CN102142487B

CN102142487B - 图形化GaN衬底的制备方法

Info

Publication number: CN102142487B
Application number: CN 201010617750
Authority: CN
Inventors: 张国义; 孙永健; 贾传宇; 陆羽; 刘鹏; 付星星; 杨志坚; 童玉珍; 廉宗禺
Original assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Guangdong Zhongtu Semiconductor Technology Co., Ltd
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102142487A

Abstract

本发明提供一种在GaN衬底上制备图形的方法，可以大幅度提高LED芯片的内量子效率、出光效率和热导率。本发明在衬底GaN表面层，使用微纳米图形的掩膜、光刻技术、纳米压印技术或氧化铝图形转移技术生成图形模板，然后使用图形刻蚀技术，制备出能够实现稳定的微米及亚微米量级的有利于出光的图形结构。本发明的衬底可以大幅度提高LED芯片的出光效率和热导率，具有更优良的性能。

Description

图形化GaN衬底的制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，具体涉及图形化GaN衬底(PatternedGaN Substrade，PGS)的制备及其应用，在氮化镓衬底上(包括GaN单晶衬底，或GaN/Al₂O₃、GaN/Si，GaN/SiC等复合衬底的GaN面)，制备出微纳米图形，作为生长衬底，制备高性能GaN基发光器件，如光发射二极管(LED)等。

背景技术

以GaN，InN，AlN及其三元系和四元系材料为主的氮化物半导体材料，其能带间隙范围在0.7eV到6.2eV连续可变，且均为直接带隙。其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基激光器、发光二极管等光电子器件的优选材料。

然而，由于GaN单晶制备困难，又很难找到与GaN晶格匹配的材料，通常氮化物光电子器件都是制备在蓝宝石，碳化硅等衬底上。但是，蓝宝石与GaN材料晶格常数相差约15％，热膨胀系数和化学性质也相差较大。大的失配使在蓝宝石衬底上生长的氮化物外延层缺陷密度较大(达10⁹～10¹²cm^-2)，从而影响器件的寿命和发光效率。另外，材料的折射率差导致光的全反射限制，使得有源区产生的70％以上的光被限制在器件内。因此，如何在基于蓝宝石衬底的基础上提高器件生长质量和提高出光效率，成了制约LED器件发展的关键问题。

近年来，图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrates，PSS)技术逐渐发展起来。PSS技术就是在蓝宝石衬底上制备微米、纳米尺度的图形，作为MOCVD生长的衬底，以此减小GaN基外延层的位错的密度，降低界面的应力，提高外延层晶体质量，减少非辐射复合中心，进而提高LED的内量子效率；同时，结合LED器件的发光特性，设计衬底图形，改变界面处的光传输条件，从而提高光出射效率，使LED外量子效率等性能大幅度提升。目前，PSS衬底已经成为LED产业的的主要技术，使LED光功率水平相比普通蓝宝石衬底制作的器件光功率增加约30％。然而，PSS衬底依然存在底导热性能不佳，晶格失配大，需要两步生长等缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种在GaN衬底上(包括其他如GaN/Al₂O₃，GaN/Si，GaN/SiC等复合衬底的GaN面上)制备图形化衬底的方法，比传统PSS中在Al₂O₃面上制备图形化衬底，具有更优良的性能，可以大幅度提高LED的发光效率；本发明的PGS具有GaN同质外延的优点，可以大幅度提高LED芯片的内量子效率，出光效率和热导率，可以用来制备量子点发光器件，如LED、LD等。

为达上述目的，本发明的图形化GaN衬底的制备方法，采用以下的技术方案：

一种图形化GaN衬底的制备方法，是在氮化镓衬底上制备出微纳米图形，作为生长衬底，所述方法包括如下步骤：

①、提供一衬底，所述衬底是GaN单晶衬底，或是GaN/Al₂O₃、GaN/Si、GaN/SiC复合衬底，复合衬底的表面层是GaN面，清理后备用；

②、PGS(图形化GaN衬底)的制备中，在GaN表面层，使用微纳米图形的掩膜、光刻技术、纳米压印技术或氧化铝(AAO)图形转移技术等生成图形；使用微纳米图形的掩膜、光刻技术，在GaN单晶衬底，GaN/Al₂O₃复合衬底、或GaN/Si等衬底上，采用光刻方法，制备出优化的具有不同尺寸、形状、周期等参数的图形；掩模可以采用光刻技术，纳米压印技术，AAO掩模技术等方法；

③、然后使用图形刻蚀技术，可以是干法刻蚀ICP技术、湿法刻蚀技术，刻蚀方法可以采用干法刻蚀ICP技术或湿法刻蚀(KOH、HPO3等)工艺，制备出能够实现稳定的微米及亚微米量级的有利于出光的结构；获得所需图形结构；图形结构可以是半圆形周期性结构，也可以是具有不同晶面的周期性结构，图形周期可以从10微米到5纳米，图形深度可以在5微米到1纳米；图形结构可以是微透镜、六角锥等图形结构的PGS衬底(图形化GaN衬底)；图形结构周期可以从100nm到5000nm之间，进行选择。

