制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法

摘要

一种制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法，包括：在衬底上依次外延N－GaN层、有源层和P－GaN层，形成GaN基LED的材料结构；在GaN基LED的材料结构上的P－GaN层上生长ITO层；在ITO层上淀积一层SiO2掩蔽层；腐蚀掉部分SiO2掩蔽层，暴露需要刻蚀的ITO层；刻蚀暴露出的ITO层，形成GaN基LED的台面结构；去除剩余的SiO2掩蔽层；在ITO层上光刻并制作出二维光子晶体结构；在GaN基LED的台面结构上用光刻和电子束蒸发制作出N－GaN电极；对N－GaN电极进行合金化处理；最后在ITO层和N－GaN电极上，采用光刻和电子束蒸发的方法制作加厚电极，完成器件的制作。

说明书

技术领域

本发明用于半导体光电子器件制造技术领域，具体涉及到一种制作光子晶体结构氮化镓(GaN)基发光二极管的方法。

背景技术

随着以氮化物为基础的高亮度发光二极管(LED)的开发和应用，新一代绿色环保型固体照明光源一氮化物白光LED已成为人们关注的焦点。白光LED具有节能、环保、冷光源、显色指数高、响应速度快、体积小和工作寿命长等突出优点。随着InGaN/GaN MQW蓝光材料的研究深入和白光LED器件制备性能的稳步提高，LED已经从应用于电子产品的背光源、交通灯、显示标志、景观照明走向白光照明等领域，半导体固体照明光源作为新一代照明革命的绿色固体光源显示出巨大的应用潜力。高亮度白光LED用于照明，将导致照明系统的一场革命。其性质犹如照明业从烛光到白炽灯，电子业由电子管到晶体管的变革，将极大地改变人们的生活方式。预计在未来的5-10年中，高亮度白光LED灯将逐步取代传统的照明光源。它的成熟和发展将带动一大批相关产业的发展，将对国民经济发展产生重大影响。

半导体发光二极管虽然具有很高的内量子效率，但只有很少的光耦合出去，大部分发出的光被包层反向。光子晶体对于GaN LED出光效率的提高有很大作用，但我们在实验中也发现由于光子晶体加工工艺对器件有源区的损伤同时也降低了其出光功率。为此我们提出了使用氧化铟锡(Indium-Tin-Oxide，ITO)作为P透明电极，同时将光子晶体加工在ITO层上的方法制作光子晶体GaN LED。这种方法与直接在P-GaN制作光子晶体的比较如表1所示，它不仅使P电极的透过率更高，还可以有效降低光子晶体加工中对有源区的损伤。

表1

 光子晶体位置-＞  P-GaN层  ITO  对有源层损伤  大  小  P电极接触电阻  较小  较大(可改进)  透过率  稍低(＜80％)  高(＞90％)

目前的光子晶体GaN基LED的制作均需要特殊工艺，如电子束曝光等。这些工艺与常规半导体器件工艺流程不兼容，因此不适合大规模生产，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法，其是用常规半导体器件工艺通过在作为GaN基LED P电极的ITO表面制作出光子晶体，利用光子晶体的能带结构，实现高效的GaN基LED器件。这种LED以ITO作为透明电极，光子晶体制作在ITO层上。整个器件的制作只需常规半导体器件工艺流程，从而为进一步提高GaN基LED的出光效率提供了新的方法。

本发明提供一种制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次外延N-GaN层、有源层和P-GaN层，形成GaN基LED的材料结构；

