CN104659180B - 高光抽取效率GaN基LED透明电极结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透明电极结构及制备方法，尤其是一种高光抽取效率GaN基LED透明电极结构及制备方法，属于LED半导体器件的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述高光抽取效率GaN基LED透明电极结构，包括GaN基板；在所述GaN基板上设置纳米柱层以及覆盖所述纳米柱层上的ITO层；所述纳米柱层包括若干纳米柱，ITO层覆盖在纳米柱上，并填充在纳米柱两侧的柱隔离孔内，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。本发明能显著提高GaN基正装LED的光抽取效率，工艺操作方便，成本低，适应范围广，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明电极结构及制备方法，尤其是一种高光抽取效率GaN基LED透明电极结构及制备方法，属于LED半导体器件的技术领域。
背景技术
未来固体照明应用的普及取决于高光效GaN基LED制备技术的发展。制约GaN基正装LED性能提升的基本障碍之一是其构成材料的高折射率(相对于外部介质)。由于GaN基材料(n＝2.3)和空气介质(n＝1)折射率之间的显著差异，造成GaN基正装LED的光逃逸锥角偏小，大部分光难以从器件内部出射而损耗，限制了器件的光抽取效率。所以一直以来，大量的研究工作都致力于如何提高器件的光抽取效率，相继产生了诸如ITO表面粗化、渐变折射率层、图形化蓝宝石衬底、热酸侧壁腐蚀、全向反射镜、光子晶体、器件几何形状优化等方法。
从大体上讲，由于GaN基正装LED出光中顶面出光占比最大，因此改变器件顶面形貌增大光出射几率是提升器件效率的有效途径之一。曾有报道利用自然光刻图形化技术粗化ITO透明电极层；调整MOCVD外延生长条件形成p-GaN表面微坑；p-GaN表面化学生长ZnO纳米柱等方法都能显著提高出光，但值得注意的是上述方法自身亦存在明显的缺点和不足。ITO粗化通常需要借助干法蚀刻，通常会造成ITO电学性能的劣化；外延粗化p-GaN表面会在一定程度上牺牲生长质量和掺杂效率；化学生长ZnO纳米柱工艺繁复，并且纳米柱的附着性也难以保证。到目前为止，综合效果良好且操作简单易行的制备方法却鲜有提及。因此，迫切需要开发一种即能够显著提升光抽取效率，又不会对器件其他特性带来负面影响，且生产可行性较好的新方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高光抽取效率GaN基LED透明电极结构及制备方法，其能显著提高GaN基正装LED的光抽取效率，工艺操作方便，成本低，适应范围广，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述高光抽取效率GaN基LED透明电极结构，包括GaN基板；在所述GaN基板上设置纳米柱层以及覆盖所述纳米柱层上的ITO层；所述纳米柱层包括若干纳米柱，ITO层覆盖在纳米柱上，并填充在纳米柱两侧的柱隔离孔内，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。
所述纳米柱为氮化硅纳米柱，纳米柱的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
一种高光抽取效率GaN基LED透明电极结构的制备方法，所述透明电极结构的制备方法包括如下步骤：
a、提供GaN基板，并在所述GaN基板上设置纳米体层；
b、在上述纳米体层上设置刻蚀掩膜层，所述刻蚀掩膜层覆盖在纳米体层上；
c、在上述刻蚀掩膜层上设置纳米薄层；
d、对上述纳米薄层进行退火，以在刻蚀掩膜层上团聚成密集排布的若干纳米点，在纳米点的外侧形成纳米点孔；
