一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公提供了一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法，包括外延片衬底和制备在外延片衬底上的多层结构，所述多层结构由下层至上层依次为氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层。本发明专利技术通过对氮化镓基发光二极管芯片形状进行设计，使氮化镓基发光二极管芯片的侧壁全部为m面或侧壁面的大部分为m面和弧面。采用四甲基氢氧化铵溶液对所述外延层进行蚀刻，在氮化镓基发光二极管芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁的m面和弧面上形成纳米棱镜结构，产生表面粗化效果，提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率。

A GaN-based light emitting diode chip with nano-prism on its side wall and its preparation method

The invention provides a GaN-based light emitting diode chip with nano-prism structure on the side wall and a preparation method thereof, including an epitaxy substrate and a multi-layer structure prepared on the epitaxy substrate. The multi-layer structure consists of a GaN buffer layer, an n-type GaN layer, a multi-quantum well active region, a p-type GaN-Al layer and a p-type GaN layer from the lower layer to the upper layer. By designing the shape of the GaN-based light emitting diode chip, the side walls of the GaN-based light emitting diode chip are all m-planes or most of the side walls are m-planes and arcs. The epitaxy layer is etched with tetramethylammonium hydroxide solution. The nanoprism structure is formed on the M and arc surfaces of the side walls of GaN-based light emitting diode chips and n-type GaN-based light emitting diode chips, resulting in surface roughening effect and improving the light extraction efficiency of GaN-based light emitting diode chips.

【技术实现步骤摘要】
一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法
本专利技术涉及半导体发光二极管
，具体地说，本专利技术涉及一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制备方法。
技术介绍
发光二极管具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，被认为是二十一世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高新
之一。影响发光二极管芯片发光效率的因素主要有两个：内量子效率和取光效率。内量子效率是电子转化为光子的效率，光提取效率是有源区产生的光子从发光二极管内部出射的效率。表面粗化技术是一种非常有效的提高光提取效率的方法。由于氮化镓材料的折射率与空气折射率差较大，当发光二极管芯片多量子阱层产生的光出射到空气时，全反射角为23.6°，当出射角大于23.6°时，光子被反射回LED内部，降低了光提取效率。通过在发光二极管芯片上制备表面粗化结构，可以有效增大光子逃逸角，提高光提取效率。目前已有的表面粗化方法大多是在氮化镓基发光二极管芯片的上表面制备表面粗化结构。专利CN102157640在氮化镓基发光二极管芯片p型氮化镓层的表面制备粗化结构，专利CN102790154在氮化镓基发光二极管芯片的ITO层表面制备粗化结构。发光二极管多量子阱层产生光的出射界面可能在上下表面，也可能在侧壁上，在侧壁上制备纳米棱镜结构，可以有效地提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率。氮化镓晶体属于六方晶系结构，六个侧面均为m面，顶面为c面，如图5所示，在蓝宝石衬底上生长的外延层相对衬底旋转30°，衬底平边所在侧面是a面，如图5所示。GaN外延层的平边所在侧面是m面，衬底平边与外延片平边是重合的。以平边作为参考面，在GaN外延层上平行于平边或与平边夹角为60°或120°的面即是m面。氮化镓晶体的c面和a面的化学稳定性比m面好，刻蚀较为困难。m面化学化学稳定性差，容易被刻蚀，在上面形成纳米棱镜结构，产生表面粗化效果。
技术实现思路
为了提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效率，本专利技术提出了一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片及其制造方法。本专利技术是这样实现的：一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，包括下列步骤：步骤一、在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层，形成外延片结构；步骤二、采用ICP刻蚀工艺，对所述芯片的p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层进行刻蚀，直至暴露出n型氮化镓层，在n型氮化镓层上刻蚀出台面结构，使台面结构的侧壁为氮化镓晶体的m面和/或弧面；步骤三、对所述p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层及氮化镓缓冲层进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底上表面，在所述外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀方向使所述氮化镓缓冲层和n型氮化镓层的侧壁均为氮化镓晶体的m面或侧壁面积的大部分为m面；步骤四、采用四甲基氢氧化铵溶液对所述芯片阵列进行湿法刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁，以及台面的侧壁形成纳米棱镜结构；步骤五、在p型氮化镓表面沉积ITO透明导电层，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触；步骤六、在n型氮化镓层的台面上制备n电极，在ITO透明导电层上制备p电极；步骤七、沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接；步骤八、激光划片后裂片，得到所需侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片。优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正六边形，步骤二刻蚀出台面结构位于其对角线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面和弧面上。优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为内角为60°和120°的平行四边形，步骤二刻蚀出台面结构位于其对角线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正三角形，步骤二刻蚀出台面结构位于三角形的中线上，形状为正三角形；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面上。优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于短边中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁长边所在的侧壁面和台面侧壁的直面和弧面上。优选地，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为短边为波浪边的矩形，步骤二刻蚀出台面结构位于波浪边的中线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于在氮化镓缓冲层和n型氮化镓层直边和波浪边所在的侧壁面以及台面的直面和弧面上。优选地，所述步骤四中，使用的刻蚀溶液的质量百分比浓度为12.6％±2％，刻蚀的温度为85±2℃，刻蚀时间为2.5±0.2分钟。作为优选，以外延片的平边为参考标准，在步骤三形成芯片阵列时，当所述芯片俯视图形状为正六边形时，所述正六边形至少有一条边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为内角为60°和120°的平行四边形时，所述平行四边形的至少有一条边与所述平边平行或与平边夹角为60°。当所述芯片俯视图形状为正三角形时，所述正三角形有一条边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为矩形时，所述矩形的长边与所述平边平行。当所述芯片俯视图形状为短边为波浪边的矩形时，所述波浪边与所述平边垂直。本专利技术还提供一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片，采用上述的方法制备得到。本专利技术提供了一种增大氮化镓基发光二极管芯片侧壁粗化面积的方法。通过控制掩膜图案的形状和方向，刻蚀出形状为正六边形、平行四边形、正三角形、矩形或含有波浪边矩形的氮化镓基发光二极管芯片，并刻蚀出侧壁由m面围成的台面或m面和弧面围成的台面，使芯片侧壁面以及台面侧壁面全部或大部分为容易被刻蚀的m面和弧面。经过四甲基氢氧化铵溶液的刻蚀后，在所述外延片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁的m面和弧面上形成纳米棱镜结构，可以有效提高氮化镓基发光二极管芯片的光提取效。附图说明利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制。图1为本专利技术实施实例提供的一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制造流程图；图2为本专利技术实施例一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的结构图；图3为本专利技术提供的氮化镓缓冲层侧壁的m面、a面和弧面的粗化效果的扫描电镜图，其中a处所在代表a面、b处所在代表m面、c处所在代表弧面；图4为本专利技术提供的粗化效果与刻蚀时间对比图，其中a、b、c分别为实施例1、2、3所得二极管芯片的纳米棱镜结构；图5为本专利技术提供的衬底及其上面生长的氮化镓外延层的形状及平边所在侧面示意图；图6为氮化镓晶体的面示意图，其中左图为氮化镓晶体的立体结构示意图，右图为氮化镓晶体的俯视图；图7为三角形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；图8为矩形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；图9为平行四边形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；图10为正六边形形状的氮化镓基发光二极管芯片结构示意图；图11为具有波浪边的矩形形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层，形成外延片结构；步骤二、采用ICP刻蚀工艺，对所述芯片的p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层进行刻蚀，直至暴露出n型氮化镓层，在n型氮化镓层上刻蚀出台面结构，使台面结构的侧壁为氮化镓晶体的m面和/或弧面；步骤三、对所述p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层及氮化镓缓冲层进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底上表面，在所述外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀方向使所述氮化镓缓冲层和n型氮化镓层的侧壁均为氮化镓晶体的m面或侧壁面积的大部分为m面；步骤四、采用四甲基氢氧化铵溶液对所述芯片阵列进行湿法刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁，以及台面的侧壁形成纳米棱镜结构；步骤五、在p型氮化镓表面沉积ITO透明导电层，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触；步骤六、在n型氮化镓层的台面上制备n电极，在ITO透明导电层上制备p电极；步骤七、沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接；步骤八、激光划片后裂片，得到所需侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片。...