本发明提出的图形化GaN衬底(Patterned GaN Substrade，PGS)，可以彻底消除这些起点和不足。本发明PGS衬底，除了现有PSS衬底的优点外，还具有以下优点：

1、与传统的PSS衬底相比，PGS具有GaN同质外延的优点，可以大幅度提高LED芯片的出光效率和热导率。

2、在GaN/Al₂O₃等(包括其他如GaN/Si，GaN/SiC等)复合衬底的GaN面上或在GaN单晶衬底上制备图形化衬底，与PSS中在GaN/Al₂O₃的Al₂O₃面上制备图形化衬底相比，具有更优良的性能，可以大幅度提高LED的发光效率；

3、利用特殊的多量子阱(MQW)与多量子点(MQD)制备技术，可实现两色光波长的混合，制出单芯片的白光发光器件。

附图说明

图1所示为本发明实施例一的工艺流程图；

图2所示为本发明实施例一所得PGS衬底的示意图；

图3所示为本发明实施例二的工艺流程图；

图4所示为本发明实施例二深度为1.5微米PGS衬底的示意图；

图5所示为本发明实施例三的工艺流程图；

图6所示为本发明实施例三所得PGS衬底的示意图；

图7所示为本发明实施例五的工艺流程图；

图8所示为本发明实施例五所得PGS衬底的示意图；

图中相关结构主要包括以下部件：光刻胶1、衬底2、硅石(SiO2)3、氧化铝(AAO)掩膜4。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

实施例一：

分步曝光法加干法刻蚀技术(GaN单晶衬底2)

1、选取厚度为300微米的2英寸GaN单晶衬底；

2、利用涂胶机在上述GaN单晶表面涂覆厚度为3微米的光刻胶1，见附图1第二步所示为涂覆3微米厚光刻胶1和300微米厚GaN单晶衬底2；

3、将涂覆3微米的光刻胶的GaN单晶衬底经分步曝光机曝光，并经显影形成表面周期为3微米的圆柱图形，如附图1第三步所示为经分布曝光后周期性光刻胶图形的2英寸GaN单晶衬底，得到3微米周期光刻胶图形、300微米厚GaN单晶衬底的产品；

4、将带有周期性图形光刻胶的样品放入ICP(反应耦合离子刻蚀设备)，选用氯气和三氯化硼混合气体(3∶1)进行刻蚀，刻蚀时间10分钟；并取出后使用稀HCL、丙酮、酒精、去离子水一次清洗，如附图2所示，得到周期为3微米，深度为1.5微米的PGS衬底。

实施例二：

分步曝光法加干法刻蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

选取厚度为10微米GaN，430微米蓝宝石的2英寸GaN/Al₂O₃复合衬底。附图3第一步所示为10微米GaN、430微米蓝宝石的2英寸GaN/Al₂O₃复合衬底，复合衬底2可选表层为10微米GaN、下层为430微米蓝宝石；利用涂胶机在上述GaN单晶表面涂覆厚度为3微米的光刻胶；附图3第二步所示为涂覆3微米光刻胶的GaN/Al₂O₃复合衬底；

将涂覆3微米的光刻胶的GaN单晶衬底经分步曝光机曝光，并经显影形成表面周期为3微米的圆柱图形，附图3第三步所示为经分布曝光后周期性光刻胶图形的2英寸GaN单晶衬底，得到3微米周期光刻胶图形、430微米GaN/Al₂O₃复合衬底产品；

将带有周期性图形光刻胶的样品放入ICP(反应耦合离子刻蚀设备)，选用氯气和三氯化硼混合气体(3∶1)进行刻蚀，刻蚀时间10分钟。并取出后使用稀HCL、丙酮、酒精、去离子水一次清洗，如附图4所示，得到周期为3微米，深度为1.5微米的PGS衬底。

实施例三：

分步曝光法加湿法腐蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

选取厚度为10微米GaN，430微米蓝宝石的2英寸GaN/Al₂O₃复合衬底，附图5第一步所示为10微米GaN、430微米蓝宝石的2英寸GaN/Al₂O₃复合衬底，表层为10微米GaN、下层为430微米蓝宝石；利用PECVD设备在上述GaN单晶表面生长厚度为2微米的硅石(SiO2)3，附图5第二步所示为生长厚度为2微米的SiO2的GaN/Al₂O₃复合衬底，获得2微米硅石(SiO2)3掩膜，430微米GaN/Al₂O₃复合衬底产品。

