CN101145589A - 具有均匀分布的V型坑的GaN基LED及其生长方法 - Google Patents

Abstract

一种在半导体外延层上形成规则分布的V型坑，并在具有规则分布的V型坑的半导体层上制作半导体发光二极管的方法。该方法包括：在衬底上形成具有规则分布的籽晶区域的模板；在模板上外延生长半导体材料；通过控制外延生长过程中的横向生长速度使外延层覆盖籽晶区域之间的非籽晶区域，同时在外延层上形成规则分布的V型坑。其中，可以利用具有规则分布的图案的掩模，在衬底上选择性地淀积电介质膜，其中未被淀积的区域成为籽晶层；作为另一种可选的方法，可以利用有规则分布的图案的掩模，在衬底上选择性地进行刻蚀，其中未被刻蚀的部分成为籽晶层。

Description

具有均匀分布的V型坑的GaN基LED及其生长方法

技术领域

本发明涉及GaN基LED，尤其涉及具有均匀分布的V型坑的GaN基LED及其生长方法。

背景技术

作为一种新型的发光元件，LED的相关制造工艺备受关注。改善LED的发光效率是该领域内的一个重要研究课题。

在LED内被激发的光会沿着各个方向呈散射状传播。因为LED结构材料的折射率较大，因此光的最大出射角度(即离开LED材料层进入空气的最大角度)较小。因此，当光的传播方向和LED的表面的法线方向的夹角较大时，这部分光就会由于全反射而继续留在器件内。这是导致传统LED的出光效率偏低的原因之一。

已有的研究成果对改善LED的出光效率进行了很多有益的尝试。例如，有学者指出，通过在GaN基LED的表面形成很多微小的V型坑，其出光效率得到了相当程度的改善。关于导致这一结果的原因，有以下解释：对于具有一个平整表面的大面积的LED而言，大部分发射光处于横向引导模式(简言之即沿横向传播)，从而在其到达LED的侧边时由于LED内部材料的再吸收作用而消耗掉。如果GaN基LED的表面有很多高密度的V型坑(如图1所示，其中光线1表示从表面发射的光，光线2和3表示从V型坑的侧边发射的光)，那么横向传播的光就可以从V型坑的侧壁发射出来，从而避免了在LED内部的损耗。显然，这对于改善出光效率是有益的。

通常采用一种两阶段生长方法(也称之为缓冲层技术)来形成具有高密度V型微坑的GaN模板。简而言之，在低温条件下形成缓冲层并进行退火之后，开始高温生长。在高温生长的初始阶段，会形成一些彼此分离的GaN小岛。在随后的生长中这些GaN小岛会彼此结合。如果生长时间足够长，就可以得到连续的，表面平整度非常好的GaN外延层。如果在GaN外延层完全平整之前停止生长，就可以得到在表面具有V型坑GaN层。

然而，如图2a和2b所示，由于高温生长阶段的岛状结构的分布的随机性，得到的V型坑的分布也是不规则的。即使是采用相同的工艺，甚至是在同一批次中得到的晶片上的V型坑的分布也彼此不同。

上述问题会带来一些麻烦。例如，通常希望利用电介质层将这些V型坑钝化(或者称之为隔离)，以避免聚集了大量位错的V型坑成为LED中的漏电通道。但是，由于V型坑的分布的随机性，上述目的几乎是不可能实现的。

为了获得规则分布的V形微坑，现有技术中所采用的一种方法是在完成了LED的主要工艺之后对GaN层进行刻蚀。其方法的大致步骤是：采用具有均匀分布的图案的掩模，将LED浸入刻蚀剂中，通过控制反应条件而得到规则分布的微坑。

但是利用这种刻蚀法获得微坑仍然有其不足之处。其中一个不可忽视的缺点就是在腐蚀过程中对LED器件层所造成的不可避免的损伤，这会大大降低器件的光发射效率。

发明内容

针对前述的现有技术中的不足之处，本发明致力于提供一种新的方法，通过采用该方法，可以获得具有规则分布的V型坑的GaN模板；该模板可用于进一步制作具有高发光效率的LED。

