專利名稱：提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種圖形化襯底制備工藝。
背景技術(shù)：
當(dāng)前基于氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體照明技術(shù)正在向社會(huì)生活的各個(gè)方面滲透，如景觀照明，特種照明，以及液晶背光源照明等。但是由于三族氮化物固有的缺陷多，位錯(cuò)密度大，材料質(zhì)量差等問(wèn)題，其亮度還有待于進(jìn)一步提高從而進(jìn)入通用照明領(lǐng)域， 重點(diǎn)是提高GaN基LED的內(nèi)量子效率及光提取效率。藍(lán)寶石是當(dāng)前主要的商業(yè)化應(yīng)用的GaN基LED生長(zhǎng)襯底，但是由于藍(lán)寶石和GaN 材料的晶格與熱膨脹系數(shù)差異大，導(dǎo)致外延生長(zhǎng)的材料中殘余應(yīng)力大，晶體缺陷多，材料質(zhì)量差，限制了 LED發(fā)光效率的提高。同時(shí)由于GaN與空氣的折射率差別大，從LED器件內(nèi)發(fā)出的光會(huì)發(fā)生全反射，導(dǎo)致了光提取效率很低。這也導(dǎo)致了 LED器件更多的電能轉(zhuǎn)化為了熱能，導(dǎo)致器件可靠性差。用藍(lán)寶石圖形襯底可以弛豫異質(zhì)外延生長(zhǎng)中藍(lán)寶石襯底和氮化物外延層晶格差異引起的晶格應(yīng)力，降低氮化物外延材料中的位錯(cuò)密度，改善材料質(zhì)量。 同時(shí)光子向下照射到藍(lán)寶石圖形界面處會(huì)再次反射回來(lái)，可以有效的增大LED的光提取效率，從而提高器件的外量子效率。目前常用的圖形襯底通常采用先在藍(lán)寶石襯底表面淀積一層氧化硅，然后在氧化硅上涂覆光刻膠，然后利用光刻技術(shù)定義出圖形的尺寸，并腐蝕掉非圖形區(qū)域的氧化硅，然后以氧化硅為刻蝕掩模，最后用濃硫酸和磷酸混合溶液進(jìn)行濕法腐蝕，或者用等離子干法腐蝕技術(shù)刻蝕藍(lán)寶石得到圖形化襯底。或者采用改進(jìn)的方法以光刻膠為刻蝕掩模。但是這些方法具有以下弊端
1、采用半導(dǎo)體光刻工藝，制備工藝復(fù)雜，增加了生產(chǎn)成本；
2、圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程較多，圖形的一致性不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、圖形易控的提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法。本發(fā)明包括以下步驟
1)在藍(lán)寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，所述氯化物為氯化鈉、氯化銫、氯化鉀中的任意一種；
2)將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍(lán)寶石襯底烘干，烘干溫度范圍為50°C 300°C，在藍(lán)寶石平面襯底上得到微米量級(jí)的用于干法刻蝕的氯化物顆粒掩模層；
3)在掩模層上，在離子刻蝕氣體存在的條件下，以等離子刻蝕設(shè)備進(jìn)行刻蝕30秒到30 分鐘，得到圖案化的藍(lán)寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。本發(fā)明可以簡(jiǎn)化圖形化襯底的制備工藝，降低制造成本，生長(zhǎng)的氮化物外延層及 LED結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度可以得到極大降低，從而改善GaN外延材料的質(zhì)量。且襯底表面的圖形化處理可以增加光子被圖形反射后再次出射的幾率，可有效提高光提取效率，從而提高外量子效率。另，本發(fā)明所述氯化物顆粒掩模層的尺寸為0. 1 10 μ m，厚度為0.05 50 μ m， 這些顆粒狀物質(zhì)用于等離子刻蝕藍(lán)寶石襯底的掩模，從而形成相應(yīng)尺寸的圖形。本發(fā)明所述圖案化的藍(lán)寶石襯底的圖形底部尺寸為0. 1 10 μ m，圖形間距為 0. 1 5 μ m，圖形高度為0. 1 3 μ m，這些尺寸的圖形可以有效的緩解在藍(lán)寶石上異質(zhì)外延生長(zhǎng)三族氮化物存在的應(yīng)力大的問(wèn)題，改善材料質(zhì)量，提高內(nèi)量子效率；同時(shí)這些圖形能有效的形成光學(xué)反射，提高LED的出光效率。所述離子刻蝕氣體為Cl2、BC13、Ar或He，利用這些氣體可以獲得較好的深寬比的圖形剖面，得到理想的圖形形狀。


圖1為采用普通工藝形成的襯底與本發(fā)明形成襯底上LED的光通量與外量子效率對(duì)比曲線圖。圖2為在本發(fā)明制成的PSS與普通襯底上生長(zhǎng)的GaN的XRD (0002)方向半寬對(duì)比曲線圖。圖3為在本發(fā)明制成的PSS與普通襯底上生長(zhǎng)的GaN的XRD (10_12)方向半寬對(duì)比曲線圖。
具體實(shí)施例方式一、圖形化襯底制備步驟
1、在藍(lán)寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，該氯化物可以是氯化鈉、氯化銫、 氯化鉀等氯化物。2、將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍(lán)寶石襯底烘干，在藍(lán)寶石平面襯底上得到尺寸為0. 1 10微米、厚度為0. 05 50微米的氯化物顆粒，用于干法刻蝕的掩模。3、以C12、BC13、Ar、He等氣體，利用等離子刻蝕設(shè)備，在掩模層上進(jìn)行30秒到30 分鐘刻蝕，得到圖案化的藍(lán)寶石襯底，圖形特征為微米量級(jí)，圖形底部尺寸為0. 1 10微米，圖形間距為0. 1 5微米，圖形高度為0. 1 3微米。將襯底清洗干凈用于外延生長(zhǎng)。二、外延生長(zhǎng)工藝
