CN102255024B - 提高GaN外延材料质量的微纳米结构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种提高GaN外延材料质量的微纳米结构及其应用。该微纳米结构由阵列排布的多个多边形图形单元组成，每一图形单元包括多条彼此孤立的条状微纳米凸起脊，每一凸起脊对应于多边形的一边，且相邻凸起脊之间由平面结构连接；该凸起脊的两端面为曲面，其纵向截面为曲边形结构，该曲边形包括于垂直方向上分布的顶点和底边，该顶点与底边的两个端点之间分别由两条曲线连接。该微纳米结构适于制备发光二极管和用于生长GaN基材料。本发明可以将外延生长时的位错缺陷分布在条状凸起脊的顶部上，消除了外延生长过程中的位错集中，避免出现局部高位错密度缺陷区，提高了LED器件的抗静电击穿能力和寿命，同时凸起脊结构还有利于提高LED的取光效率。

Description

提高GaN外延材料质量的微纳米结构及其应用

技术领域

本发明涉及GaN等半导体材料生长领域的一种衬底结构及其应用，尤其涉及一种提高GaN外延材料质量的微纳米结构，可有效控制和降低GaN材料生长时的位错集中现象，以提高LED抗静电击穿性能。

背景技术

发光二极管(LED)是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。近年来，随着GaN基蓝光、绿光和紫外光LED技术飞速发展，LED已经大量应用于交通指示、装饰照明和LCD背光等领域。即使是在普通照明领域，LED也具有替代传统照明光源的巨大潜力和趋势。作为新一代光源，LED具有体积小、重量轻、节能、环保、绿色健康和长寿命等优点。LED的电光转换效率、可靠性和成本是决定LED能否取代传统照明光源的几个关键因素。如果不能实现高可靠、长寿命的LED光源，即使光效再好，高昂的维护成本必然限制其应用。

LED的电光转换效率由内量子效率和外量子效率两种效率转换形式进行表述。内量子效率主要取决于外延材料的质量及外延层的结构，外量子效率则取决于衬底、芯片结构及封装技术。由于GaN材料与常用衬底材料蓝宝石或者Si之间的晶格失配较大，导致在蓝宝石或者Si衬底上生长的GaN晶体具有较高的位错密度，造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，使得器件内量子效率下降，同时也降低了LED的可靠性。另一方面由于GaN材料折射率高于蓝宝石衬底、空气以及外部封装树脂，有源区产生的光子有70％在GaN层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率，同时光多次反射被表面电极和材料有源区吸收产生大量热量，也会影响器件工作的稳定性。

为了提高GaN基LED的内量子效率和外量子效率，解决办法之一是在外延生长制备LED芯片的GaN基材料之前，先在Si或者蓝宝石衬底上制备微纳米结构，改变衬底上GaN材料的外延生长过程，抑制材料中位错的向上延伸，提高器件内量子效率。同时合理的微纳米结构能使原本在临界角范围外的光线通过微纳米结构的反射重新进入到临界角内出射到芯片外部，提高了出光效率。目前，在Si或者蓝宝石衬底上制备的微纳米图形的结构基本是相互孤立的凸起点，这些孤立的凸起点的结构形状为半球形、圆锥、三角棱锥、多面棱锥等，单元结构之间为平面(图1为圆锥状结构的蓝宝石图形衬底的SEM照片)。这类含有孤立凸起结构的Si或者蓝宝石的衬底可以显著提高LED的取光效率，提高外量子效率，然而同时也出现外延时易在凸起结构顶点区域产生位错集中，局部形成高密度位错缺陷区或空洞，产生降低LED在大电流驱动下的内量子效率、降低器件的抗静电击穿能力和降低器件可靠性、寿命的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种提高GaN外延材料质量的微纳米结构，其可以降低在Si和蓝宝石等衬底上生长GaN等外延材料时的位错集中现象，提高芯片的出光效率。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种提高GaN外延材料质量的微纳米结构，其特征在于，所述微纳米结构由阵列排布的复数个多边形图形单元组成，每一图形单元包括复数条彼此孤立的条状微纳米凸起脊，其中每一凸起脊对应于多边形的一边，且相邻凸起脊之间由平面结构连接；

所述多边形为三角形或六边形，若为三角形，则其任一顶点和与该顶点相对边之间的间距为0.5～15μm，若为六边形，则其相互平行的两条边之间的间距为0.5～15μm；

所述凸起脊的长度为0.4～15μm，其两端为曲面，且其纵向截面为曲边形结构，该曲边形包括于垂直方向上分布的一顶点和一底边，该顶点与底边的两个端点之间分别由两条曲线连接。

