專利名稱：一種利用圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種利用
圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法。該方法
可以有效地提高GaN基LED材料的內(nèi)量子發(fā)光效率和
光提取效率。
背技術(shù)
發(fā)光二極管(LED)是一種能將電信號轉(zhuǎn)換成光信
號的結(jié)型電致發(fā)光半導(dǎo)體器件。氮化鎵(GaN)基LED
作為固態(tài)光源一經(jīng)出現(xiàn)便以其高效、長壽命、環(huán)保等
優(yōu)占 "、 ，被譽(yù)為繼愛迪生發(fā)明電燈后人類照明史上的第
次革命， 成為國際上半導(dǎo)體和照明領(lǐng)域研發(fā)與產(chǎn)業(yè)
關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前GaN基LED進(jìn)入通用照明領(lǐng)域，在技術(shù)和成本上還面臨諸多難題，需進(jìn)一步提咼LED
的內(nèi)發(fā)光效率和光提取效率。
目前拔 nix寶石襯底是氮化物進(jìn)行巳 幵質(zhì)外延生長最為
常用的襯底之 一 。由于^始:石襯底和氮化物外延層間
存在曰 曰曰格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)差幵，因此氮化
物外延層中存在很大的殘余應(yīng)力和諸多曰 曰曰體缺陷，影
響了材料的晶體質(zhì)量，限制了器件光電性能的進(jìn) 一 步
提高。同時(shí)，GaN和空氣間存在較大的折射率的差異，
光的出射角很小，絕大部分被全反射又回到LED器件
內(nèi)部，這既降低了光的提取效率又增加了散熱難度，
影響了LED器件的穩(wěn)定性。采用圖形化藍(lán)寶石襯底技
術(shù)可以緩解異質(zhì)外延生長中藍(lán)寶石襯底和氮化物外延
層由于曰 曰曰格失配引起的應(yīng)力，使之得到有效的弛豫，
大大降低氮化物材料中的位錯(cuò)密度，提高器件的內(nèi)量
子效率同時(shí)，為了提高GaN基LED的光提取效率，
人們也進(jìn)々)了多方面的研究，如采用粗化表面方法、
采用光子晶體結(jié)構(gòu)等。為了更有效地提高LED的發(fā)光
效率，發(fā)展成本低、易于實(shí)現(xiàn)的藍(lán)寶石襯底圖形化技術(shù)和高光提取效率的器件結(jié)構(gòu)勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供 一 種利用圖形化襯底提
高GaN基LED發(fā)光效率的方法，這種方法可以有效地 降低GaN基LED材料中的位錯(cuò)密度，避免裂紋的產(chǎn)生，
提高外延材料的晶體質(zhì)量和均勻性，進(jìn)而能提高LED
的內(nèi)量子發(fā)光效率，由于采用了特定襯底的處理方法
其表面的V形坑陣列結(jié)構(gòu)能有效地增強(qiáng)GaN基LED的 光提取效率。本圖形化藍(lán)寶石襯底技術(shù)還具有工藝簡 單、成本低以及能避免晶體損傷等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種利用圖形化襯底提高GaN基LED 發(fā)光效率的方法，其特征在于，包括如下歩驟
步驟1 :在藍(lán)寶石襯底上淀積 一 層二氧化硅膜；
步驟2 :利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列， 其圖形單元為圓形；
步驟3 :以光刻膠圖形陣列作掩膜，利用氫氟酸+ 氟化氨+H 2 0混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅 膜；
步驟4:以具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜作為掩膜，
利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石襯底，將圖
形刻蝕到藍(lán)寶石襯底上；
步驟5:利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化硅膜， 并將藍(lán)寶石襯底清洗干凈；
步驟6 :繼續(xù)用硫酸和磷酸混合液濕法刻蝕藍(lán)寶 石襯底，形成橫截面為三角形的金字塔結(jié)構(gòu)；
步驟7 :利用有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在圖形藍(lán)寶 石襯底上生長低溫成核層；步驟8:在低溫成核層上繼續(xù)升高溫度生長n型
摻雜的GaN層，控制生長條件，生長出低位錯(cuò)密度且
表面有V形坑陣列結(jié)構(gòu)；
止 少驟9 :在具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN層上
繼續(xù)生長LED結(jié)構(gòu)材料所需的多量子阱層和p型材料
層，并使最終的表面仍具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)。
其中所述的二氧化硅膜的厚度為2 0納米-2微米。
其中所述的圓形的光刻膠圖形陣列，圖形單元的
尺寸和間距為0 . 5微米-1 0微米。
其中所述的硫酸和磷酸混合液體積比為1 : 3 -
3 :1 。
