CN102789976A - 一种GaN基LED芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低串联电阻和良好p型欧姆接触的GaN基LED制作方法，包括步骤：1）提供一GaN基LED外延片；2）清洁所述GaN基LED外延片，并将其干燥；3）在所述外延片p-GaN表面上沉积一镓空位诱导层；4）将前述GaN基LED外延片进行退火；5）去除所述GaN基LED外延片表面的镓空位诱导层；6）在经过以上处理的GaN基LED外延片上制作p型欧姆接触层以及P、N电极；7）将所述GaN基LED外延片分割成LED芯粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件制作方法，更具体地是一种具有低串联电阻和良好p型欧姆接触的GaN基LED芯片的制作方法。
背景技术
固态发光器件的发光二极管具有低能耗，高寿命，稳定性好，体积小，响应速度快以及发光波长稳定等良好光电特性，被广泛应用于照明、家电、显示屏及指示灯等领域。此类型发光器件在光效、使用寿命等方面均已有可观的进步，有希望成为新一代照明及发光器件主流。
虽然GaN基器件在近年来取得了相当大的进展，但是由于较难实现低阻的p型GaN欧姆接触，GaN基高温大功率器件的研制一直受到限制。
传统的LED采用Ni/Au作为p型GaN的接触材料，而几个纳米厚的Ni/Au接触是半透明的，其在可见光波段的透射率只有60％～75％。虽然可以通过减小接触层的厚度来提高透射率，但是太薄的接触层会带来热稳定性和可靠性的问题。ITO（indium tin oxide）由于在可见光波段的高透明度（约90％）和低阻（<5×10-4W·cm）而广泛地用作透明导体。ITO用作n型GaN的接触材料可以获得透明的低阻欧姆接触，但是ITO直接用作p型GaN的接触材料实际上是整流性的接触，其接触电阻并不如直接用Ni/Au低。对于采用p型接触材料做反射电极的GaN垂直或者倒装发光器件，接触材料的反射率对于发光器件的性能亦十份关键，传统的垂直或者倒装LED芯片只用Ni，Pt等功函数较大的金属作为高反射系数镜面结构的欧姆接触层，同时亦作为反射层Ag，Al与GaN的粘附层，由于要兼顾接触电阻和粘附性，Ni，Pt厚度不能太薄，如此则必须以降低镜面的反射率为代价。
发明内容
本发明旨在提出一种具有低串联电阻和良好p型欧姆接触的GaN基LED制作方法。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种GaN基LED芯片制作方法，包括步骤：1）提供一GaN基LED外延片；2）清洁所述GaN基LED外延片，并将其干燥；3）在所述外延片p-GaN表面上沉积一镓空位诱导层；4）将前述GaN 基LED外延片进行退火；5）去除所述GaN 基LED外延片表面的镓空位诱导层；6）在经过以上处理的GaN 基LED外延片上制作p型欧姆接触层以及P、N电极；7）将所述GaN 基LED外延片分割成LED芯粒。
所述步骤2）中包含HCl清洗，BOE清洗，王水清洗。
在步骤3）中，所述镓空位诱导层的材料选自Ni、Pt、Au、Ag、Pd中的一种或其组合。优选地，所述镓空位诱导层为Ni/Au金属薄膜，其厚度为10～20nm，其中Ni，Au厚度比大于1：10且小于1：1。在
步骤4）中，所述退火温度介于500～650°C之间，气氛为氮气、氧气或者空气。
在步骤5）中，Ni/Au金属薄膜的去除方法为：先将所述GaN基LED外延片置于KI或者王水中去除Au层，然后用稀硝酸去除Ni层。
在步骤6）中，所述p型欧姆接触层为透明导电的材料或者具有高反射性的p型镜面反射结构。
本发明的创新在于，镓空位诱导层退火降低了电极与p-GaN的接触势垒、芯片电压，同时退火之后将镓空位诱导层去除，如此并不影响GaN基LED的出光效率。本方法既适用于采用透明材料做p型接触电极的GaN水平发光器件，亦适用于采用高反射系数材料做p型接触电极的GaN垂直或者倒装发光器件。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施的一种GaN基LED芯片的制备方法的流程图。
图2～图5为根据本发明实施的一种GaN基LED芯片制备过程的结构剖面图。
