CN101345274A - 一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，包括：在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；光刻出光刻胶图形阵列；以光刻胶图形阵列作掩膜，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；将蓝宝石衬底清洗干净；形成横截面为三角形的金字塔结构；在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。

Description

一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法。该方法可以有效地提高GaN基LED材料的内量子发光效率和光提取效率。
背景技术
发光二极管(LED)是一种能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。氮化镓(GaN)基LED作为固态光源一经出现便以其高效、长寿命、环保等优点，被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的第二次革命，成为国际上半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。但目前GaN基LED进入通用照明领域，在技术和成本上还面临诸多难题，需进一步提高LED的内量子发光效率和光提取效率。
目前蓝宝石衬底是氮化物进行异质外延生长最为常用的衬底之一。由于蓝宝石衬底和氮化物外延层间存在很大晶格常数失配和热膨胀系数差异，因此氮化物外延层中存在很大的残余应力和诸多晶体缺陷，影响了材料的晶体质量，限制了器件光电性能的进一步提高。同时，GaN和空气间存在较大的折射率的差异，光的出射角很小，绝大部分被全反射又回到LED器件内部，这既降低了光的提取效率又增加了散热难度，影响了LED器件的稳定性。采用图形化蓝宝石衬底技术可以缓解异质外延生长中蓝宝石衬底和氮化物外延层由于晶格失配引起的应力，使之得到有效的弛豫，大大降低氮化物材料中的位错密度，提高器件的内量子效率。同时，为了提高GaN基LED的光提取效率，人们也进行了多方面的研究，如采用粗化表面方法、采用光子晶体结构等。为了更有效地提高LED的发光效率，发展成本低、易于实现的蓝宝石衬底图形化技术和高光提取效率的器件结构势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，这种方法可以有效地降低GaN基LED材料中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高LED的内量子发光效率，由于采用了特定衬底的处理方法其表面的V形坑阵列结构能有效地增强GaN基LED的光提取效率。本图形化蓝宝石衬底技术还具有工艺简单、成本低以及能避免晶体损伤等优点。
本发明提供一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；
步骤2：利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列，其图形单元为圆形；
步骤3：以光刻胶图形阵列作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；
步骤4：以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；
步骤5：利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜，并将蓝宝石衬底清洗干净；
步骤6：继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，形成横截面为三角形的金字塔结构；
步骤7：利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；
步骤8：在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，控制生长条件，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；
步骤9：在具有V形坑阵列结构的n型GaN层上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
其中所述的二氧化硅膜的厚度为20纳米-2微米。
其中所述的圆形的光刻胶图形阵列，图形单元的尺寸和间距为0.5微米-10微米。
其中所述的硫酸和磷酸混合液体积比为1∶3-3∶1。
其中所述的湿法刻蚀的温度在320℃-520℃之间，刻蚀的时间为30秒-30分钟。
其中所述的用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底的时间为30s到5min。
其中所述的生长低温成核层的生长温度为400℃到600℃。
其中所述的低温成核层的厚度为10纳米到100纳米；
其中所述的具有V形坑结构的多量子阱层为InxGa1-xN/GaN、InxGa1-xN/InyGa1-yN、AlxIn1-xGaN/GaN、AlxIn1-xGaN/AlyGa1-yN、GaN/AlxGa1-xN或AlxGa1-xN/AlyGa1-yN中的一种或几种组合。
本发明提供的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，这种方法可以有效地降低GaN基LED材料中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高LED的内量子发光效率，由于采用了特定衬底的处理方法其表面的V形坑阵列结构能有效地增强GaN基LED的光提取效率。本图形化蓝宝石衬底技术还具有工艺简单、成本低以及能避免晶体损伤等优点。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施的实例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是蓝宝石衬底光刻图形后的结构截面示意图；其中1为蓝宝石衬底，2为二氧化硅膜，3为光刻胶图形阵列；
图2是以光刻胶图形阵列3为掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液刻蚀二氧化硅膜2后的截面示意图；其中1为蓝宝石衬底，2为刻蚀后的图形二氧化硅膜，3是光刻胶图形阵列；
图3是利用图形结构的二氧化硅膜2为掩膜，采用一硫酸和磷酸混合(体积比3∶1)湿法刻蚀蓝宝石衬底1，将图形刻蚀到蓝宝石衬底后的剖面示意图；其中1为图形化的蓝宝石衬底，2是二氧化硅膜；
图4是稀氢氟酸湿法刻蚀去掉残余的二氧化硅膜1，并将蓝宝石衬底1清洗干净后的剖面示意图；其中1为蓝宝石图形化衬底；
图5是继续用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀图形结构的蓝宝石衬底1，形成横截面为三角形的金字塔结构。其中1为图形化的蓝宝石衬底；
图6是在蓝宝石图形衬底1上生长低温成核层4，高温生长的低位错密度并且表面具有V形坑阵列结构的n型GaN层5；其中1为图形化的蓝宝石衬底，4为低温成核层，5为具有V形坑阵列结构的n型GaN层；
图7是在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5上继续生长的多量子阱层6和p型GaN层7，表面也具有V形坑阵列结构。其中1为蓝宝石图形化衬底，4为低温成核层，5为n型GaN层，6为多量子阱层，7为表面具有V形坑结构的p型GaN层。
具体实施方式
请参阅图1-图7所示，本发明一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底1上淀积一层二氧化硅膜2(参阅图1)，该二氧化硅膜2的厚度为20纳米-2微米；
步骤2：利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列3，其图形单元为圆形，该圆形的光刻胶图形阵列3，图形单元的尺寸和间距为0.5微米-10微米；
步骤3：以光刻胶图形阵列3作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜2(参阅图2)；
步骤4：以具有图形结构的二氧化硅膜2作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底1(参阅图3)，将图形刻蚀到蓝宝石衬底1上，该硫酸和磷酸混合液体积比为1∶3-3∶1，该湿法刻蚀的温度在320℃-520℃之间，刻蚀的时间为30秒-30分钟；
步骤5：利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜2，并将蓝宝石衬底1清洗干净(参阅图4)；
步骤6：继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底1，时间为30s到5min，形成横截面为三角形的金字塔结构(参阅图5)；
步骤7：利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝石衬底1上生长低温成核层4，生长温度为400℃到600℃，厚度为10纳米到100纳米(参阅图6)；
步骤8：在低温成核层4上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层5，控制生长条件，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；
步骤9：在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层6和p型材料层7(参阅图7)，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
其中所述的具有V形坑结构的多量子阱层6为InxGa1-xN/GaN、InxGa1-xN/InyGa1-yN、AlxIn1-xGaN/GaN、AlxIn1-xGaN/AlyGa1-yN、GaN/AlxGa1-xN或AlxGa1-xN/AlyGa1-yN中的一种或几种组合。
下面通过具体的实施例进一步阐述本发明的技术特点和显著的进步。
本实施例为一种利用图形蓝宝石衬底提高GaN基LED发光效率的制作方法。
首先在2英寸c面蓝宝石衬底1上采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积0.3微米的二氧化硅膜2，然后利用常规光刻技术制作周期性的光刻胶图形阵列3，图形单元为圆形，直径及间距为3微米，光刻后的结构剖面如图1所示；
接着以光刻胶图形阵列3作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液，将光刻图形阵列3刻蚀到二氧化硅膜2上，结构剖面如图2所示；
然后以图形结构的二氧化硅膜2为掩膜，利用硫酸和磷酸混合液(体积比3∶1)在400度下湿法刻蚀c面蓝宝石衬底1，时间为10分钟，结构剖面如图3所示；
利用稀氢氟酸将残余的二氧化硅膜2湿法刻蚀去掉，结构剖面如图4所示；
继续用硫酸和磷酸的混合液(体积比3∶1)在400度下湿法刻蚀图形结构的蓝宝石衬底1，使之表面形成金字塔状的图形阵列，结构剖面如图5所示；
利用MOCVD设备(VEECO公司P125型商用机)在图形化的蓝宝石衬底1上生长低温GaN成核层4，然后再高温生长低位错密度并且表面具有V形坑阵列结构的n型GaN层5，结构剖面如图6所示；
在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5上继续生长In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱6和p型GaN层7，最终的表面也具有V形坑阵列结构，结构剖面如图7所示；
刻蚀后的c面蓝宝石衬底1的图形单元为台面结构，台面高度为1.3微米。由于湿法刻蚀的各向异性，横截面为三角形，侧面为近正三角形结构，由{11-20}、{-2110}和{1-210}晶面构成。
上述实施例描述了利用图形化蓝宝石衬底提高GaN基LED发光效率的方法。由于衬底刻蚀工艺不涉及RIE或ICP等干法刻蚀过程，因此制备的图形蓝宝石衬底1能免于干法刻蚀损伤。同时，GaN基LED器件结构表面形成的V形坑阵列可以有效地提高LED的光提取效率，从而能进一步提高GaN基LED的发光效率。

