一种采用激光辐照氮化镓外延片改善以其为基底的LED发光性能的方法

摘要

一种采用激光辐照氮化镓外延片以改善以其为基底的LED发光性能的方法，属于材料制备领域。本发明先将GaN外延片(表面为p型)进行预处理，去除表面的污染附着物及有机残留等，改善表面晶格缺陷，采用248nm准分子激光器对GaN外延片进行辐照，单脉冲能量密度0.15J/cm

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域。

背景技术

氮化镓、碳化硅等材料为代表的宽禁带半导体作为一种物理 特性丰富的新兴材料，其许多电学光学性质均远远超过了前一代半导体材料。 宽禁带半导体在现阶段的生产生活中扮演了越来越重要的位置，特别是氮化 镓材料在人类照明产业中的地位举足轻重，在新一代照明用LED器件中有很 广泛的应用。

GaN材料的禁带宽度是直接带隙型的，在室温下其禁带宽度为 3.39eV，属于宽禁带半导体范畴，在载流子复合时普遍具有较高的量子效率。 GaN材料是直接带隙意味着其带隙较宽，非常适合用来制作蓝、绿光和紫外 光发光器件(例如LED)及紫外光探测器件。其电子饱和速率、击穿电场、导 热率、带隙高于Si和GaAs，所以可用于电荷耦合器件、高速存储器、大功 率器件及要求暗电流比较低的光探测器。当然，GaN等直接带隙材料还可以 制作短波长大功率激光器。其次，这类材料介电强度高，适于开发相应大功 率的放大器件、开关器件及二极管。此外，其相对介电常数比较低，可制作 毫米波放大器串联电容。这些优异特性，使得其在高温、高频、光电子、大 功率以及抗辐射等方面有很大的应用潜力。

GaN材料有着极大的性能改善空间。首先，从外延生长氮化 镓材料的衬底角度来看，用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，若使 用其作为氮化镓材料生长的衬底材料可以大大提高外延膜的晶体质量，降低 位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，从而提高器件工作电流密度。 但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。如今用 于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石，即Al₂O₃。其优点是化学稳定性好，不 吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。但是蓝宝石衬底与GaN材料的 晶格失配度较大，造成在外延生长的GaN材料中位错密度较大，影响材料的 结晶质量和许多电学和光学性质。正是因此，高质量的GaN材料外延生长非 常困难，其生长技术发展也非常缓慢。直到20世纪90年代后，随着材料生 长和器件工艺水平的不断提高，以及缓冲层技术的采用和p型掺杂技术的突 破，才使GaN基材料及其外延生长的研究变得空前活跃，成为目前全球半导 体领域研究和投资的热点。

其次，即使采用各种方法生长出的GaN晶体也不可避免的大 多含有一定数量的氮空位缺陷(V_N)，这会导致非掺杂的GaN材料均为n型 半导体,本底电子浓度在10¹⁴-4x10¹⁶cm^-3左右,呈现出高电导的情况；而p型GaN 一般属补偿材料,且一般均用Mg元素作为受主掺杂杂质。目前可控掺杂浓度 仅在10¹¹-10²⁰cm^-3之间。这意味着外延生长的p型GaN材料的电学性能有较 大的提升空间，而由于这种电学性能的不尽如人意直接导致了以GaN材料为 基底的LED的发光性能不甚理想，其光出射功率以及电光转换效率仍然只能 被限制在较低的水平，其中电光转换效率在工业生产中一般只能达到约 15％-20％。。

LED是由英文light emitting diode各词头缩写而成的专业术语， 即“发光二级管”，它是电能转换成光能的能量转换装置，是一种在适当的 正向偏压下半导体p-n结能自发辐射而发光的一种器件。目前，如何提高以 GaN为基底的蓝光LED的发光性能是全球的学术热点之一，原因就是蓝光 LED的发光材料研究起步较晚，其材料性能又没有达到人们预期的水平。

