CN105428470A - 一种高亮度外延芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度外延芯片结构及其制备方法，其中高亮度外延芯片结构包括蓝宝石复合衬底，并且该蓝宝石复合衬底包括图形化蓝宝石图形层，该图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连；使蓝宝石复合衬底的光提取率高。同时本发明的高亮度外延芯片结构还包括依次设在蓝宝石复合衬底上的AlN缓冲层、未参杂的GaN层、N型氮化镓层、有源发光层和P型氮化镓层。而采用本发明的制备方法得到的高亮度外延芯片结构，其提高了LED的取光功率，增加了LED的出光量，提高了LED的性能。
Description
技术领域
本发明属于微纳米电子制造技术领域，涉及半导体材料，具体涉及一种高亮度外延芯片结构的制备方法。
背景技术
随着近来LED散热技术的改进，室外照明的大功率LED路灯、投光灯等LED大功率照明灯具已经实现工业化生产并开始被大量应用。对色温和显色性要求很高的室内照明的舞台灯、影棚灯等也已实现量产并投入应用。适用范围最大、用量也最大的通用照明的T8、T5、T4、灯管和代替白炽灯和节能灯的螺口球泡灯以形成系列化，使用寿命已高达5万小时。LED照明已进入高速发展期。
通常，LED的氮化镓系薄膜外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。但是目前的蓝宝石衬底因其结构的限制，使其对发光二极管的光提取效率低，降低了发光二极管的性能。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高亮度外延芯片结构，该芯片结构提高了LED的取光功率，增加了LED的出光量，提高了LED的性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种高亮度外延芯片结构包括蓝宝石复合衬底，所述蓝宝石复合衬底包括图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连；还包括依次设在所述蓝宝石复合衬底上的AlN缓冲层、未参杂的GaN层、N型氮化镓层、有源发光层和P型氮化镓层。
优选方式为，所述蓝宝石复合衬底还包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设有掩膜层，所述掩膜层经过光刻或腐蚀形成图形掩膜层，通过所述图形掩膜层保护腐蚀所述蓝宝石基板形成所述图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上设有氧化铝层，所述氧化铝层厚度为10～14nm或101～500nm。
优选方式为，所述掩膜层的厚度为10～5000nm。
优选方式为，所述掩膜层为SiO2掩膜层，所述SiO2掩膜层上的图形按正方或六方排列设置。
本发明的第二目的在于提供一种高亮度外延芯片结构的制备方法，该方法制备的芯片结构，LED的取光功率得到了提高，LED的出光量得到了增加，还提高了LED的性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种上述的高亮度外延芯片结构的制备方法，包括以下步骤：
S5、先制备所述图形化蓝宝石图形层，使所述图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连，形成所述蓝宝石复合衬底；
S10、然后在所述蓝宝石复合衬底上溅射一层GaN层；
S15、最后利用MOCVD，在所述蓝宝石复合衬底上依次生长低温的所述AlN缓冲层、所述未参杂的GaN层、所述N型氮化镓层、所述有源发光层和所述P型氮化镓层，形成所述高亮度外延芯片结构。
优选方式为，所述蓝宝石复合衬底还包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设有掩膜层，所述掩膜层经过光刻或腐蚀形成图形掩膜层，通过所述图形掩膜层保护腐蚀所述蓝宝石基板形成所述图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上设有氧化铝层，所述氧化铝层厚度为10～14nm或101～500nm，所述步骤S5中，还包括步骤S4：
取一块所述蓝宝石基板，用硫酸双氧水清洗干净；
在所述蓝宝石基板上生长一层保护的掩膜层，所述掩膜层包括SiO2，所述掩膜层的厚度范围为10～5000nm;
在所述掩膜层上涂覆一层光刻胶，利用光刻技术，对没有图形的区域进行光刻，而使有图形的区域被光刻胶保护，形成图形掩膜层；