步骤2：在GaN基LED的材料结构上的P-GaN层上生长ITO层，作为GaN基LED的P型透明电极；

步骤3：在ITO层上淀积一层SiO₂掩蔽层；

步骤4：用光刻和湿法腐蚀掉部分SiO₂掩蔽层，暴露需要刻蚀的ITO层；

步骤5：刻蚀暴露出的ITO层，刻蚀深度到N-GaN层，形成GaN基LED的台面结构；

步骤6：湿法去除剩余的SiO₂掩蔽层；

步骤7：在ITO层上光刻并制作出二维光子晶体结构，以提高LED的出光效率；

步骤8：在GaN基LED的台面结构上用光刻和电子束蒸发制作出N-GaN电极；

步骤9：对N-GaN电极进行合金化处理；

步骤10：最后在ITO层和N-GaN电极上，采用光刻和电子束蒸发的方法制作加厚电极，完成器件的制作。

其中所述的ITO层的折射率为2.0，厚度为300nm-500nm。

其中所述的衬底为蓝宝石衬底。

其中SiO₂掩蔽层的厚度为600nm。

其中合金化处理是在N₂氛围进行，时间为30秒。

其中步骤5所述的刻蚀是分为两步进行，第一步采用湿法腐蚀的方法刻蚀掉ITO层；第二步采用干法刻蚀，刻蚀深度到N-GaN层。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方案

一种制作光子晶体结构GaN基发光二极管的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选择GaN基半导体材料，采用MOCVD或分子束外延技术在蓝宝石衬底1上依次外延N-GaN层2、有源层3和P-GaN层4，形成GaN基LED的材料结构，有源层、过渡层和N区及P区的总厚度设计在0.5μm以下，或者上面的P型区设计成0.5μm以下，以满足微加工深度的要求。

步骤2：在GaN基LED的材料结构上的P-GaN层4上生长ITO层5并合金化处理，作为GaN基LED的P型透明电极，所述的ITO层5的折射率为2.0，厚度为300nm-500nm。与Ni/Au相比，因ITO的透过率较高，使用ITO作透明电极可以将透明电极做得较厚，这有利于在电极上加工各种微结构，如光子晶体结构等。

步骤3：在ITO层5上淀积一层SiO₂掩蔽层，厚度约为600nm。此掩蔽层的作用是在步骤5的刻蚀中作为掩膜来转移图形，一般要求SiO₂较致密，这样能够较好的转移图形。

步骤4：光刻形成LED台面，并使用氢氟酸(HF)湿法腐蚀掉部分SiO₂掩蔽层，暴露需要刻蚀的ITO层5。

步骤5：刻蚀暴露出的ITO层5，刻蚀深度到N-GaN层2，形成GaN基LED的台面结构6。刻蚀是分为两步进行，第一步使用一定配比的HCl、HNO₃、H₂O进行湿法腐蚀的方法刻蚀掉ITO层5；第二步采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，刻蚀深度到N-GaN层2。

步骤6：湿法去除剩余的SiO₂掩蔽层。清洗使用氢氟酸(HF)进行湿法腐蚀。

步骤7：使用常规半导体工艺在ITO层5上光刻并制作出二维光子晶体结构51，以提高LED的出光效率。通过计算光子晶体的光子能带，采用时域有限差分(FDTD)方法计算时域上电磁波在光子晶体中的传播和散射，模拟光子的辐射和在光子晶体中的传输等特性。计算GaN LED出光效率随归一化频率的变化，并计算需要刻蚀光子晶体的孔的深度、占空比等对出光效率等的影响。

步骤8：在GaN基LED的台面结构6上用光刻和电子束蒸发制作出N-GaN电极7。N-GaN电极7一般采再Ti/Al/Ti/Au。

步骤9：对N-GaN电极在N2氛围进行约30秒的合金化处理。合金化处理是为了使N-GaN电极与n-GaN形成欧姆接触，降低器件电阻，提高器件性能。

步骤10：最后在ITO层5和N-GaN电极7上，采用光刻和电子束蒸发的方法制作加厚电极8，完成器件的制作。其中加厚电极一般采用Ni/Au，厚度大于300nm，这样便于下一步器件测试时进行压焊。

本发明为了制作光子晶体结构的GaN基LED，要求既能增加LED的光提取效率，又不会在影响有源层的有效发光面积。因此选择利用普通光刻方法加工面积较大的如几百微米范围的纳米光子晶体结构，在ITO层上制作光子晶体，就避免了原来在P-GaN上制作光子晶体会对有源层产生较大损伤，影响LED的发光效率。