1、在該圖形襯底上采用金屬有機(jī)化合物物理氣相外延法生長(zhǎng)一低溫氮化鎵成核層。其中，生長(zhǎng)溫度為500-600°C，生長(zhǎng)壓力為10000-90000Ρει，生長(zhǎng)厚度為0. 01-0. Iym02、在氮化鎵成核層上生長(zhǎng)非故意摻雜氮化鎵層，得到表面平整光亮的氮化鎵外延薄膜；其中，生長(zhǎng)溫度為1000 1200°C，生長(zhǎng)壓力為10000 60000Pa，生長(zhǎng)厚度為1 5 μ m03、在非故意摻雜氮化鎵上依次生長(zhǎng)N型摻雜的氮化鎵作為電子提供層，多量子阱 (MQffs)發(fā)光層，以及P型摻雜的氮化鎵作為空穴提供層，完成完整LED結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。其中多量子阱發(fā)光區(qū)為AlxlGiiyJni_xl_yl N/ (Alx2Iny2(iai_x2_y2N)，生長(zhǎng)溫度為 650 900°C，生長(zhǎng)壓力為20000 60000Pa，多量子阱的AlJr^feimN勢(shì)壘厚度為0. 005 0. 05um, AlxlGayllni_xl_yl N量子阱厚度為0. 001 0. Olum。其中多量子阱的對(duì)數(shù)為1 30 對(duì)，O彡xl彡1，O彡x2彡1，O彡yl彡1，O彡y2彡1。三、本發(fā)明方法制成的產(chǎn)品與普通技術(shù)方法形成的產(chǎn)品的GaN基LED的外量子效率和材料質(zhì)量的比較試驗(yàn)過(guò)程及比較結(jié)果、結(jié)論
采用本發(fā)明方法制成的藍(lán)光LED封裝后的光通量外量子效率與普通藍(lán)寶石襯底上光通量及外量子效率對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)采用了本發(fā)明方法制備的圖形襯底及其上生長(zhǎng)的LED的光通量與外量子效率都大大高于普通方法形成的平面襯底上生長(zhǎng)的LED，外量子效率提高了 50%。采用XRD (X射線衍射)技術(shù)表征GaN材料的質(zhì)量是氮化物領(lǐng)域通用的方法，采用本方法生長(zhǎng)的GaN材料與在普通藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN材料質(zhì)量的對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3所
7J\ ο由圖2、圖3可見(jiàn)在本發(fā)明制成的PSS上面生長(zhǎng)的GaN與在普通襯底上生長(zhǎng)的GaN 相比，(0002)和(10-12)方向X射線衍射測(cè)試的半高寬都較小，反映出材料質(zhì)量得到了改
業(yè)
口 ο結(jié)論利用本發(fā)明制成的PSS，在其上外延生長(zhǎng)GaN，材料質(zhì)量得到了改善；在該 PSS外延生長(zhǎng)的LED的外量子效率提高了 50%。
權(quán)利要求
1.提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在藍(lán)寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，所述氯化物為氯化鈉、氯化銫、氯化鉀中的任意一種；2)將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍(lán)寶石襯底烘干，烘干溫度范圍為50°C 300°C，在藍(lán)寶石平面襯底上得到微米量級(jí)的氯化物顆粒掩模層；3)在掩模層上，在離子刻蝕氣體存在的條件下，以等離子刻蝕設(shè)備進(jìn)行刻蝕30秒到30 分鐘，得到圖案化的藍(lán)寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。
2.根據(jù)權(quán)利1所述提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述氯化物顆粒掩模層的尺寸為0. 1 10 μ m，厚度為0. 05 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利1所述提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述圖案化的藍(lán)寶石襯底的圖形底部尺寸為0. 1 10 μ m，圖形間距為0. 1 5 μ m，圖形高度為 0. 1 3 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利1所述提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述離子刻蝕氣體為Cl2、BCl3、Ar或He。
全文摘要
提高GaN基LED發(fā)光效率的圖形化襯底制備方法，屬于半導(dǎo)體圖形化襯底制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。先在藍(lán)寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，經(jīng)烘干后，在藍(lán)寶石平面襯底上得到微米量級(jí)的氯化物顆粒掩模層；再在掩模層上，等離子刻蝕，得到圖案化的藍(lán)寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。本發(fā)明可以簡(jiǎn)化圖形化襯底的制備工藝，降低制造成本，生長(zhǎng)的氮化物外延層及LED結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度可以得到極大降低，從而改善GaN外延材料的質(zhì)量。且襯底表面的圖形化處理可以增加光子被圖形反射后再次出射的幾率，可有效提高光提取效率，從而提高外量子效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102394262SQ20111036506
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者李志聰, 李璟, 李盼盼, 李鴻漸, 王國(guó)宏 申請(qǐng)人:揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司