进一步的讲，所述曲边形结构的顶角为20～160°，底边长度为0.2～8μm，其顶点与底边之间的垂直距离为0.2～3μm。

如上所述的提高GaN外延材料质量的微纳米结构在制备发光二极管和生长GaN基外延材料中的应用。

与传统孤立凸起(如图1所示)结构的LED图形衬底外延生长GaN等材料时，先在底部平面区成核，然后GaN材料逐渐向上生长，产生的位错在凸起结构顶部区域集中，从而导致局部高位错密度缺陷区和孔洞缺陷的技术不同，本发明提出的阵列孤立条状凸起脊状微纳米结构，在制作时脊的高度均匀性容易控制，不会出现脊的局部位置高度明显增高的现象，可以将外延生长时的位错缺陷均匀分布在高度均匀的条状凸起脊的顶部，避免了生长过程中的位错集中，避免出现局部高位错密度缺陷区，提高LED器件的抗静电击穿能力和寿命，同时凸起脊结构还有利于提高LED的取光效率。

附图说明

图1是现有技术中具有圆锥状结构的蓝宝石图形衬底结构的电镜照片；

图2是本发明一较佳实施例的结构示意图；

图3a是图2中凸起脊的三维结构示意图；

图3b是图2中凸起脊的纵向剖面结构示意图；

图3c是图2中凸起脊的横向剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的蓝宝石图形衬底的实质结构特征更易于理解，以下结合一较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

参阅图2，该蓝宝石图形衬底微纳米结构由孤立的条状凸起脊阵列排布而成，阵列图形的基本单元形状为三角形结构，条状凸起脊位于多边形的边上，三角形的边长a为0.6～17μm。参阅图3a-3c，条状凸起脊的长度b为0.4～15μm，其两端为曲面，其在三角形边长垂直方向上的截面为顶点与底边两个端点之间各由两条曲线连接的曲边形结构。曲边形截面的顶角为20～160°，截面顶点与底边之间的垂直距离c为0.2～3μm，底边长度d为0.2～8μm。

该蓝宝石图形衬底微纳米结构的制备工艺如下：

(1)清洗：利用浓H₂SO₄:H₂O₂清洗蓝宝石衬底，然后用大量去离子水冲洗干净、吹干，并进行脱水烘焙；

(2)光刻：首先在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶、前烘，然后在紫外光下进行曝光，显影，得到宽度为3μm互成60°的孤立脊图案；

(3)刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(2)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中选择BCl₃/Cl₂作为刻蚀剂，刻蚀后衬底上均匀排布三条互相成60°夹角的脊，凸起脊垂直截面的底边长为3μm，顶部夹角为60°，每两条相邻平行脊中心线之间的间距为4μm；

(4)去胶：将刻蚀完的蓝宝石图形衬底用丙酮、乙醇超声处理，然后用大量去离子水冲洗干净并吹干，得到所需的蓝宝石图形衬底。该蓝宝石图形衬底可用于制备发光二极管和生长GaN基外延材料，其可以降低在生长GaN等外延材料时的位错集中现象，并提高器件的抗静电击穿性能及芯片的出光效率。

以上仅是本发明的较佳应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。实际上，本领域技术人员经由本发明技术方案之启示，亦可想到采用上述方案制备具有六边形结构基本单元的微纳米结构。但是，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高GaN外延材料质量的微纳米结构，其特征在于，所述微纳米结构由阵列排布的复数个多边形图形单元组成，每一图形单元包括复数条彼此孤立的条状微纳米凸起脊，其中每一凸起脊对应于多边形的一边，且相邻凸起脊之间由平面结构连接；

所述多边形为三角形或六边形，若为三角形，则其任一顶点和与该顶点相对边之间的间距为0.5～15μm，若为六边形，则其相互平行的两条边之间的间距为0.5～15μm；

所述凸起脊的长度为0.4～15μm，其两端为曲面，且其纵向截面为曲边形结构，该曲边形包括于垂直方向上分布的一顶点和一底边，该顶点与底边的两个端点之间分别由两条曲线连接。

2.根据权利要求1所述的提高GaN外延材料质量的微纳米结构，其特征在于，所述曲边形结构的顶角为20～160°，底边长度为0.2～8μm，其顶点与底边之间的垂直距离为0.2～3μm。

3.如权利要求1所述的提高GaN外延材料质量的微纳米结构在制备发光二极管和生长GaN基外延材料中的应用。

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