本发明中所说的模板(template)是一个在LED工艺领域非常常见的概念。通常，将单一的衬底材料，比如蓝宝石材料称之为衬底(substrate)，而当在衬底上生长了其它半导体材料层，但尚未进行主要的LED功能层外延生长时，则称之为模板，以使之与单纯的衬底材料相区别。

本发明提供一种在半导体材料上形成规则分布的V型坑的方法，包括：

在第一半导体材料上形成具有规则分布的籽晶区域；外延生长第二半导体材料；通过第二半导体材料的横向生长而覆盖籽晶区域之间的部分非籽晶区域，从而形成规则分布的V型坑。

可以利用具有规则分布的图案的光刻掩模，在所述第一半导体材料上选择性地淀积电介质膜，其中未被淀积的区域成为籽晶区域。

作为另一种可选的方法，可以利用具有规则分布的图案的光刻掩模，在第一半导体材料上选择性地进行刻蚀，其中未被刻蚀的部分成为籽晶区域。

所述第一半导体材料可以包括衬底和形成于衬底上的外延生长中间层，并且在所述选择性刻蚀的过程中将非籽晶区域的外延生长中间层刻蚀掉。

根据本发明的实施例，所述规则分布的图案呈六边形分布。

根据本发明的实施例，所述规则分布的图案可以是圆形，其半径a在几μm到100μm以上，且相邻圆形的间距b满足b≥2a。

根据本发明的另一个实施例，所述规则分布的图案是六边形其边长a在几μm到100μm以上，且相邻六边形的间距b满足b≥2a。

本发明中所采用的半导体材料包括但不限于GaN，本发明中所涉及的衬底包括但不限于Si、蓝宝石、SiC或其它适合所述半导体材料外延生长的衬底。

根据本发明的实施例，所述V型坑是通过在所述半导体材料由于横向生长而完全平面化之前停止生长而得到的，并且所述V型坑可以是三角形或六边形的。

本发明同时揭示一种生长具有规则分布的V型坑的GaN基LED的方法，其采用前述的方法在LED工艺过程中形成V型坑。

附图说明

本申请的附图用于对于本申请的实施例提供示例性的说明。

图1是根据现有技术的具有V型微坑的GaN基LED可改善其发光原理的示意图。

图2a和2b是根据现有技术得到的具有不规则的V型坑的GaN的电子显微照片。

图3a和图3b是根据本发明的实施例的掩模的示意图。

图4是根据本发明的实施例所得到的具有规则分布的V型坑的GaN模板的示意图。

图5a-5c是根据本发明的第一实施例中的选择性刻蚀的示意图。

图6a-6c是根据本发明的第二实施例中的选择性淀积电介质层的示意图。

具体实施方式

(实施例1)

为了得到具有均匀分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有规则图案的掩模在衬底上淀积电介质层。此处所述的规则图案可以是如图3a所示的呈六边形分布的圆，也可以是如图3b所示的呈六边形分布的六边形，呈其它分布的图案也可以被采用。为便于说明，假设本实施例采用的是如图3a所示的呈六角形分布的六边形。此处的衬底可以是Si、SiC、蓝宝石等材料。具体而言，选择性刻蚀的工艺包括：利用掩模进行选择性曝光，并经显影，使得六边形区域内的光刻胶抗腐蚀，而周边区域的光刻胶易被腐蚀。用适当的腐蚀液除去易被腐蚀的部分光刻胶，保留六边形区域内的光刻胶(如图5a所示)。接下来进行常规的刻蚀工艺刻蚀至一定深度(如图5b所示)，再用脱胶工艺去除光刻胶即可(如图5c所示)。

