[发明专利]一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种具有较高电光转换效率的半导体发光器件。目前以氮化镓(GaN)材料为代表的III-V族化合物是蓝绿光LED的重要材料体系。因其具有寿命长、体积小、耐冲击、不易损坏、安全环保、使用电压低、晶粒可回收、无荧光灯水银污染等优点，以及在交通信号灯、笔记本背光源、大型LED显示器、背景灯、路灯、日光灯、汽车指示灯等众多领域中的广泛应用促进了LED研发和商用器件的快速发展。目前较低的量子效率是限制LED行业发展的重要因素之一，其主要原因有两点，其一是外延层、衬底材料以及空气之间折射率相差较大，导致发光区产生的光在不同折射率材料截面发生全反射而不能导出芯片；其二是蓝宝石与GaN晶格失配较大，导致外延晶体缺陷密度较大，内量子效率低。

目前已经提出了几种可以提高芯片量子效率的方法，主要包括：改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的光程，降低光的吸收损耗，如倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，一般采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗化的方法，使光在粗糙的半导体和空气截面发生漫反射，增加其射出的机会等。

为了提高器件的内量子效率，现在比较多采用图形化衬底的方法实现。在衬底上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构的特定规则的图案，使GaN材料由纵向外延变为横向外延，从而有效减少GaN外延材料的缺陷密度，减小有源区的非辐射性复合。另外，图形化衬底增强了光在GaN和衬底界面的散射，从而增加了光从芯片内部出射的概率。专利ZL200410038260.4中介绍了一种湿法刻蚀实现衬底图形化的方法；专利申请201010263069.5中介绍了采用等离子体刻蚀方法实现衬底图形化。然而无论是湿法刻蚀还是干法刻蚀，基本都会涉及到沉积、光刻、刻蚀、去胶等步骤，过程复杂，无形当中为制作效果引入了多个影响因素，如曝光后图形效果、保护膜质量等，以上因素都会影响制作出的准周期性图形的质量，且电感耦合等离子体刻蚀机成本较高。

采用激光扫描烧蚀的方法制备图形化衬底不仅可以简化制作过程，还可以降低生产成本。鉴于此，我们提供了一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法。采用飞秒激光器在衬底表面制作衬底图形，这种方法不同于普通的激光烧蚀。普通的激光烧蚀仅仅是在物质表面轰击出激光光斑大小的坑状表面，且周期均在1μm以上。本方法可以制备的图形周期可以小于1μm，增加表面图形数量，进一步减少缺陷密度，且提高外量子效率。

发明内容

本发明提供了一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法。采用飞秒激光直接在衬底上进行扫描烧蚀，在衬底表面形成纳米级准周期性结构，并在该衬底上生长外延层、制备芯片。这种结构可以提高发光二极管的内量子效率和外量子效率，从而提高芯片发光效率。

一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法包括以下步骤：

(1)清洗衬底；

(2)采用激光烧蚀的方式在衬底表面烧蚀出纳米级准周期性结构；

(3)采用金属有机化学气相沉积方法进行外延层生长，外延层包括N型层、多量子阱层和P型层；

(4)采用光刻和刻蚀方法在外延层一侧进行刻蚀直到N型层裸露，形成Mesa平台；

(5)在P型层上沉积透明导电层，其厚度在100-3000nm；

(6)在前一步骤得到的结构上制备电极，厚度在1500-2000nm；

(7)沉积SiO₂保护层，厚度在200-350nm；

(8)将晶圆减薄到100-200μm厚，切割成分立芯片；

其中步骤(2)所述激光烧灼为采用飞秒激光器进行的激光扫描烧蚀，激光脉宽为30-150fs，激光能量密度控制在0.05-0.9mJ/cm²，重复频率为1-20000Hz，扫描速度为0.1-1mm/s。

所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅。

所述纳米级准周期结构为蒙古包形、类圆锥形或类圆柱形。

步骤(2)所述烧灼过程中衬底置于水中或者气体环境中，所述气体包括空气、六氟化硫、氢气、氧气或氮气。

透明导电层材料为氧化铟锡、氧化锌或金。

电极材料为铝、铝/金、镍/金、钛/金、铬/金、铬/铂/金、镍/银/镍/金。