e、利用纳米点为掩膜，对刻蚀掩膜层以及纳米体层进行干法刻蚀，以去除与纳米点孔位置相对应的刻蚀掩膜层以及所述刻蚀掩膜层下方的部分纳米体层，以得到位于纳米点下方的刻蚀掩膜块；
f、去除上述纳米点，并利用所述刻蚀掩膜块对纳米体层进行湿法刻蚀，以去除刻蚀掩膜块外侧的纳米体层；
g、去除上述刻蚀掩膜块得到若干相互不连接的纳米柱；
h、在上述纳米柱上沉积ITO层，并对所述ITO层进行退火，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。
所述GaN基板为P-GaN基板，纳米体层为通过PECVD沉积在GaN基板上的氮化硅层。
所述刻蚀掩膜层为通过PECVD沉积在纳米柱层上的二氧化硅层。
所述纳米薄层为通过电子束蒸发或磁控溅射的Ag层。所述纳米薄层退火形成纳米点的温度范围450℃-550℃。
所述纳米点的直径为200nm～500nm。对ITO层进行退火以使得ITO层与GaN基板欧姆接触的退火温度为450℃-650℃。
所述纳米柱为氮化硅纳米柱，纳米柱的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
本发明具有如下优点：
1、透明电极结构由GaN基板上亚微米尺度的纳米柱构和覆盖其上的ITO层构成，不需要改变GaN基板表面形貌，不存在GaN基板损伤的风险。在GaN基LED发光波段范围内，采用Si3N4的纳米柱与ITO层折射率基本相同，接近GaN基板的折射率，可以有效避免光学微结构与LED器件之间的菲涅尔反射损失。
2、利用自然光刻图形技术获得高密度的Si3N4光学微结构，生产成本低廉，图形尺寸大小容易控制，分布集中，重复性高。结合PEVCD对Si3N4沉积厚度的精确控制，实现对光学微结构几何尺寸的光抽取优化，最大限度的提高GaN基LED内部发光的出射几率。
3、采用先干法后湿法蚀刻的无损图形转移方法，借助干法蚀刻优良的图形垂直转移和速率控制特性，将亚微米尺度的自然光刻图形转移至刻蚀掩膜层上，并去除图形区域的大部分纳米体层，最后借助SiO2与Si3N4之间的选择性湿法腐蚀将剩余纳米体层完全去除，得到纳米柱，从根本上避免对p-GaN基板造成表面损伤，不会影响LED的电学特性。
附图说明
图1为现有透明电极结构的示意图。
图2为本发明的透明电极结构的示意图。
图3～图13为本发明制备透明点击结构的具体实施工艺步骤剖视图，其中
图3为本发明GaN基板的剖视图。
图4为本发明在GaN基板上得到纳米体层后的剖视图。
图5为本发明在纳米体层上得到刻蚀掩膜层后的剖视图。
图6为本发明在刻蚀掩膜层上得到纳米薄层后的剖视图。
图7为本发明对纳米薄层进行退火得到纳米点后的剖视图。
图8为本发明利用纳米点为掩膜刻蚀得到刻蚀掩膜块后的剖视图。
图9为本发明去除纳米点后的剖视图。
图10为本发明利用刻蚀掩膜块对纳米体层进行刻蚀后的剖视图。
图11为本发明得到纳米柱后的剖视图。
图12为本发明在纳米柱上设置ITO层后的剖视图。
图13为本发明对ITO层进行退火使得ITO层与GaN基板欧姆接触后的剖视图。
附图标记说明：1-GaN基板、2-纳米柱、3-柱隔离孔、4-ITO层、5-纳米体层、6-刻蚀掩膜层、7-纳米薄层、8-纳米点、9-纳米点孔、10-第一刻蚀孔、11-第二刻蚀孔、12-刻蚀掩膜块以及20-ITO平层。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为现有LED透明电极结构的示意图，具体为在GaN基板1上设置ITO平层20，ITO平层20与GaN基板1欧姆接触，此种结构的透明电极结构具有较低的光抽取效率。
如图2所示，为了获得高光抽取效率，本发明包括GaN基板1；在所述GaN基板1上设置纳米柱层以及覆盖所述纳米柱层上的ITO层4；所述纳米柱层包括若干纳米柱2，ITO层4覆盖在纳米柱2上，并填充在纳米柱2两侧的柱隔离孔3内，以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触。
