CN101471402A - 利用硅001晶面制备GaN基LED的图形衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，包括以下步骤：A1：在硅(001)上制备具有图形开孔的掩膜；A2：将步骤A1得到的硅(001)放入到具有各向异性蚀刻特性的腐蚀溶液中，制备出具有图形的硅片，该硅片具有硅(111)晶面；A3：剥离步骤A2得到的硅片上的掩膜，得到GaN基LED的图形衬底。在硅(001)衬底上腐蚀出具有一定倾角的Si(111)面，从而可以在Si(111)面外延生长GaN基LED，工艺简单，制备的倒金子塔形衬底能有效释放外延层中的应力，提高外延层结晶品质；具有低缺陷密度、工艺简单、成本低、质量好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及LED(发光二极管)芯片的衬底的制备方法，更具体地说，涉及一种利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法。
背景技术
Si基GaN具有广阔的产品应用前景，其中包括了光电子器件、微波、毫米波高功率电子器件、光学和机械传感器、高温抗辐射电子器件以及高压整流管等领域。目前限制氮化物材料及器件发展的关键因素在于缺少与之匹配的可生长器件级外延层的衬底，结果导致大批量生产制作成本增加，阻碍了GaN基技术的商品化进程。由于目前商品化的GaN同质衬底价格极其昂贵，人们只能努力寻找晶格常数和热膨胀系数(TEC)比较匹配的异质外延衬底。目前最常用的是蓝宝石衬底和SiC衬底。但从晶格匹配和电导、热导特性上看，蓝宝石还不是理想的异质外延衬底；而SiC衬底与GaN之间虽然品格失配小于蓝宝石衬底，但由于其加工困难以及昂贵的衬底价格也限制了该衬底的进一步应用开发。蓝宝石和SiC衬底还有一个共同的缺点就是很难获得高质量的大尺寸单晶片，目前常用的仅限于2或3英寸大小，并且衬底质量还有待于进一步提高。
Si衬底GaN基器件相对于传统的以蓝宝石和SiC为衬底的氮化物器件具有如下优点：
l、Si(001)衬底相比于蓝宝石衬底和SiC衬底价格低廉，易得到大面积高质量商品化的衬底(无论P型或N型)。目前最大尺寸单晶片可达18英寸。
2、由于容易得到低阻Si(001)衬底，因此Si(001)衬底GaN基器件可以做成异侧电极器件，可提高单片制作管芯的数量，并且衬底减薄等加工工艺简单，比蓝宝石衬底器件制作成本大大降低。
3、Si(001)衬底优越的散热性能，在大面积集成、显示方面将显示出更多的优越性。
4、Si(001)衬底比蓝宝石，SiC和Si(111)在工艺上更容易解理。
从芯片集成角度来看，Si(001)晶面为标准的主流技术，芯片集成工艺成熟，可以将Si基GaN的发光器件与成熟的Si基微电子器件生长在同一块晶片上，实现Si基光电子器件集成。
到目前为止，Si(111)衬底GaN基LED已经具备成熟的工艺技术，然而，从标准Si的主流技术来讲，人们更希望能实现Si(001)衬底GaN基LED器件制备。
基于以上几点，人们开始越来越重视Si基GaN器件的研发和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的蓝宝石衬底、SiC衬底等成本高、质量差等的缺陷，提供一种低缺陷密度、工艺简单、成本低、质量好的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，包括以下步骤：
A1：在硅(001)上制备具有图形开孔的掩膜；
A2：将步骤A1得到的硅(001)放入到具有各向异性蚀刻特性的腐蚀溶液中，制备出具有图形的硅片，该硅片具有硅(111)晶面；
A3：剥离步骤A2得到的硅片上的掩膜，得到GaN基LED的图形衬底。
在本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法的所述步骤A1包括：
A1-1：采用PECVD在所述硅(001)上蒸镀SiO2掩膜层，蒸镀温度为100-400℃，厚度为30-500nm；
A1-2：采用光刻技术剥离部分所述SiO2掩膜，在所述SiO2掩膜上制备圆孔图案，所述圆孔的直径为0.1-4um，孔间距为0.1-4um。
在本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法的所述步骤A2中，所述腐蚀溶液为KOH溶液，并且该KOH溶液中掺入一定量的异丙醇，溶液的浓度为1-75％。
在本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法的所述步骤A2中，将所述硅(001)放入到所述腐蚀溶液加热40-90分钟，并且加热温度为40-90℃，制备得到倒金字塔图形的所述具有硅(111)晶面的硅片。
在本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法的所述步骤A3中，采用稀释的HF溶液剥离所述硅片上的SiO2掩膜。
在本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法的所述步骤A3中，将剥离SiO2掩膜的硅片进一步的放入到丙酮和乙醇溶液中进行超声波清洗，然后利用去离子水冲洗，采用氮气吹干。
