GaN基蓝光LED管芯的制作工艺技术研究

韩彦军 薛松 吴桐 郭文平 罗毅

清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室，北京，100084

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摘要：利用低压金属有机化合物气相外延（LP－MOVPE）设备获得了高质量的InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构的蓝光发光二极管（LED）材料。在此基础上，通过优化P电极、感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀和n电极制作中的各项工艺参数，制作出了在正向电流为20mA时，工作电压力3.4一3.5V左右，峰值波长为470nm，输出功率为1．5mW的高亮度的蓝光LED。

关键词：LED   p电极   ICP干法刻蚀   n电极

1、引言

作为三原色之一的蓝光发光器件如LED可广泛应用于大屏幕全彩显示屏，交通信号灯和众多的消费电子领域。III族氮化物半导体是直接带隙材料，从而有较高的发光效率，其带隙能量覆盖了从1.9eV到6.2eV的范围，特别是InGaN合金最适合作蓝绿光发光器件的有源区。进人90年代后。随着III族氮化物材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，特别是日本日亚公司在GaN蓝绿光LED器件取得成功以后，III族氮化物材料和器件逐渐成为研究的热点。近年来，虽然基于GaN的蓝光LED已经批量生产并得到了一定程度的应用，但其制造技术一直作为高度机密被国外大公司所垄断，很多技术问题尚需仔细研究。本文对高亮度InGaN/GaNMQW蓝光LED制作过程中的一些重要参数进行了讨论。

    2、实验

    LED结构由低压金属有机化合物气相外延(LP—MOVPE)设备进行外延生长，如图1所示。GaN缓冲层的厚度为25nm，n型GaN层的电子浓度为3x1018 cm-3，厚度为2цm，p型GaN层的空穴浓度为3X1017cm-3，厚度为260cm。详细的生长条件可参阅参考文献[2]

  
    在材料生长完成后，先进行材料退火，然后制作 Ni/Au透明电极和Ni/Au焊盘，接下来用等离子体增强的化学气相沉积（PECVD）设备沉积SiO2作掩膜，用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀设备进行干法刻蚀，并腐蚀掉剩余的SiO2，最后制作n电极，完成LED的制作工艺。在此过程中测量相邻p电极之间、相邻n电极之间和p－n结的电流一电压（I一V）特性。

    3、结果和讨论

难以获得高空穴浓度的批p型掺杂和低接触电阻的p电极是制约LED器件性能提高的最大障碍。掺Mg的GaN并不直接表现为低电阻率p型导电，因为在外延层中形成了Mg一H络合物，从而钝化了受主。为此需要通过退火激活受主，一般工艺条件是在氮气中高温退火。目前，在O2中退火引起了人们的注意。另一方面，合适的p－GaN的表面处理方法对降低Ni/Au接触电阻至关重要。图 2表示了两种不同表面处理方法对LED外延层上两相邻Ni/Au电极之间I—V特性的影响。由图可见，表面处理方法II可以极大地降低p透明电极的接触电阻。

 
制作完Ni/Au透明电极和焊盘以后，在反应室温度为3000C，压强为1Torr，RF功率为20W，SiH流量为170sccm，N2O流量为710sccm的条件下利用PECVD沉积厚度为360nm的SiO2。通过光刻、腐蚀等工艺，形成刻蚀划片槽和n电极槽的图形。与其它化合物半导体相比，III族氮化物半导体有强烈的束缚能。GaN、AIN、InN的束缚能为8.9eV、11.5eV、7.7eV。而GaAs的束缚能只有6.5eV。这样强烈的束缚能和宽带隙使III族氮化物本质上为化学惰性的，并在室温下抵抗酸和碱的腐蚀，故常采用干法刻蚀GaN材料。相对于其它干法刻蚀技术。ICP刻蚀具有刻蚀速度快，边墙垂直，损伤小，均匀性好等优点，所以我们选择ICP刻蚀设备来刻蚀GaN。在压强为20mTorr，RF功率为125W，ICP功率为1750W，Cl2流量为60sccm，H2流量为15sccm的条件下进行刻蚀，刻蚀深度约为400nm。然后腐蚀掉剩余的SiO2，制作n电极。整个器件的扫描电子显微镜（SEM）照片如图3所示。

        n电极的欧姆接触电阻、附着力、可焊性等方面都对蓝光LED器件的性能和寿命有着重要的影响。用纯AI可以制作出低接触电阻的n型欧姆接触、但AI的附着力差，容易氧化，并且不利于和An线进行焊接。最常用的 n电极材料是Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，但是需要高温（常达9000C）或长时间（可达30分钟）的退火，不仅使器件制作工艺复杂化，而且会严重影响器件的电光特性。为此我们设计了新型的n电极结构和退火条件。在电极面积约为100цm╳100цm，间隔为300цm时，我们采用的电极结构在退火前后的I－V特性如图4所示。

 
 
采用优化的工艺步骤，得到的蓝光LED的正向I—V特性如图5所示。在正向电流为2mA时．工作电压为3.4—3.5左右，峰值波长为470nm管芯光输出功率为1.5mW。

4、结论

通过优化各项工艺参数，特别是电极制作和ICP刻蚀过程中的各种条件，我们成功地在本实验室外延生长的InGaN MQW LED外延片上制作出了高亮度的蓝光LED，当正向电流为20mA时，工作电压为3.4－3.5V左右，峰值波长为470nm，输出功率为1.5mW。