具体地，所述纳米柱2为氮化硅纳米柱，在GaN基LED发光波段范围内，氮化硅纳米柱2的折射率与ITO层4的折射率基本相同，且接近GaN基板1的折射率，纳米柱2凸出在GaN基板1上，且GaN基板1上的纳米柱2间相互不连接，即柱隔离孔3贯通纳米柱2且能将所有的纳米柱2形成相互不连接的形状，利用纳米柱2的几何形状，可以增大GaN基LED内发光出射几率，可以有效避免光学微结构与LED器件之间的菲涅尔反射损失，即达到获得高光抽取效率的目的。
一般地，纳米柱2的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长，纳米柱2的高度、直径与光波长匹配后，能进一步地确保出光的最大化。
如图3～图13所示，上述高光抽取效率GaN基LED透明电极结构可以通过下述工艺步骤制备得到，具体步骤包括：
a、提供GaN基板1，并在所述GaN基板1上设置纳米体层5；
如图3和图4所示，所述GaN基板1为P-GaN基板，纳米体层5为通过PECVD沉积在GaN基板1上的氮化硅层。纳米体层5的厚度在GaN基LED出光波长的1/4倍～1倍之间。一般地，GaN基LED的波长范围为400nm-600nm，也即是纳米体层5的厚度范围为100-600nm。
b、在上述纳米体层5上设置刻蚀掩膜层6，所述刻蚀掩膜层6覆盖在纳米体层5上；
如图5所示，所述刻蚀掩膜层6为通过PECVD沉积在纳米柱层5上的二氧化硅层。一般地，刻蚀掩膜层6的厚度在纳米柱层5厚度的1/4倍以上。
c、在上述刻蚀掩膜层6上设置纳米薄层7；
如图6所示，所述纳米薄层7为通过电子束蒸发或磁控溅射的Ag层。
d、对上述纳米薄层7进行退火，以在刻蚀掩膜层6上团聚成密集排布的若干纳米点8，在纳米点8的外侧形成纳米点孔9；
如图7所示，所述纳米薄层7退火形成纳米点8的温度范围450℃-550℃，退火方式为快速退火(RTA)。纳米薄层7的厚度与纳米点8的直径相关，所述纳米点8的直径为200nm～500nm。经过退火形成纳米点8后，能在刻蚀掩膜层6上获得自然光刻图形。在纳米薄层7团聚形成纳米点8后，在纳米点8的外侧即得到纳米点孔9，通过纳米点孔9能使得刻蚀掩膜层6部分裸露。对Ag纳米薄层7进行退火以团聚形成纳米点8的具体工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。
e、利用纳米点8为掩膜，对刻蚀掩膜层6以及纳米体层5进行干法刻蚀，以去除与纳米点孔9位置相对应的刻蚀掩膜层6以及所述刻蚀掩膜层6下方的部分纳米体层5，以得到位于纳米点8下方的刻蚀掩膜块12；
如图8所示，由于纳米点孔9能将刻蚀掩膜层6进行部分裸露，利用纳米点8作为遮挡掩膜后，通过干法刻蚀能去除裸露的刻蚀掩膜层6以及裸露刻蚀掩膜层6下方的纳米体层5，剩余纳米体层5的厚度可以根据刻蚀时间等工艺条件进行选择。由于裸露部分的刻蚀掩膜层6被刻蚀掉，因此，在纳米点8下方且与纳米点8接触部分的刻蚀掩膜层6会形成刻蚀掩膜块12，与此同时，在纳米点8以及刻蚀掩膜块12的外侧形成第一刻蚀孔10，通过第一刻蚀孔10能使得相应部分的纳米体层5裸露。
f、去除上述纳米点8，并利用所述刻蚀掩膜块12对纳米体层5进行湿法刻蚀，以去除刻蚀掩膜块12外侧的纳米体层5；
如图9和图10所示，去除纳米点8后，刻蚀掩膜块12的表面裸露，利用刻蚀掩膜块12为掩膜，采用湿法刻蚀上述裸露部分的纳米体层5，以将上述第一刻蚀孔10孔底下方的纳米体层5进行刻蚀去除，以得到第二刻蚀孔11，通过第二刻蚀孔11能将GaN基板1的表面裸露。一般地，去除纳米点8可以采用稀硝酸，对纳米体层5进行湿法刻蚀采用加热稀磷酸，具体工艺过程以及条件均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
g、去除上述刻蚀掩膜块12得到若干相互不连接的纳米柱2；
如图11所示，由于采用湿法刻蚀去除刻蚀掩膜块12外侧的纳米体层5，从而能得到刻蚀掩膜块12正下方的纳米体层5，从而得到若干纳米柱2，纳米柱2间通过柱隔离孔3相互不连接。纳米柱2的高度与纳米体层5的厚度相一致。对于刻蚀掩膜块12可以采用BOE溶液，具体去除过程为本技术领域人员所熟知。