Claims (9)

1、一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；
步骤2：利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列，其图形单元为圆形；
步骤3：以光刻胶图形阵列作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；
步骤4：以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；
步骤5：利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜，并将蓝宝石衬底清洗干净；
步骤6：继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，形成横截面为三角形的金字塔结构；
步骤7：利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；
步骤8：在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，控制生长条件，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；
步骤9：在具有V形坑阵列结构的n型GaN层上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
2、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的二氧化硅膜的厚度为20纳米-2微米。
3、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的圆形的光刻胶图形阵列，图形单元的尺寸和间距为0.5微米-10微米。
4、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的硫酸和磷酸混合液体积比为1∶3-3∶1。
5、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的湿法刻蚀的温度在320℃-520℃之间，刻蚀的时间为30秒-30分钟。
6、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底的时间为30s到5min。
7、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的生长低温成核层的生长温度为400℃到600℃。
8、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的低温成核层的厚度为10纳米到100纳米；
9、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的具有V形坑结构的多量子阱层为InxGa1-xN/GaN、InxGa1-xN/InyGa1-yN、AlxIn1-xGaN/GaN、AlxIn1-xGaN/AlyGa1-yN、GaN/AlxGa1-xN或AlxGa1-xN/AlyGa1-yN中的一种或几种组合。
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