【技术特征摘要】
1.一种侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源区、p型氮化镓铝层、p型氮化镓层，形成外延片结构；步骤二、采用ICP刻蚀工艺，对所述芯片的p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层进行刻蚀，直至暴露出n型氮化镓层，在n型氮化镓层上刻蚀出台面结构，使台面结构的侧壁为氮化镓晶体的m面和/或弧面；步骤三、对所述p型氮化镓层、p型氮化镓铝层、多量子阱有源区、n型氮化镓层及氮化镓缓冲层进行刻蚀，刻蚀深度直至蓝宝石衬底上表面，在所述外延片上形成具有隔离沟槽的芯片阵列，刻蚀方向使所述氮化镓缓冲层和n型氮化镓层的侧壁均为氮化镓晶体的m面或侧壁面积的大部分为m面；步骤四、采用四甲基氢氧化铵溶液对所述芯片阵列进行湿法刻蚀，在所述芯片的氮化镓缓冲层和n型氮化镓层侧壁，以及台面的侧壁形成纳米棱镜结构；步骤五、在p型氮化镓表面沉积ITO透明导电层，在550℃氮气环境中退火，形成p型欧姆接触；步骤六、在n型氮化镓层的台面上制备n电极，在ITO透明导电层上制备p电极；步骤七、沉积SiO2钝化保护层，采用光刻和BOE工艺进行刻蚀，使金属焊盘裸露在外以备电性连接；步骤八、激光划片后裂片，得到所需侧壁具有纳米棱镜结构的氮化镓基发光二极管芯片。2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤三刻蚀所得氮化镓基发光二极管芯片俯视图形状为正六边形，步骤二刻蚀出台面结构位于其对角线上，形状为U型槽；步骤四纳米棱镜结构生长于氮化镓缓冲层、n型氮化镓层侧壁面以及台面侧壁的直面和弧面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：周圣军，万辉，李宁，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42