专利名称：利用氧化锌提高led光提取效率的方法
技术领域：
本发明属于提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)光提取效率的方法，特别是在 GaN基LED表面上生长氧化锌薄膜后，利用氧化锌的位错腐蚀后形成的位错坑，作为一种表 面粗化技术，来提高发光二极管光提取效率的方法。
背景技术：
近些年来，氮化镓基发光二极管的发展迅猛，已成为固态照明的一个重要领域。然 而，LED的效率却受到诸多因素的限制，例如P-GaN的高电阻率而导致的ρ型电极下的电流 阻塞现象。目前，人们广泛采用薄层金属或ITO做透明导电膜，以增强电流扩展。而氧化锌 (ZnO)同前两者相比，具有很多优越的特性ΖηΟ的禁带宽度是3. 37ev，在近紫外和可见光 范围的透过性达80% ；ZnO的折射率在2. 0左右，小于ITO的折射率，使有源层发出的光更 易出射；在高温下ZnO更稳定，且比ITO更易刻蚀；锌蕴藏丰富，价格便宜，且无毒。目前， ZnO被广泛认为是取代薄层金属和ITO的理想的透明导电材料。ZnO做透明导电层，既能增 加电流扩展，提高内量子效率，又能通过表面粗化的工艺，减小全反射，增大光提取效率。然 而，目前对ZnO做透明导电层后的表面粗化工艺，研究得还很少。目前对于GaN基LED，通过表面粗化提高LED光提取效率的方法，大多是在P型GaN 上进行的。Seok-In Na, Ga-Young Ha, Dae-Seob Han 和 Seok-Soon Kim 等人在 Photonics Technology Letters, 18,2006, “Selectivewet etching of ρ-GaN for efficient GaN-based light-emitting diodes，，的文章中公开了用KOH乙烯乙二醇溶液腐蚀LED结构 的P-GaN表面，用于提高GaN基LED的光学和电学性质的方法。其主要步骤是M0CVD方法 生长GaN基LED，其上表面为ρ-GaN，用KOH乙烯乙二醇溶液腐蚀ρ-GaN表面，在表面形成直 径为0. 5-3. 7 μ m，深度为10-20nm的腐蚀坑，然后电子束蒸发金属到p-GaN表面，形成ρ电 极。通过这种方法使LED的光功率与未刻蚀的相比，提高了 29. 4%。但是，这种方法的缺点是(l)p-GaN层很薄，只有IOOnm左右，且本身的电阻率就 很大，在P-GaN上直接腐蚀后，更不利于电流的扩展和传导；(2) p-GaN的折射率较大，约为 2. 4，不利于光的出射。此外，Jinn-KongSheu，Y. S. Lu, Min-Lum Lee 和 W. C. Lai 等人在 Appl. Phys. Lett. , 90,2007, "Enhanced efficiency of GaN-basedlight-emitting diodes with periodic textured Ga-doped ZnO transparent contactlayer，，中提出了在 GaN 基 LED 的p-GaN上，首先电子束蒸发一层ΙΤ0，然后在ITO上用磁控溅射方法生长一层掺杂的ZnO， ITO/ZnO的总厚度为550nm。通过光刻，在ZnO上刻蚀出宽度为5 μ m，深度为370nm的ZnO 条，其功率效率与未刻蚀的相比，提高了 45%。但整个工艺过程复杂，成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，该方法可 以大幅度的提高LED的光提取效率，该方法最大的优点是工艺简单，原料成本低廉，且可重复性好。本发明的目的是这样实现的本发明提供一种利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，包括以下步骤步骤1 取一 GaN基发光二极管外延片；步骤2 在GaN基发光二极管外延片的出光面上生长一层ZnO单晶薄膜；步骤3 利用湿法化学腐蚀的方法，腐蚀ZnO单晶薄膜的表面，使ZnO单晶薄膜的 表面在位错处出现腐蚀坑；步骤4 光刻生长有ZnO单晶薄膜的GaN基发光二极管外延片，在GaN基LED外延 片上形成重复的LED基本结构单元，刻蚀LED基本结构单元的一侧形成一台面，制作出LED 的基本芯片结构；步骤5 在LED的基本芯片结构的台面上制作η电极，在ZnO单晶薄膜的表面上或 出光面上制作P电极，完成器件的制作。其中生长ZnO单晶薄膜，是采用金属源汽相外延的方法，该方法中 采用的源材料是金属锌和去离子水，金属锌和去离子水的反应方程式为 Zn(v)+H2O(V)^ZnO(S)+H2(V)。其中生长ZnO单晶薄膜，是采用金属有机气相外延、分子束外延或原子层外延的 方法。其中ZnO单晶薄膜的生长厚度为200nm-10 μ m。其中湿法化学腐蚀的腐蚀液为KOH水溶液，腐蚀温度为40°C -80°C，腐蚀时间为 10min_70mino其中利用KOH水溶液对ZnO单晶薄膜腐蚀，腐蚀后的表面腐蚀坑密度为
