方法，仅需一次ICP刻蚀即可得到台面图形和图形化的凹坑，不增加LED芯片的制作成本。
【附图说明】
[0037]图1-图6为本发明实施例中LED芯片制作过程的截面示意图。
[0038]图7是本发明实施例中LED芯片的正面示意图。
[0039]在图1-图 7 中，100:衬底；111:n_GaN层；112:1