利用BOE溶液或RIE刻蚀去除没有光刻胶保护的所述图形掩膜层区域；
去除上述步骤中残余的光刻胶，形成所述图形化蓝宝石图形层；
利用硫酸和磷酸溶液，在所述图形掩膜层的保护下，腐蚀至所述蓝宝石基板，使所述图形掩膜层上相邻的图形底部粘连在一起，形成图形化蓝宝石图形层；
使用湿法清洗干净带有掩膜层的图形化蓝宝石基板；
利用溅射设备，在所述图形化蓝宝石图形层上沉积一层所述氮化铝，所述氧化铝的厚度为10～500nm，形成所述蓝宝石复合衬底。
优选方式为，所述步骤S4中，利用BOE在光刻胶图层的保护下对所述掩膜层进行腐蚀，得到图形按正方或六方排列设置的所述图形掩膜层。
优选方式为，所述步骤S4中，利用浓H2SO4与浓H3PO4的混合溶液腐蚀所述蓝宝石基板。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于本发明的高亮度外延芯片结构及其制备方法，其中高亮度外延芯片结构包括蓝宝石复合衬底，并且该蓝宝石复合衬底包括图形化蓝宝石图形层，该图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连；使蓝宝石复合衬底的光提取率高。同时本发明的高亮度外延芯片结构还包括依次设在蓝宝石复合衬底上的AlN缓冲层、未参杂的GaN层、N型氮化镓层、有源发光层和P型氮化镓层。而采用本发明的制备方法得到的高亮度外延芯片结构，其提高了LED的取光功率，增加了LED的出光量，提高了LED的性能。
附图说明
图1是本发明中蓝宝石基板上设有SiO2掩膜层时的结构示意图；
图2是本发明中蓝宝石复合基板上设有图形掩膜层连时的结构示意图;
图3是本发明中蓝宝石复合基板上设有图形化蓝宝石图形层的结构示意图;
图4是本发明中的蓝宝石复合衬底的结构示意图;
图5是本发明高亮度外延芯片结构的结构示意图;
图中：1—蓝宝石基板、2—SiO2掩膜层、3—图形掩膜层、4—图形化蓝宝石图形层、5—氧化铝层、6—AlN缓冲层、7—未参杂的GaN层、8—N型氮化镓层、9—有源发光层、10—P型氮化镓层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种高亮度外延芯片结构包括蓝宝石复合衬底，蓝宝石复合衬底包括图形化蓝宝石图形层4，图形化蓝宝石图形层4上相邻图形的底部相互粘连。蓝宝石复合衬底还包括蓝宝石基板1，蓝宝石基板1上设有掩膜层，掩膜层经过光刻或腐蚀形成图形掩膜层3，通过图形掩膜层3保护腐蚀蓝宝石基板1形成图形化蓝宝石图形层4，图形化蓝宝石图形层4上设有氧化铝层5，氧化铝层5厚度为10～14nm或101～500nm。其中掩膜层的厚度为10～5000nm。掩膜层为SiO2掩膜层2，SiO2掩膜层2上的图形按正方或六方排列设置。
本发明的高亮度外延芯片结构还包括依次设在蓝宝石复合衬底上的AlN缓冲层6、未参杂的GaN层7、N型氮化镓层8、有源发光层9和P型氮化镓层10。本实施例的N型氮化镓层8、有源发光层9和P型氮化镓层10的覆盖面积小于未参杂的GaN层7的覆盖面积。其中N型氮化镓层8包括N型氮化镓缓冲层和N型氮化镓层。
本发明的高亮度外延芯片结构的制备方法，包括以下步骤：
先制备图形化蓝宝石图形层4，使图形化蓝宝石图形层4上相邻图形的底部相互粘连，形成蓝宝石复合衬底；
然后在蓝宝石复合衬底上溅射一层GaN层；
最后利用MOCVD，在蓝宝石复合衬底上依次生长低温的AlN缓冲层6、未参杂的GaN层7、N型氮化镓层8、有源发光层9和P型氮化镓层10，形成高亮度外延芯片结构。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
本实施例中的蓝宝石复合衬底制备包括以下步骤：
取一块蓝宝石基板1，用硫酸双氧水清洗干净。
在蓝宝石基板1上生长一层保护的掩膜层，掩膜层包括SiO2，掩膜层的厚度范围为10～5000nm;本实施例在蓝宝石基板1上是使用含5%SiH4的SiH4/N2混合气和N2O气体利用等离子增强气相化学沉积沉积一层10～5000nm的SiO2掩膜层2。
在掩膜层上涂覆一层光刻胶，利用光刻技术，对没有图形的区域进行光刻，而使有图形的区域被光刻胶保护，形成图形掩膜层3；
利用BOE溶液或RIE刻蚀去除没有光刻胶保护的图形掩膜层3区域；利用BOE在光刻胶图层的保护下对掩膜层进行腐蚀，得到图形按正方或六方排列设置的图形掩膜层3；
去除上述步骤中残余的光刻胶，形成图形化蓝宝石图形层4；
利用硫酸和磷酸溶液，在图形掩膜层3的保护下，腐蚀至蓝宝石基板1，使图形掩膜层3上相邻的图形底部粘连在一起，形成图形化蓝宝石图形层4；本实施例是利用浓H2SO4与浓H3PO4的混合溶液腐蚀蓝宝石基板1。
使用湿法清洗干净带有掩膜层的图形化蓝宝石基板1；