实施本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，具有以下有益效果：在硅(001)衬底上腐蚀出具有一定倾角的Si(111)面，从而可以在Si(111)面外延生长GaN基LED，工艺简单，制备的倒金子塔形衬底能有效释放外延层中的应力，提高外延层结晶品质；具有工艺简单、成本低、质量好等优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是采用本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法制备的衬底的LED芯片的示意图
图2是本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法制备得衬底的示意图。
具体实施方式
利用本发明的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法制备得到具有Si(111)面的硅片衬底，再利用MOCVD法在该硅片衬底上外延生长GaN基LED结构，该LED结构包括依次在衬底11上生长出的缓冲层12、u-GaN层13、n-GaN层14、发光层15以及p-GaN层16，如图1所示。
该方法首先在Si(001)上制备具有图形开孔的掩膜：首先采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)法在所述硅(001)上蒸镀SiO2掩膜层，蒸镀温度为100-400℃，厚度为30-500nm，在本实施例中，蒸镀温度为200℃，厚度为70nm，蒸镀时间4分钟；然后，采用光刻技术剥离部分的SiO2掩膜，在SiO2掩膜上制备图案，在本实施例中，采用圆柱状光刻胶，曝光时间为15s，显影45s，并用稀释的HF溶液(浓度为1％-10％)腐蚀60s，除掉光刻胶，在SiO2掩膜上制成圆孔图形，形成具有圆孔图形的掩膜；圆孔的直径为0.1-4um，孔间距为0.1-4um。
然后，将制备了图形掩膜的硅(001)衬底放入到具有各向异性蚀刻特性的腐蚀溶液中，制备出具有图形的硅片，该硅片具有111晶面。在本实施例中，腐蚀溶液为KOH溶液，并且该KOH溶液中掺入一定量的异丙醇，溶液的浓度为1-75％。将制备了图形掩膜的硅(001)放入到腐蚀溶液加热40-90分钟，最优为60分钟，并且加热温度为40-90℃，最优为80℃；利用KOH溶液对硅衬底的各向异性蚀刻特性，制备得到倒金字塔图形，得到具有Si(111)晶面的硅片。
然后，剥离得到具有Si(111)晶面的硅片上的掩膜，得到GaN基LED的图形衬底：采用稀释的HF溶液剥离硅片上的SiO2掩膜层，然后，将剥离SiO2掩膜的硅片进一步的放入到丙酮和乙醇溶液中进行超声波清洗，然后利用去离子水冲洗，采用氮气吹干，得到适合GaN生长的硅片衬底，如图2所示。然后将该衬底放入到MOCVD的反应腔内进行外延生长，得出完整的LED全结构。
Claims (6)
1、一种利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：在硅(001)上制备具有图形开孔的掩膜；
A2：将步骤A1得到的硅(001)放入到具有各向异性蚀刻特性的腐蚀溶液中，制备出具有图形的硅片，该硅片具有硅(111)晶面；
A3：剥离步骤A2得到的硅片上的掩膜，得到GaN基LED的图形衬底。
2、根据权利要求1所述的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，所述步骤A1包括：
A1-1：采用PECVD在所述硅(001)上蒸镀SiO2掩膜层，蒸镀温度为100-400℃，厚度为30-500nm；
A1-2：采用光刻技术剥离部分所述SiO2掩膜，在所述SiO2掩膜上制备圆孔图案，所述圆孔的直径为0.1-4um，孔间距为0.1-4um。
3、根据权利要求1或2所述的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，在所述步骤A2中，所述腐蚀溶液为KOH溶液，并且该KOH溶液中掺入一定量的异丙醇，溶液的浓度为1-75％。
4、根据权利要求3述的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，在所述步骤A2中，将所述硅(001)放入到所述腐蚀溶液加热40-90分钟，并且加热温度为40-90℃，制备得到倒金字塔图形的所述具有硅(111)晶面的硅片。
5、根据权利要求4述的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，在所述步骤A3中，采用稀释的HF溶液剥离所述硅片上的SiO2掩膜。
6、根据权利要求5所述的利用硅(001)制备GaN基LED的图形衬底的方法，其特征在于，在所述步骤A3中，将剥离SiO2掩膜的硅片进一步的放入到丙酮和乙醇溶液中进行超声波清洗，然后利用去离子水冲洗，采用氮气吹干。
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