激光技术自问世以来，以其能量高、易操作、可控性好不易引 入污染等优点广泛用于新材料制备、辐照材料改性等研究领域。特别是伴随 着准分子激光等短波长高峰值功率激光器的应用，材料冷加工的思想越来越 重要，主要研究材料在激光辐照下电、光、磁等物理性质的改变，涉及半导 体材料、介电材料、高温超导材料和磁性材料等方面。运用准分子激光辐照 的方法进行表面改性的的优越性主要有激光拥有高能量密度的光输出；输出 能量密度和脉冲频率以及脉冲数的等参数精确可控；处理特定局域表面的可 选择性和可重复性。本发明提出在不同气氛和光脉冲参数下，采用激光辐照 的方法对GaN外延片结构进行辐照，利用辐照气氛和参数多变且精确可控的 优势，尝试不同条件和参数以确定能够使GaN外延片电学性质以及以其为基 底的LED发光性能改善最明显的参数设置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不同辐照气氛和辐照参数下改 善GaN外延片电学性质和以GaN为基底的LED各项发光性能的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1)将氮化镓外延片浸入有机溶剂超声清洗5分钟后，冲洗； 浸入酒精溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗6-10分钟 后，冲洗，干燥；

2)将经步骤1)处理过的GaN外延片样品放在靶台上，调整光路，激光 器波长为248nm；

3)采用脉冲激光单脉冲能量密度0.15J/cm2-0.6J/cm2，频率3Hz-10Hz， 脉冲数为60-120辐照样品。[0011]进一步，其特征在于氮化镓外延片样 品为表层是p型GaN薄膜的多层外延结构样品。

进一步，其特征在于所说的激光器是KrF准分子激光器。

在上述步骤3)中，激光辐照GaN外延片是分别在标准大气、 氮气和氧气气氛下进行的。并通过在不同气氛下改变激光辐照参数(脉冲能 量密度、辐照脉冲数、脉冲频率)以在不同程度的改善氮化镓电学光学性质 以及封装后的LED的发光性能。

按照以上工艺方法得到的样品，在采用磁控溅射的方法在样品 表面淀积Ni(30nm)/Au(100nm)金属电极后，对样品进行载流子浓度、表面电 阻率等一些金属半导体欧姆接触的电学测试。结果显示在氮气气氛下，采用 适当辐照参数的激光辐照样品可以最多使样品载流子浓度提高两个数量级， 并且表面电阻率也同时降低了1个数量级。

按照以上工艺方法得到的辐照后的氮化镓外延片样品，在通 过清洗、蒸发ITO、台阶(mesa)光刻、ICP刻蚀、去胶、ITO合金、HF酸 清洗、图形电极(patterned pad)光刻溅射Ti/Au、剥离Ti/Au、合金、探针台 测试等小功率LED工艺流程本步骤，对其进行LED发光性能的测试，主要有 反向漏电流、光出射功率、光输出效率等LED特性参数。

本发明是基于准分子激光与GaN半导体材料发生的光化学与 光热反应，在辐照时导致材料表面的物理性质发生改变。运用激光辐照改性 的方法具有很大的灵活性，可以通过对于辐照参数与气氛的改变使得辐照后 的材料具有最佳的电学和光学性能，并对封装后LED的发光性能有一定的改 善。

与现有的半导体改性技术，主要是快速热退火相比，本发明 有明显的创新性：

1.激光辐照GaN外延片的方法其工艺操作简单易行、时间周 期短、激光辐照参数精确可控以及可处理特定局域表面。可以通过调整激光 辐照参数和对辐照气氛环境的改变以使样品的电学光学性质以及封装成LED 的发光性能得到最大程度的改善。