上述的选择性刻蚀工艺完成之后，在衬底上得到和掩模图案一致的，彼此分离的六边形区域。该六边形区域在下文中将被称之为籽晶区域。由于籽晶区域没有被刻蚀，因此其表面要比非籽晶区域的表面高。

接下来开始GaN的外延生长工艺。GaN在籽晶区域和非籽晶区域都会进行生长。但由于籽晶区域的表面比非籽晶区域的表面高，籽晶区域内的较高的GaN还会进行横向生长。可以理解，由于横向生长的进行，籽晶区域内的GaN岛的面积会越来越大，并超出籽晶区域的范围。这一生长如果持续地进行下去，那么最终会得到平面化的GaN层，而如果在其平面化之前的适当时机停止生长，则可以得到如图4所示的规则分布的V型坑。此处得到的V型坑是三角形的，本领域技术人员应该理解，通过采用不同分布的掩模，可以得到的V型坑并不限于三角形，也可以是六边形，或者其它形状。

(实施例2)

为了得到具有均匀分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有规则图案的掩模在衬底上进行选择性地刻蚀。此处所述的规则图案可以是如图3a所示的呈六边形分布的圆，也可以是如图3b所示的呈六边形分布的六边形，呈其它分布的图案也可以被采用。为便于说明，假设本实施例采用的是如图3a所示的呈六角形分布的六边形。此处的衬底可以是Si、SiC、蓝宝石等材料。具体而言，选择性淀积电介质层的工艺包括：首先进行常规的电介质淀积工艺(如图6a所示)，然后在电介质层上涂光刻胶，利用掩模进行选择性曝光，并经显影，使得六边形区域内的光刻胶易被腐蚀，而周边区域的光刻胶抗腐蚀。用适当的腐蚀液除去易被腐蚀的部分光刻胶，暴露出部分电介质层(如图6b所示)。接下来用适当的腐蚀液对电介质层进行选择性腐蚀，将没有被光刻胶所保护的电介质层腐蚀掉。最后用传统的脱胶工艺将光刻胶剥离，留下未被腐蚀的电介质层(如图6c所示)。

采用掩模的选择性淀积工艺完成之后，在衬底上得到和掩模图案一致的，彼此分离的六边形区域。该六边形区域在下文中将被称之为籽晶区域。由于籽晶区域内没有淀积电介质，因此衬底(或者已经生长了中间层的衬底)得以在籽晶区域的窗口中暴露出来。而在非籽晶区域中，衬底则被电介质层所覆盖。

接下来开始GaN的外延生长工艺。由于非籽晶区域被电介质所覆盖，GaN不会在其表面生长。因此GaN仅仅在籽晶区域内开始生长。GaN的生长同时包括了纵向生长和横向生长，即GaN的厚度增加的同时其覆盖区域也在变大。可以理解，由于横向生长的进行，GaN岛的面积会越来越大，超出籽晶区域的范围，最终彼此结合。这一生长如果持续地进行下去，那么最终会得到平面化的GaN层，而如果在其平面化之前的适当时机停止生长，则可以得到如图4所示的规则分布的V型坑。此处得到的V型坑是三角形的，本领域技术人员应该理解，通过采用不同分布的掩模，可以得到的V型坑并不限于三角形，也可以是六边形，或者其它形状。

本发明的第一和第二实施例中采用了六边形分布的六边形图案，如图3b所示，六边形的边长a的取值范围几μm以上，优选地，其取值范围在几μm到100μm之间。而六边形图案之间的间距，即虚线所标识的大的六边形的边长b则满足b≥2a。当采用六边形分布的圆形图案时，如图3a所示，圆的半径a的取值范围几μm到100μm以上。而六边形图案之间的间距，即虚线所标识的大的六边形的边长b则满足b≥2a。当然，本发明所采用的图像的形状及其分布，及其相关尺寸的数据并不限于此。