同样利用光刻胶1，按实施例二的分步涂胶显影曝光方法，在上述生长了2微米的SiO2的GaN/Al₂O₃复合衬底的硅石(SiO2)3的表面上行成周期为3微米的圆柱形图形。将形成周期性光刻图形的生长了2微米的SiO2的GaN/Al₂O₃复合衬底经HF酸腐蚀，使SiO2形成表面周期为3微米的圆柱图形，并利用丙酮清洗去除光刻胶1，如附图5第三步所示为经分布曝光后周期性光刻胶图形的2英寸GaN单晶衬底，获取3微米周期光刻胶图形、430微米GaN/Al₂O₃复合衬底；

将带有周期性SiO2图形的样品使用H2SO4和H3PO4(3∶1)的溶液进行腐蚀，腐蚀时间为3分钟，然后利用HF去除表面SiO2掩膜，并使用稀HCL、丙酮、酒精、去离子水一次清洗，如附图6所示，得到周期为3微米，深度为1.5微米的PGS衬底。

实施例四：

分步曝光法加湿法腐蚀技术(GaN单晶衬底)

实施方法同实施例三，选取300微米厚GaN单晶衬底制作即可得到。

实施例五：

AAO(阳极氧化铝掩膜)法加干法刻蚀技术(GaN单晶衬底)

1、选取厚度为300微米的2英寸GaN单晶衬底；

2、使用3微米厚多孔(孔直径在100nm～500nm之间)的阳极氧化铝(AAO)模板粘附在2英寸GaN单晶表面做掩膜材料。附图7第二步所示为表面覆盖多孔AAO材料的2英寸GaN单晶衬底，获得孔径在100nm～500nm之间的多孔氧化铝(AAO)掩膜4、300微米厚GaN单晶衬底2产品；

3、将带有多孔氧化铝(AAO)掩膜4的样品放入ICP(反应耦合离子刻蚀设备)，选用氯气和三氯化硼混合气体(3∶1)进行刻蚀，刻蚀时间10分钟。并取出后使用HCL、丙酮、酒精、去离子水一次清洗，如附图8所示，得到周期为100nm～500nm微米，深度为1.5微米的PGS衬底。

实施例六：

AAO(阳极氧化铝掩膜)法加干法刻蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

实施方法同实施例五，选取厚度为10微米GaN，430微米蓝宝石的2英寸GaN/Al₂O₃复合衬底即可。

实施例七：

AAO(阳极氧化铝掩膜)法湿干法刻蚀技术(GaN单晶衬底)

实施方法1～2步与实施例五的1～2步骤相同；

3、将表面附有AAO掩膜的300微米GaN单晶衬底材料置入H2SO4和H3PO4(3∶1)的溶液进行腐蚀，腐蚀时间为3分钟，并使用稀HCL、丙酮、酒精、去离子水一次清洗，得到周期为100nm～500nm微米，深度为1.5微米的PGS衬底。

实施例八：

AAO(阳极氧化铝掩膜)法加湿法刻蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

实施例九：

纳米压印法加干法刻蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

具体实施步骤同实施例六，刻蚀掩膜选取本技术领域人员通用的纳米压印技术制作掩膜。

实施例十：

纳米压印法加湿法刻蚀技术(GaN/Al₂O₃复合衬底)

具体实施步骤同实施例八，刻蚀掩膜选取本技术领域人员通用的纳米压印技术制作掩膜。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种图形化GaN衬底的制备方法，所述图形化GaN衬底是GaN/Al₂O₃、GaN/Si、GaN/SiC复合衬底，所述复合衬底的表面层是GaN面，所述复合衬底GaN面厚度为10微米，该复合衬底的GaN面具备周期化微米或纳米图形结构，图形结构是半圆形周期性结构，或是具有不同晶面的周期性结构，图形周期从10微米到5纳米，图形深度在5微米到1纳米；图形结构是微透镜、六角锥图形结构的图形化GaN衬底；图形结构周期从100nm到5000nm之间，用上述图形化GaN衬底作为生长衬底，其中所述制备方法包括如下步骤：

①、提供一衬底，所述衬底是GaN/Al₂O₃、GaN/Si、GaN/SiC复合衬底，所述复合衬底的表面层是GaN面，所述GaN面厚度为10微米，清理后备用；

②、在GaN表面层，使用分步曝光技术、纳米压印技术或氧化铝AAO图形转移技术生成图形掩膜；使用上述技术，在GaN/Al₂O₃复合衬底或GaN/Si、GaN/SiC衬底上，制备出具有不同尺寸、形状、周期参数的图形；

③、然后使用图形刻蚀技术，采用干法刻蚀ICP技术或湿法刻蚀技术，获得所需图形结构，制备出能够实现稳定的微米及亚微米量级的有利于出光的结构，获得所需图形结构；图形结构是半圆形周期性结构，或是具有不同晶面的周期性结构，图形周期从10微米到5纳米，图形深度在5微米到1纳米；图形结构是微透镜、六角锥图形结构的图形化GaN衬底；图形结构周期从100nm到5000nm之间。