2.经激光辐照改性后，样品的电学光学性质改善明显。并且 与LED发光测试相结合，更结合生产生活的实际问题以提升以氮化镓LED为 代表的蓝光LED的发光性能。

3.采用激光作为高能辐照源，激光功率和脉冲个数较小，工 艺简单，能耗较低；在1分钟内可完成辐照，改性速度快。

4.采用激光辐照作为材料改性的方法，不影响氮化镓外延片 表层下其他结构的材料性质，不产生环境污染。

附图说明

图1是氮化镓外延片样品经过LED封装工艺后的LED灯珠实 物图，其中图1(a)是LED灯珠俯视图，图1(b)是LED灯珠侧视图。

其中图2(a)和图2(b)分别是外延片样品经过不同辐照功 率密度和不同脉冲数的激光辐照后，其封装后的LED器件的反向漏电流的情 况。可以看到经过辐照处理过的外延片制作成的LED，其反向漏电流均较辐 照前有了不同程度降低，说明封装后LED的电学性能均较辐照前有所改善， 另外不同辐照参数的改善程度亦有所不同，也说明了可以通过改变辐照参数 的方法使得LED器件获得最佳的电学性质。

图3(a)和图3(b)分别是外延片样品经过不同辐照功率密度 和不同脉冲数的激光辐照后，其封装后的LED器件的发光性能的变化情况。 可以看到辐照后的LED光出射功率均较辐照前有了明显的提升，说明经过激 光辐照的处理后的LED发光性能均较辐照前有了不同程度的提高。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

将氮化镓外延片用玻璃刀切割成每个尺度约为1cm×1cm大 小的正方形样品；浸入丙酮溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入酒精溶剂超 声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗10分钟后，冲洗，干燥。 将经过预处理的氮化镓外延片放在靶台上，用波长为248nm的准分子激光分 别在空气、氧气、氮气环境下对其进行辐照(气压均为一个标准大气压)； 脉冲激光频率为3Hz，单脉冲能量密度为0.5J/cm²，脉冲数为90。离焦量4cm， 使用复眼结构对出射激光进行整形，作用在样品上的光斑面积1cm²，即1cm ×1cm大小的正方形光斑。辐照前后得到的样品均采用磁控溅射的方法在样 品表面淀积Ni(30nm)/Au(100nm)金属电极。

对经上述步骤得到的样品进行载流子浓度、表面电阻率以及载 流子迁移率的测试。结果表明辐照后样品表面的欧姆接触特性均会较辐照前 发生变化，在这几组数据中，可以看到不同的辐照气氛下，上述三种材料表 面的电学性能均出现了不同于辐照前的变化，在氮气气氛进行辐照的样品其 电学性能改善的程度最多，这可归因于在单脉冲能量或辐照脉冲数较大时， 表面过多的氧化物生成不益于对其表面的电学性质改善。

实施例2：

将氮化镓外延片用玻璃刀切割成每个尺度约为1cm×1cm大 小的正方形样品；浸入丙酮溶剂超声清洗5分钟后，冲洗；浸入酒精溶剂超 声清洗5分钟后，冲洗；浸入去离子水中超声清洗10分钟后，冲洗，干燥。 将经过预处理的氮化镓外延片放在靶台上，用波长为248nm的准分子激光在 大气环境下对其进行辐照；脉冲激光频率为3Hz，单脉冲能量密度为0.2-0.6 J/cm²，脉冲数为60、90、120。离焦量4cm，使用复眼结构对出射激光进行 整形，作用在样品上的光斑面积1cm²，即1cm×1cm大小的正方形光斑。在 通过清洗、蒸发ITO、台阶(mesa)光刻、ICP刻蚀、去胶、ITO合金、HF 酸清洗、图形电极(patterned pad)光刻溅射Ti/Au、剥离Ti/Au、合金、探针 台测试等小功率LED工艺流程本步骤，对其进行LED发光性能的测试，主要 有反向漏电流、光出射功率、发光效率等LED特性参数。

表1为载流子浓度，表面电阻率，载流子迁移率在不同辐照气氛下 辐照前后的变化情况。可以看到不同的辐照气氛下，上述三种材料表面的电 学性能均出现了不同于辐照前的变化，在氮气下其电学性能改善的程度最多。 辐照后电学性能的改善会使封装后的LED发光性能产生变化。