图6为根据本发明的制备方法制得的水平结构LED芯片结构剖面图。
图7为为根据本发明的制备方法制得的垂直结构LED芯片结构剖面图。
图中各标号表示：
100：外延片；101：生长衬底；102：n-GaN层；103：发光层；104：p-GaN层；200：镓空位诱导层；300：透明导电层；401：n电极；402：p电极；500：镜面金属键合层；600：支撑衬底；700：背面金属电极。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的LED芯片的作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
下面各实施例公开了一种GaN基LED芯片的制作方法，其主要对p-GaN表面进行处理：先在p-GaN上形成一层镓空位诱导层，进行退火处理从而提高p-GaN的空穴载流子浓度，再去除该镓空位诱导层，一方面防止该层的吸光作用，另一方面直接在P-GaN上制作p型欧姆接触层，其接触效果更佳。如图1所示，该制备方法包括下面步骤：
步骤S01：提供一LED外延片，该LED外延片包括n-GaN层、发光层和p-GaN层；
步骤S02：清洁、干燥所述LED外延片， 包括HCl清洗，BOE清洗和王水清洗；
步骤S03：在所述外延片p-GaN表面上沉积一镓空位诱导层；
步骤S04：将前述GaN 基LED外延片进行退火，提高p-GaN表面空穴浓度；
步骤S05：去除所述GaN 基LED外延片表面的镓空位诱导层；
步骤S06：制作p型欧姆接触层以及P、N电极；
步骤S07：分割外延片，形成LED芯片。
在上述方法中，镓空位诱导层主要用于提高p-GaN表面的镓空位浓度，以降低p电极与p-GaN的接触电阻，其材料可选自Ni、Pt、Au、Ag、Pd中的一种或其组合，如可选用Ni/Au、Ni/Ag、Pt/Ni/Au、Cr/Au、Pd/Au、Pt/Ru、Pt等。退火氛围可为空气、氧气、氮气或组合气体。
在一些实施例中，在p-GaN表面上沉积Ni/Au，在氮气环境中500℃退火。其中Ni/Au层的厚度为10～20nm，Ni，Au厚度比介于1：10与1：1之间。
在一些实施例中，在p-GaN表面上沉积Pt/Ni/Au，在氮气环境中300℃退火。
在一些实施例中，在p-GaN表面上沉积Pd/Au，在氮气环境中600℃退火。
下面通过实施例对本发明的更多细节做说明。
【实施例一】
一种GaN基LED芯片的制作方法具体实施步骤如下：
如图2所示，提供待制作的GaN外延片100（下称样品）,包括生长衬底101、n-GaN层102，发光层103、p-GaN层104，将样品经过HCl、BOE、王水清洗，并进行干燥处理。
如图3所示，使用离子溅射或真空电子束蒸发镀膜设备在样品p-GaN表面沉积Ni/Au金属薄膜作为镓空位诱导层200，Ni的厚度为3nm，Au的厚度为10nm。
如图4所示，将样品置于高温炉管中退火，气氛为氮气，温度为500°C。
如图5所示，将样品先后置于KI、稀硝酸溶液，去除p-GaN表面上的Ni/Au。
制作p型欧姆接触层以及P、N电极。首先，采用黄光微影在外延片上定义芯片的n电极区，利用ICP刻蚀技术蚀刻此区域至n-GaN层；接着，利用离子溅射或者真空蒸发镀膜技术，在所述样品上表面上沉积ITO透明导电层300，并采用黄光微影、湿法蚀刻出ITO电流扩展图形；再接着，将样品置于炉管中退火，让ITO与p-GaN实现良好接触；最后分别在透明导电层和n-GaN上制作p、n电极。
如图6所示，将样品经过研磨减薄，劈裂即形成GaN基LED芯片。
在本实施例中，通过在p-GaN表面沉积Ni/Au镓空位诱导层200，经过退火，Ni活化Mg掺杂的p-GaN层，同时由于Ga原子在Au有较高溶解度，退火过程，Ga原子往外扩散至Au层，使得p-GaN表面空穴浓度提高，有利于降低p型欧姆接触电阻，从而降低电压，退火之后将Ni/Au去除，之后做p型欧姆接触层，从而降低了p电极接触电阻的同时又不影响芯片的出光效率。
【实施例二】
本实施例与实施例一的区别在于：本实施例用于形成垂直结构的LED芯片，其于激活的p-GaN表面镓空穴的处理方式与实施例一相同，区别在于后续的芯片工艺，在去除样品表面的Ni/Au镓空位诱导层200后，具体的步骤包括：