h、在上述纳米柱2上沉积ITO层4，并对所述ITO层4进行退火，以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触。
如图12和图13所示，对ITO层4进行退火以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触的退火温度为450℃-650℃，ITO层4沉积方法可以是电子束蒸发、反应等离子沉积或磁控溅射；ITO层4的退火方法为炉管退火或快速退火。对ITO层4进行退火，使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触的具体工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
本发明的透明电极结构由GaN基板1上亚微米尺度的纳米柱2构和覆盖其上的ITO层4构成，不需要改变GaN基板1表面形貌，不存在GaN基板1损伤的风险。在GaN基LED发光波段范围内，采用Si3N4的纳米柱2与ITO层4折射率基本相同，接近GaN基板1的折射率，可以有效避免光学微结构与LED器件之间的菲涅尔反射损失。
利用自然光刻图形技术获得高密度的Si3N4光学微结构，生产成本低廉，图形尺寸大小容易控制，分布集中，重复性高。结合PEVCD对Si3N4沉积厚度的精确控制，实现对光学微结构几何尺寸的光抽取优化，最大限度的提高GaN基LED内部发光的出射几率。
采用先干法后湿法蚀刻的无损图形转移方法，借助干法蚀刻优良的图形垂直转移和速率控制特性，将亚微米尺度的自然光刻图形转移至刻蚀掩膜层6上，并去除图形区域的大部分纳米体层5，最后借助SiO2与Si3N4之间的选择性湿法腐蚀将剩余纳米体层5完全去除，得到纳米柱2，从根本上避免对p-GaN基板1造成表面损伤，不会影响LED的电学特性。
Claims (1)
1.一种高光抽取效率GaN基LED透明电极结构的制备方法，其特征是，所述透明电极结构的制备方法包括如下步骤：
(a)、提供GaN基板(1)，并在所述GaN基板(1)上设置纳米体层(5)；
(b)、在上述纳米体层(5)上设置刻蚀掩膜层(6)，所述刻蚀掩膜层(6)覆盖在纳米体层(5)上；
(c)、在上述刻蚀掩膜层(6)上设置纳米薄层(7)；
(d)、对上述纳米薄层(7)进行退火，以在刻蚀掩膜层(6)上团聚成密集排布的若干纳米点(8)，在纳米点(8)的外侧形成纳米点孔(9)；
(e)、利用纳米点(8)为掩膜，对刻蚀掩膜层(6)以及纳米体层(5)进行干法刻蚀，以去除与纳米点孔(9)位置相对应的刻蚀掩膜层(6)以及所述刻蚀掩膜层(6)下方的部分纳米体层(5)，以得到位于纳米点(8)下方的刻蚀掩膜块(12)；
(f)、去除上述纳米点(8)，并利用所述刻蚀掩膜块(12)对纳米体层(5)进行湿法刻蚀，以去除刻蚀掩膜块(12)外侧的纳米体层(5)；
(g)、去除上述刻蚀掩膜块(12)得到若干相互不连接的纳米柱(2)；
(h)、在上述纳米柱(2)上沉积ITO层(4)，并对所述ITO层(4)进行退火，以使得ITO层(4)与GaN基板(1)欧姆接触；
所述纳米柱(2)为氮化硅纳米柱，纳米柱(2)的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长；
所述GaN基板(1)为P-GaN基板，纳米体层(5)为通过PECVD沉积在GaN基板(1)上的氮化硅层；
所述刻蚀掩膜层(6)为通过PECVD沉积在纳米柱层(5)上的二氧化硅层；
所述纳米薄层(7)为通过电子束蒸发或磁控溅射的Ag层；
所述纳米薄层(7)退火形成纳米点(8)的温度范围450℃-550℃；
所述纳米点(8)的直径为200nm～500nm；
对ITO层(4)进行退火以使得ITO层(4)与GaN基板(1)欧姆接触的退火温度为450℃-650℃。
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