其中所述的濕法刻蝕的溫度在3 2 0 °C - 5 2 0
°c之間，刻蝕的時(shí)間為3 0秒-3 0分鐘。
其中所述的用硫酸和磷酸混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石
襯底的時(shí)間為30 s至lj 5 min。
苴 z 、中所述的生長低溫成核層的生長溫度為4 0 0
°c到600°c
苴 z 、中所述的低溫成核層的厚度為1 0納米到1 0
0納米
其中所述的具有V形坑結(jié)構(gòu)的多量子阱層為InxGa
N/GaN、 IrixGai』/InyGahN、 AlxIn丄—xGaN/GaN、 AlxIn GaN/AlyGa丄—yN、 GaN/A1 xGa丄_XN或A 1 xGa i-XN/A 1 yGa丄-yN
中的—.種或幾種組合。
本發(fā)明提供的 一 種利用圖形化襯底提高GaN基LED
發(fā)光效率的方法，這種方法可以有效地降低GaN基LED
材料中的位錯(cuò)密度，避免裂紋的產(chǎn)生，提高外延材料
的曰 日日體質(zhì)量和均勻性，進(jìn)而能提高LED的內(nèi)量子發(fā)光
效率，由于采用了特定襯底的處理方法其表面的v形
坑陣列結(jié)構(gòu)能有效地增強(qiáng)GaN基LED的光提取效率。
本圖形化藍(lán)寶石襯底技術(shù)還具有工藝簡單、成本低以
及能避免晶體損傷等優(yōu)點(diǎn)。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施的
實(shí)例對本發(fā)明作 一 詳細(xì)的描述，其中
圖1是藍(lán)寶石襯底光刻圖形后的結(jié)構(gòu)截面示意 圖；其中l(wèi)為藍(lán)寶石襯底，2為二氧化硅膜，3為光 刻膠圖形陣列；
圖2是以光刻膠圖形陣列3為掩膜，利用氫氟酸+ 氟化氨2 0混合液刻蝕二氧化硅膜2后的截面示意 圖；其中l(wèi)為藍(lán)寶石襯底，2為刻蝕后的圖形二氧化 硅膜，3是光刻膠圖形陣列；
圖3是利用圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜2為掩膜，采
用硫酸和磷酸混合(體積比3 :1 )濕法刻蝕藍(lán)寶
石襯底1，將圖形刻蝕到藍(lán)寶石襯底后的剖面示意其中1為圖形化的藍(lán)寶石襯底，2是二氧化硅膜；
圖4是稀氫氟酸濕法刻蝕去掉殘余的二氧化硅膜
1，并將寶石襯底1清洗干凈后的剖面示意圖 ，其
中1為寶石圖形化襯底；
圖5是繼續(xù)用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕圖形
結(jié)構(gòu)的寶石襯底l，形成橫截面為三角形的金字塔
結(jié)構(gòu)。中i為圖形化的藍(lán)寶石襯底；
圖6是在藍(lán)寶石圖形襯底1上生長低溫成核層
4，咼溫生長的低位錯(cuò)密度并且表面具有V形坑陣列
結(jié)構(gòu)的型GaN層5 ;其中1為圖形化的藍(lán)寶石襯底，
4為低溫成核層，5為具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN
層
圖7是在具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN層5上
繼續(xù)生長的多量子阱層6和p型GaN層7，表面也具
有V形坑陣列結(jié)構(gòu)。其中l(wèi)為藍(lán)寶石圖形化襯底，4 為低溫成核層，5為n型GaN層，6為多量子阱層，7 為表面具有V形坑結(jié)構(gòu)的p型GaN層。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖1 一圖7所示，本發(fā)明 一 種利用圖形化
襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，包括如下步驟
步驟1 :在藍(lán)寶石襯底1上淀積 一 層二氧化硅膜 2 (參閱圖l)，該二氧化硅膜2的厚度為20納米-2微米；
步驟2 :利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列3 ，
其圖形單元為圓形，該圓形的光刻膠圖形陣列3，圖
形單元的尺寸和間距為0 . 5微米-1 0微米；
步驟3 :以光刻膠圖形陣列3作掩膜，利用氫氟
酸+氟化氨+H 2 0混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的一氧化
硅膜2 (參閱圖2 );
步驟4:以具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜2作為掩
膜，利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石襯底
(參閱圖3 )，將圖形刻蝕到藍(lán)寶石襯底1上，該硫酸
和磷酸混合液體積比為1 : 3 _ 3 : 1 ，該濕法刻蝕的
溫度在3 2 0 °C - 5 2 0 °C之間，刻蝕的時(shí)間為30秒
-3 0分鐘；
步驟5:利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化娃膜
2 ，并將藍(lán)寶石襯底1清洗干凈(參閱圖4 );
步驟6 :繼續(xù)用硫酸和磷酸混合液濕法刻蝕號寶
石襯底1 ，時(shí)間為3 0 s到5 mi n ，形成橫截面為二角形
的金字塔結(jié)構(gòu)(參閱圖5);