1 AS 1 A9 -2
10 -10 cm ο
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明，其中图1至图3是本发明设计的器件结构制作流程的剖面示意图。图4是用本发明的方法一个实施例的结果示意图。
具体实施例方式请参阅图1至图3所示，本发明提供一种利用氧化锌提高LED光提取效率的方法， 包括以下步骤步骤1 取一 GaN基发光二极管外延片10 (图1)，其中GaN基LED外延片的基本结 构包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、η型GaN、量子阱、电子阻挡层以及ρ型GaN层；步骤2 在GaN基发光二极管外延片10的出光面11上生长一层ZnO单晶薄膜 12 (图2)；其中在GaN基LED外延片的基本结构上外延生长ZnO的方法，是采用金属源汽 相外延(MVPE)的方法，该方法中采用的源材料是金属锌和去离子水，金属锌和去离子水的 反应方程式为Zn(v)+H20(v)oZn0(s)+H2(v)，该反应是一个可逆反应。通过不断的
排除尾气并调整源材料和载气的流量，来控制反应达到动态平衡，使金属Zn和H2O源源不
4断的反应，在GaN基LED外延片的基本结构上生长ZnO外延膜12。此方法的优点是生长温 度低，不会影响GaN基LED材料性能；生长速率快；方法简单，成本低，有利于形成产业化技 术。该方法可生长厚度在200nm-10 μ m的ZnO薄膜，有利于电流在LED中的横向扩展。此外，还可以采用金属有机气相外延、分子束外延、原子层外延等方法生长ZnO薄 膜12。步骤3 利用湿法化学腐蚀的方法，腐蚀ZnO单晶薄膜12的表面，使ZnO单晶薄 膜12的表面在位错处出现腐蚀坑，其中湿法化学腐蚀的腐蚀液为KOH水溶液，腐蚀温度为 400C -80°C，腐蚀时间为10min-70min。腐蚀后在原子力显微镜下，可以观察到ZnO表面有 一系列大小不等的腐蚀坑，腐蚀坑呈六角形(参见图2)，密度为108-109cm_2。这些大小深度 不等的腐蚀坑，减小了有源层发出的光在LED表面的全反射几率，有利于提高关提取效率。 腐蚀后ZnO表面的腐蚀坑密度与位错有以下的对应关系a) ZnO表面的腐蚀坑密度与通过XRD计算的ZnO的位错密度在同一量级，一个腐蚀 坑可能对应与一个位错。b)ZnO表面的腐蚀坑根据直径和深度可以划分为3类，即大、中、小坑，且随着腐蚀 时间的延长依然存在这3种不同大小和深度的腐蚀坑。c)腐蚀坑中直径较大的腐蚀坑密度与根据XRD结果计算的ZnO螺位错的密度在同 一量级，一个大的腐蚀坑可能对应于一个螺位错。I. Schnitzer, E. Yablonovitch, C. Caneau, T. J. Gmitter 禾口 k. Scherer 在 Appl. Phys. Lett. , 63,1993, "30 % external quantum efficiency fromsurface textured, thin-film light-emitting diodes” 一文中指出，当表面粗化的微元尺寸与光波长可以比 拟时，表面粗化对光提取效率的增加最为显著。根据这一观点，计算出表面粗化后，对应于 最优光提取效率的微元密度应该在108-109cm_2。由腐蚀后的原子力显微照片可以计算出， MVPE方法生长的ZnO，表面腐蚀坑的密度恰好也在这一量级，即108-109cnT2。说明本发明提 供的表面粗化方法，有可能获得最佳的光提取效率。步骤4 光刻生长有ZnO单晶薄膜12的GaN基发光二极管外延片10，在GaN基LED 外延片10上形成重复的LED基本结构单元10，，刻蚀LED基本结构单元10’的一侧形成一 台面11’ (图3)，制作出LED的基本芯片结构。其中光刻并制作出LED的基本芯片结构的 步骤是在生长了 ZnO的GaN基LED的外延片上，沉积一层SiO2，利用SiO2做掩膜板，光刻出 图形，形成重复的LED基本结构单元10’，并刻蚀一侧到η型GaN层，形成LED的台面11’。步骤5 在LED的基本芯片结构上的台面11，上制作η电极14，在ZnO单晶薄膜 12的表面上或出光面11上制作ρ电极13 (图3)，完成器件的制作。其中，ρ电极13、η电 极14可以分别做在ZnO层和η型GaN层上，如附图1(c)所示。这时的ZnO层既可以作为 导电层，增加电流的横向扩展，也可以通过粗化的表面来提高LED的光提取效率。另外，ρ电 极13、η电极14也可以分别做在ρ型GaN层和η型GaN层上，这时的ZnO只起到增加光提 取效率的作用。其中，步骤3、步骤4可以互换。这样制作完成后，做出的是如图1所示的LED传统结构。