本发明着重于介绍一种形成规则分布的V型坑的模板，并利用这种模板制作LED的工艺。本领域技术人员应该理解，本发明的实施例中主要介绍了实现本发明的关键工艺。当利用本发明的方法制作LED时，那些众所周知的中间步骤及细节同样可以选择性地应用于本发明中。比如，本发明的实施例中没有提及中间层的生长。通常，为了克服外延生长中的晶格失配问题，可以先在衬底上生长一定厚度的中间层，然后再利用具有规则图案的掩模在衬底上进行选择性刻蚀。中间层的材料可根据衬底层和外延层的不同而不同，例如，当采用Si衬底时，可以用AlN作为中间层。值得指出的是，在本发明图5a-5c所示的实施例中，如果先生长中间层再进行刻蚀，并且将六边形区域周围的中间层都刻蚀掉，那么GaN仅仅在保留有中间层的区域生长，直至其横向生长使得无中间层的区域“愈合”。再有，本发明的实施例中的工艺是直接做在衬底上的，但是也可以首先在衬底上生长一定厚度的GaN，然后再开始本发明的工艺。

相对于本领域内的传统技术而言，本发明至少包括以下显著的优点。

至同一批次不同晶片所得到的产品品质的一致性。而且，由于微坑的随机性分布，想要采用电介质将其进行隔离几乎是不可能的。采用本发明的方法，由于坑的位置是预先设计好的，产品品质的一致性得以保证。并且，由于V型坑的分布是规则的，其开口大小，间距等数据也是已知的，可以藉此方便地设计一种与V型坑分布相匹配的掩模，将电介质选择性地淀积到V型坑之间。

相对于另一种形成V型微坑的方法，即在预先生长好的LED结构上进行选择性刻蚀以形成微坑，本发明在LED结构(GaN层)生长之后没有刻蚀工艺，避免了刻蚀对于LED结构的损伤。这使得发光效率得以改善。

以上介绍的是具有规则分布的V型坑的GaN基LED及其生长方法。但本领域技术人员应该理解，本发明亦可以应用于其它需要形成规则分布的坑的领域。在不背离本发明的精神和范围的前提下，本发明的各种修改和变化都应该落入本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种在半导体材料上形成规则分布的V型坑模板的方法，包括：

在第一半导体材料上形成具有规则分布的籽晶区域；

外延生长第二半导体材料；

通过第二半导体材料的横向生长而覆盖籽晶区域之间的部分非籽晶区域，从而形成规则分布的V型坑。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成模板的步骤还包括：

利用具有规则分布的图案的光刻掩模，在所述第一半导体材料上选择性地淀积电介质膜，其中未被淀积的区域成为籽晶区域。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成模板的步骤还包括：

利用具有规则分布的图案的光刻掩模，在第一半导体材料上选择性地进行刻蚀，其中未被刻蚀的部分成为籽晶区域。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一半导体材料包括衬底和形成于衬底上的外延生长中间层，并且在所述选择性刻蚀的过程中将非籽晶区域的外延生长中间层刻蚀掉。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述具有规则分布的V型坑是通过在所述第二半导体材料由于横向生长而完全平面化之前停止外延生长而得到的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述规则分布为正六边形分布。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述规则分布的图案是圆形，所述圆形的半径a在几μm到100μm以上，且相邻圆形的间距b满足b≥2a。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述规则分布的图案是六边形，所述六边形的边长a在几μm到100μm以上，且相邻六边形的间距b满足b≥2a。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第二半导体材料是GaN。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述V型坑是三角形或六边形的。

11.一种制造具有规则分布的V型坑的GaN基LED的方法，其特征在于：

采用如权利要求1-10所述的方法，在LED工艺过程中形成具有规则分布的V型坑的模板。

12.一种GaN基LED，包括：

形成于规则分布的籽晶区域上的具有规则分布的V型坑的模板；

形成于该模板上的半导体外延材料。

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