步驟7 :利用有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在圖形藍(lán)寶 石襯底1上生長低溫成核層4，生長溫度為4 00 °C
至U 6 0 0 °C ，厚度為1 0納米至U 1 0 0納米(參閱圖 6 );
步驟8:在低溫成核層4上繼續(xù)升高溫度生長n 型摻雜的GaN層5 ，控制生長條件，生長出低位錯(cuò)密 度且表面具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)；
步驟9 :在具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN層5 上繼續(xù)生長LED結(jié)構(gòu)材料所需的多量子阱層6和p型 材料層7 (參閱圖7)，并使最終的表面仍具有V形坑 陣列結(jié)構(gòu)。
其中所述的具有V形坑結(jié)構(gòu)的多量子阱層6為 IruGa!-xN/GaN、 I nxGa i —XN/1 nyGa i-yN 、 A 1XI n i—xGaN/GaN 、 AlJru-xGaN/AlyGahN、GaN/AlxGa卜xN或A1 xGa丄—XN/A1 yGa i -yN中的 一 種或幾種組合。
下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù) 特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
本實(shí)施例為 一 種利用圖形藍(lán)寶石襯底提高GaN基 LED發(fā)光效率的制作方法。
首先在2英寸c面藍(lán)寶石襯底l上采用等離子體 增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD )技術(shù)淀積0 . 3微米的二
氧化硅膜2 ，然后利用常規(guī)光刻技術(shù)制作周期性的光
刻膠圖形陣列3 ，圖形單元為圓形，直徑及間距為3
微米，光刻后的結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示；
接著以光刻膠圖形陣列3作掩膜，利用氫氟酸+氟
化氨+ H2 0混合液，將光刻圖形陣列3刻蝕到二氧化硅
膜2上，結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示；
然后以茵形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜2為掩膜，利用硫
酸和磷酸混合液(體積比3 : 1 )在4 0 0度下濕法刻
蝕c面藍(lán)寶石襯底1 ，時(shí)間為1 o分鐘，結(jié)構(gòu)剖面如圖
3所不;
利用稀氫氟酸將殘余的二氧化硅膜2濕法刻蝕去
掉，結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示；
繼續(xù)用硫酸和磷酸的混合液(體積比3 :1 )在4
00度下濕法刻蝕圖形結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底1 ，使之表
面形成金字塔狀的圖形陣列，結(jié)構(gòu)剖面如圖5所示；
利用MOCVD設(shè)備(VEECO公司Pl 2 5型商用機(jī))
在圖形化的藍(lán)寶石襯底1上生長低溫GaN成核層4 ，
然后再高溫生長低位錯(cuò)密度并且表面具有V形坑陣列
結(jié)構(gòu)的n型GaN層5 ，結(jié)構(gòu)剖面如圖6所示；
在具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN層5上繼續(xù)生
長In 0.2 Ga 0 . 8 N/GaN多量子阱6和p型GaN層7 ，
最終的表面也具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剖面如圖7所示；
刻蝕后的c面藍(lán)寶石襯底l的圖形單元為臺面結(jié) 構(gòu)，臺面高度為1 . 3微米。由于濕法刻蝕的各向異性，
橫截面為三角形，側(cè)面為近正三角形結(jié)構(gòu)，由{1 1-
2 0 } 、 {-2 1 1 0 }和{ 1 - 2 1 0 }晶面構(gòu)成。
上述實(shí)施例描述了利用圖形化藍(lán)寶石襯底提高 GaN基LED發(fā)光效率的方法。由于襯底刻蝕工藝不涉及 RIE或ICP等干法刻蝕過程，因此制備的圖形藍(lán)寶石襯 底1能免于干法刻蝕損傷。同時(shí)，GaN基LED器件結(jié)構(gòu) 表面形成的V形坑陣列可以有效地提高LED的光提取 效率，從而能進(jìn) 一 步提高GaN基LED的發(fā)光效率。
權(quán)利要求