此外，可以在步骤3之后， 将LED外延片的衬底剥离掉，然后分别在LED外延片的上、下两面做上ρ电极和η电极，制 成LED的垂直结构。也可以在步骤1时就选用自支撑衬底的LED外延片，在其出光面上生长ZnO并腐蚀ZnO表面，形成粗糙表面，最后在其上、下两面分别制作上ρ电极和η电极，完 成器件的制作。本发明与以往的技术相比，具有以下意义金属源气相外延生长方法的材料生长温度低，不会影响GaN基LED的材料性能；生 长速率快；方法简单，成本低，有利于形成产业化技术。避免了直接粗化LED结构的p-GaN表面，而导致的电阻率增大的问题。同时，由于 ZnO的折射率只有2. 0，小于GaN的折射率，更利于光的出射。利用湿法化学腐蚀的方法，粗化ZnO表面，减小有源层出射光的全反射几率，从而 提高LED的光提取效率。整个工艺过程简单，易实现，且避免了干法刻蚀时引入的空穴等表 面缺陷和杂质。湿法化学腐蚀时，所用的KOH水溶液，具有价格低廉的优势，且易清洗。ZnO表面的腐蚀坑密度，与根据XRD结果计算的ZnO材料本身的位错密度相当，腐 蚀坑与位错可能存在一一对应关系。且腐蚀坑中尺寸最大的一类，其密度与根据XRD结果 计算的螺位错密度相当，一个大的腐蚀坑，可能对应于一个螺位错。本发明可用于估算位错
也/又。图4是用本发明的方法一个实施例的结果示意图。粗化后的ZnO表面，腐蚀坑密度与理论计算的最优光提取效率时的腐蚀坑密度相 当，有可能使LED获得最佳的光提取效率。综上所述，虽然本发明已以一实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与 润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。
权利要求
一种利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，包括以下步骤步骤1取一GaN基发光二极管外延片；步骤2在GaN基发光二极管外延片的出光面上生长一层ZnO单晶薄膜；步骤3利用湿法化学腐蚀的方法，腐蚀ZnO单晶薄膜的表面，使ZnO单晶薄膜的表面在位错处出现腐蚀坑；步骤4光刻生长有ZnO单晶薄膜的GaN基发光二极管外延片，在GaN基LED外延片上形成重复的LED基本结构单元，刻蚀LED基本结构单元的一侧形成一台面，制作出LED的基本芯片结构；步骤5在LED的基本芯片结构的台面上制作n电极，在ZnO单晶薄膜的表面上或出光面上制作p电极，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，其中生长ZnO单晶 薄膜，是采用金属源汽相外延的方法，该方法中采用的源材料是金属锌和去离子水，金属锌 和去离子水的反应方程式为Ζη(ν)+Η20(ν) □ ZnO(s)+H2(V)0
3.根据权利要求1所述的利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，其中生长ZnO单晶 薄膜，是采用金属有机气相外延、分子束外延或原子层外延的方法。
4.根据权利要求1所述的利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，其中ZnO单晶薄膜 的生长厚度为200nm-10 μ m。
5.根据权利要求1所述的利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，其中湿法化学腐蚀 的腐蚀液为KOH水溶液，腐蚀温度为40°C _80°C，腐蚀时间为10min-70min。
6.根据权利要求5所述的利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，其中利用KOH水溶 液对ZnO单晶薄膜腐蚀，腐蚀后的表面腐蚀坑密度为108-109cnT2。
全文摘要
一种利用氧化锌提高LED光提取效率的方法，包括以下步骤步骤1取一GaN基发光二极管外延片；步骤2在GaN基发光二极管外延片的出光面上生长一层ZnO单晶薄膜；步骤3利用湿法化学腐蚀的方法，腐蚀ZnO单晶薄膜的表面，使ZnO单晶薄膜的表面在位错处出现腐蚀坑；步骤4光刻生长有ZnO单晶薄膜的GaN基发光二极管外延片，在GaN基LED外延片上形成重复的LED基本结构单元，刻蚀LED基本结构单元的一侧形成一台面，制作出LED的基本芯片结构；步骤5在LED的基本芯片结构的台面上制作n电极，在ZnO单晶薄膜的表面上或出光面上制作p电极，完成器件的制作。
文档编号H01L33/00GK101894890SQ200910084159
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者刘祯, 曾一平, 段垚, 王晓峰 申请人:中国科学院半导体研究所