利用溅射设备，在图形化蓝宝石图形层4上沉积一层氮化铝，氧化铝的厚度为10～500nm，形成蓝宝石复合衬底。
综上，利用本发明制作的上述具有复合型的图形化蓝宝石衬底应用广泛，该蓝宝石复合衬底最上层氮化铝结构与氮化镓结构相似，能有效对氮化镓基的材料应力有效释放，减少氮化镓生长缺陷；同时该底部的蓝宝石结构图层对发光二极管的光提取效率的改善更为显著，该复合衬底可以比使用普通蓝宝石平片衬底生长的氮化镓基发光二极管的亮度提升45%以上，因此得到高亮度芯片结构。
以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种高亮度外延芯片结构及设有该横梁的窑具结构的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高亮度外延芯片结构，其特征在于，包括蓝宝石复合衬底，所述蓝宝石复合衬底包括图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连；还包括依次设在所述蓝宝石复合衬底上的AlN缓冲层、未参杂的GaN层、N型氮化镓层、有源发光层和P型氮化镓层。
2.根据权利要求1述的高亮度外延芯片结构，其特征在于，所述蓝宝石复合衬底还包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设有掩膜层，所述掩膜层经过光刻或腐蚀形成图形掩膜层，通过所述图形掩膜层保护腐蚀所述蓝宝石基板形成所述图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上设有氧化铝层，所述氧化铝层厚度为10～14nm或101～500nm。
3.根据权利要求2所述的高亮度外延芯片结构，其特征在于，所述掩膜层的厚度为10～5000nm。
4.根据权利要求3所述的高亮度外延芯片结构，其特征在于，所述掩膜层为SiO2掩膜层，所述SiO2掩膜层上的图形按正方或六方排列设置。
5.一种权利要求1至4任一项所述的高亮度外延芯片结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S5、先制备所述图形化蓝宝石图形层，使所述图形化蓝宝石图形层上相邻图形的底部相互粘连，形成所述蓝宝石复合衬底；
S10、然后在所述蓝宝石复合衬底上溅射一层GaN层；
S15、最后利用MOCVD，在所述蓝宝石复合衬底上依次生长低温的所述AlN缓冲层、所述未参杂的GaN层、所述N型氮化镓层、所述有源发光层和所述P型氮化镓层，形成所述高亮度外延芯片结构。
6.根据权利要求5所述的高亮度外延芯片结构的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石复合衬底还包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设有掩膜层，所述掩膜层经过光刻或腐蚀形成图形掩膜层，通过所述图形掩膜层保护腐蚀所述蓝宝石基板形成所述图形化蓝宝石图形层，所述图形化蓝宝石图形层上设有氧化铝层，所述氧化铝层厚度为10～14nm或101～500nm，所述步骤S5中，还包括步骤S4：
取一块所述蓝宝石基板，用硫酸双氧水清洗干净；
在所述蓝宝石基板上生长一层保护的掩膜层，所述掩膜层包括SiO2，所述掩膜层的厚度范围为10～5000nm;
在所述掩膜层上涂覆一层光刻胶，利用光刻技术，对没有图形的区域进行光刻，而使有图形的区域被光刻胶保护，形成图形掩膜层；
利用BOE溶液或RIE刻蚀去除没有光刻胶保护的所述图形掩膜层区域；
去除上述步骤中残余的光刻胶，形成所述图形化蓝宝石图形层；
利用硫酸和磷酸溶液，在所述图形掩膜层的保护下，腐蚀至所述蓝宝石基板，使所述图形掩膜层上相邻的图形底部粘连在一起，形成图形化蓝宝石图形层；
使用湿法清洗干净带有掩膜层的图形化蓝宝石基板；
利用溅射设备，在所述图形化蓝宝石图形层上沉积一层所述氮化铝，所述氧化铝的厚度为10～500nm，形成所述蓝宝石复合衬底。
7.根据权利要求6所述的高亮度外延芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用BOE在光刻胶图层的保护下对所述掩膜层进行腐蚀，得到图形按正方或六方排列设置的所述图形掩膜层。
8.根据权利要求6所述的高亮度外延芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用浓H2SO4与浓H3PO4的混合溶液腐蚀所述蓝宝石基板。
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