[发明专利]GaN基发光二极管表面粗化的处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件制造技术领域，具体地说是一种GaN基发光二极管LED表面粗化的处理方法，可用于提高器件的发光效率。

背景技术

GaN基发光二极管LED以其寿命长、可靠性高、高效节能等优异特性在显示技术和固态照明领域具有广泛的应用。目前，GaN蓝光LED发光效率为几个流明/瓦，GaN白光LED，即蓝光+荧光粉的发光效率通常为几十流明/瓦，与白炽灯相当，但仍低于荧光灯水平。因此，如何提高发光效率成为GaN基LED面临的一个主要技术瓶颈。

提高LED发光效率的方法有二：一是提高器件的内量子效率，这可以通过提高材料质量和改善器件结构来实现；二是提高器件的外量子效率，即提高LED的光取出率。目前，典型的GaN蓝光LED的内量子效率可达70％以上，GaN紫外LED的内量子效率可达80％，因此进一步大幅度提高内量子效率的可能性不大。而相对于内量子效率，普通GaN基LED的外量子效率仅为百分之几，这是由于GaN与空气的折射系数相差很大，GaN与空气界面的全反射临界角为23，在有源区产生的光仅有很小一部分可以射出到空气中。因此，粗化的GaN基LED表面可以减小内部的光反射，增加光取出率，从而显著的提高器件的发光效率。

目前用于GaN基LED表面粗化的处理方法归纳起来有两种类型。一类是直接生长表面粗糙的p型GaN帽层。该方法基于的原理是在诸如低温等生长条件下，成核岛的横向生长减速，易于沿纵向生长，而为了减少光吸收p型GaN层很薄，因此，生长停止后许多成核岛尚未完全合并，形成了大量表面凹坑，增大了表面的散射出光。然而，伴随着表面质量的劣化，样品的结晶质量显著降低，尤其是未合并区域p型GaN的缺失，会影响器件材料的光电特性并降低LED的可靠性。另外，通过调整生长参数来控制样品表面的粗糙程度，在工艺上也很不稳定。

第二类表面粗化的方法是对GaN基LED表面进行后处理。现有的方法主要有：光辅助电化学腐蚀PEC、KOH溶液湿法腐蚀、强酸溶液湿法腐蚀、干法刻蚀、压印光刻和制作金属掩模选区腐蚀。其中，PEC法腐蚀掉的区域是晶格完整的区域，而未被腐蚀掉的p型GaN是位错所在的区域，这将会影响LED的其它光电特性。由于Ga极性面GaN的高化学稳定性，大量实验表明KOH溶液不能将其腐蚀，因而该方法表面粗化的效果并不十分明显，尤其是对于结晶质量较高的p型GaN层。强酸溶液可以将Ga极性面GaN在其位错表面露头处选择性腐蚀，但对于位错密度低的样品粗化效果会降低。干法刻蚀方法形成的表面起伏不规则，随机性很大，压印光刻和金属掩模选区腐蚀方法，虽然可以得到形状规则分布规律的表面凹坑，但工艺复杂，在生产应用中将增加加工复杂度，增加生产成本。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有技术存在的问题，提供一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，以提高器件的光取出率，同时不影响器件的其它光电特性。

本发明的技术方案是：为实现上述目的，本发明给出一种GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，该方法的实现步骤如下：

(1)在600℃～750℃的低温条件下生长GaN基LED外延片中的p型GaN帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从而使该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性；

(2)在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀LED外延片，p型GaN层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密集的形状规则的腐蚀坑。

上述技术方案中所说的GaN基LED外延片，是采用常规的GaN基LED结构，用MOCVD技术制备，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、n型AlGaN层、量子阱、p型AlGaN层和p型GaN层，其中，p型GaN层的厚度为50nm～200nm。

上述技术方案中所说的腐蚀温度和时间，应根据腐蚀后样品表面形貌进行调整。对于不熟悉其特性的新工艺条件下生长的外延片，应先进行抽样，初次腐蚀可选取的温度范围为220℃～250℃，时间范围为2min～4min。若腐蚀坑深度超过p型GaN层厚度的1/2，应降低腐蚀温度或减小腐蚀时间，否则可能影响器件的光电特性；在满足腐蚀坑深度要求的前提下，若相邻腐蚀坑的平均间距大于0.2μm，应维持腐蚀温度不变，增大腐蚀时间，继续进行腐蚀，直至满足要求。

本发明与现有技术相比具有的优点：