首先，在p-GaN表面上制作Ni/Ag/Pt高反射性p型欧姆接触层；
下一步，在整个样品表面沉积Ti/Pt/Au键合金属层，形成镜面金属键合层；
下一步，提供一Si片作为支撑衬底600，在其表面上沉积键合金属层Ti/Pt/Au，利用真空压合设备将样品与Si片键合；
下一步，利用激光剥离设备将样品的生长衬底剥离，裸露出n-GaN层；
下一步，在n-GaN上面制作n电极401，并利用KOH粗化n-GaN层粗表面，以提高出光效率；
最后，将Si片研磨减薄，并沉积背面金属层Ti/Pt/Au作为背面金属电极700，如图7所示，将样品经过劈裂即形成GaN基LED芯片。
从上述实施例可以看出：与常规LED芯片制作方法相比，本方法只需在常规制作方法前做预处理，并不需要增加黄光次数，亦不会影响芯片良率，而且能与各种芯片结构制作方法兼容。
下面制作四个样品进行测试p-GaN层与p电极的接触电阻，其中样品一、三为采用上述实施例二的制备方法处理的LED外延片，样品二、四为采用常规方法（即未采用镓空位诱导层激活P-GaN层表层），分别取三个测试点对此四个样品进行测试，其数据如表1。
表1：Ni/Au退火处理的p-GaN和常规p-GaN与p电极的接触电阻（Ni/Ag/Pt）。
| 单位（千欧） | 测试点一 | 测试点二 | 测试点三 |
| 样品 1 | 6.2 | 7.4 | 5.6 |
| 样品 2 | 37.5 | 30.5 | 32.5 |
| 样品 3 | 7.2 | 9.2 | 7.2 |
| 样品 4 | 25 | 24 | 27.5 |
通过实验可知，采用本方法处理得到的GaN基LED芯片的p欧姆接触电阻远远低于常规制作方法得到的芯片，最终制得芯片电压比常规制作方法低0.2V，亮度并没有差异，因此本方法提高了芯片的光电转换效率。
Claims (9)
1.一种GaN基LED芯片制作方法，包括步骤：
1）提供一GaN基LED外延片，包括n-GaN层、发光层和p-GaN层；
2）清洁所述GaN基LED外延片，并将其干燥；
3）在所述外延片p-GaN表面上沉积一镓空位诱导层；
4）将前述GaN 基LED外延片进行退火，提高p-GaN表面空穴浓度；
5）去除所述GaN 基LED外延片表面的镓空位诱导层；
6）在经过以上处理的GaN 基LED外延片上制作p型欧姆接触层以及P、N电极；
7）将所述GaN 基LED外延片分割成LED芯粒。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：所述步骤2）中包含HCl清洗，BOE清洗和王水清洗。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：所述镓空位诱导层的材料选自Ni、Pt、Au、Ag、Pd中的一种或其组合。
4.根据权利要求3所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：所述镓空位诱导层为Ni/Au金属薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：步骤3）中，所述Ni/Au金属薄膜厚度为10～20nm，其中Ni，Au厚度比介于1：10与1：1之间。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：步骤4）中，所述退火温度介于500～650°C之间，气氛为空气、O2、N2或Ar。
7.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：步骤5）中，Ni/Au金属薄膜的去除方法为：先将所述GaN基LED外延片置于KI或者王水中去除Au层，然后用稀硝酸去除Ni层。
8.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：步骤6）中，所述p型欧姆接触层为透明导电的材料。
9.根据权利要求1所述的一种GaN基LED芯片制作方法，其特征在于：步骤6）中，所述p型欧姆接触层为具有高反射性的p型镜面反射结构。
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