1、一種利用圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在藍(lán)寶石襯底上淀積一層二氧化硅膜；步驟2利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列，其圖形單元為圓形；步驟3以光刻膠圖形陣列作掩膜，利用氫氟酸+氟化氨+H2O混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜；步驟4以具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜作為掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石襯底，將圖形刻蝕到藍(lán)寶石襯底上；步驟5利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化硅膜，并將藍(lán)寶石襯底清洗干凈；步驟6繼續(xù)用硫酸和磷酸混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石襯底，形成橫截面為三角形的金字塔結(jié)構(gòu)；步驟7利用有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在圖形藍(lán)寶石襯底上生長低溫成核層；步驟8在低溫成核層上繼續(xù)升高溫度生長n型摻雜的GaN層，控制生長條件，生長出低位錯(cuò)密度且表面具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)；步驟9在具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)的n型GaN層上繼續(xù)生長LED結(jié)構(gòu)材料所需的多量子阱層和p型材料層，并使最終的表面仍具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中所述的二氧化硅膜的厚度為2 0納米-2微米
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中所述的圓形的光刻膠圖形陣列，圖形單元的尺寸和間距為0 . 5微米-1 0微米。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圖形化襯底提咼GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中所述的硫酸和磷酸混合液體積比為1 :3 - 3:1
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圖形化襯底提咼GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，g巾所述的濕法刻蝕的溫度在3 2 0 'C -5 2 0 °C之間，刻蝕的時(shí)間為3 0秒-3 0分鐘。
6 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圖形化襯底提咼GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中所述的用硫酸和磷酸混合液濕法刻蝕藍(lán)寶石襯底的時(shí)間為3 0 s 到 5 m i n 。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種利用圖形化襯底 提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中 所述的生長低溫成核層的生長溫度為4 0 0 °C到6 0 0 °C 。
8 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種利用圖形化襯底 提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中 所述的低溫成核層的厚度為1 0納米到1 0 0納米；
9 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一 種利用圖形化襯底 提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，其中 所述的具有V形坑結(jié)構(gòu)的多量子阱層為InxGai—xN/GaN、 IruGai一xN/InyGahN、 AlxIni-xGaN/GaN、 AlxIni-xGaN/AlyGa 卜yN、 GaN/AlxGa丄墨xN或AlxGa丄—XN/A1 yGa丄—yN中的 一 禾中或 幾種組合。
全文摘要
一種利用圖形化襯底提高GaN基LED發(fā)光效率的方法，包括在藍(lán)寶石襯底上淀積一層二氧化硅膜；光刻出光刻膠圖形陣列；以光刻膠圖形陣列作掩膜，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜；以具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜作為掩膜，刻蝕藍(lán)寶石襯底，將圖形刻蝕到藍(lán)寶石襯底上；將藍(lán)寶石襯底清洗干凈；形成橫截面為三角形的金字塔結(jié)構(gòu)；在圖形藍(lán)寶石襯底上生長低溫成核層；在低溫成核層上繼續(xù)升高溫度生長n型摻雜的GaN層，生長出低位錯(cuò)密度且表面具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)；繼續(xù)生長LED結(jié)構(gòu)材料所需的多量子阱層和p型材料層，并使最終的表面仍具有V形坑陣列結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L33/00GK101345274SQ20071011863
公開日2009年1月14日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者揚(yáng) 張, 張會肖, 曾一平, 李晉閩, 王國宏, 閆發(fā)旺, 高永海 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所