CN102394262B

CN102394262B - 提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法

Info

Publication number: CN102394262B
Application number: CN 201110365062
Authority: CN
Inventors: 李志聪; 李盼盼; 李鸿渐; 李璟; 王国宏
Original assignee: YANGZHOU ZHONGKE SEMICONDUCTOR LIGHTING CO Ltd
Current assignee: YANGZHOU ZHONGKE SEMICONDUCTOR LIGHTING CO Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN102394262A

Abstract

提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法，属于半导体图形化衬底制备工艺技术领域。先在蓝宝石平面衬底上涂覆一层氯化物饱和盐溶液，经烘干后，在蓝宝石平面衬底上得到微米量级的氯化物颗粒掩模层；再在掩模层上，等离子刻蚀，得到图案化的蓝宝石衬底，然后将衬底清洗干净。本发明可以简化图形化衬底的制备工艺，降低制造成本，生长的氮化物外延层及LED结构位错密度可以得到极大降低，从而改善GaN外延材料的质量。且衬底表面的图形化处理可以增加光子被图形反射后再次出射的几率，可有效提高光提取效率，从而提高外量子效率。

Description

提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法

技术领域

本发明属于半导体生产技术领域，特别是指一种图形化衬底制备工艺。

背景技术

当前基于氮化镓基发光二极管（LED）的半导体照明技术正在向社会生活的各个方面渗透，如景观照明，特种照明，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，位错密度大，材料质量差等问题，其亮度还有待于进一步提高从而进入通用照明领域，重点是提高GaN基LED的内量子效率及光提取效率。

蓝宝石是当前主要的商业化应用的GaN基LED生长衬底，但是由于蓝宝石和GaN材料的晶格与热膨胀系数差异大，导致外延生长的材料中残余应力大，晶体缺陷多，材料质量差，限制了LED发光效率的提高。同时由于GaN与空气的折射率差别大，从LED器件内发出的光会发生全反射，导致了光提取效率很低。这也导致了LED器件更多的电能转化为了热能，导致器件可靠性差。用蓝宝石图形衬底可以弛豫异质外延生长中蓝宝石衬底和氮化物外延层晶格差异引起的晶格应力，降低氮化物外延材料中的位错密度，改善材料质量。同时光子向下照射到蓝宝石图形界面处会再次反射回来，可以有效的增大LED的光提取效率，从而提高器件的外量子效率。

目前常用的图形衬底通常采用先在蓝宝石衬底表面淀积一层氧化硅，然后在氧化硅上涂覆光刻胶，然后利用光刻技术定义出图形的尺寸，并腐蚀掉非图形区域的氧化硅，然后以氧化硅为刻蚀掩模，最后用浓硫酸和磷酸混合溶液进行湿法腐蚀，或者用等离子干法腐蚀技术刻蚀蓝宝石得到图形化衬底。或者采用改进的方法以光刻胶为刻蚀掩模。但是这些方法具有以下弊端：

1、采用半导体光刻工艺，制备工艺复杂，增加了生产成本；

2、图形转移过程较多，图形的一致性不易控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种工艺简单、图形易控的提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）在蓝宝石平面衬底上涂覆一层氯化物饱和盐溶液，所述氯化物为氯化钠、氯化铯、氯化钾中的任意一种；

2）将涂覆有氯化物饱和盐溶液的蓝宝石衬底烘干，烘干温度范围为50℃～ 300℃，在蓝宝石平面衬底上得到微米量级的用于干法刻蚀的氯化物颗粒掩模层；

3）在掩模层上，在离子刻蚀气体存在的条件下，以等离子刻蚀设备进行刻蚀30秒到30分钟，得到图案化的蓝宝石衬底，然后将衬底清洗干净。

本发明可以简化图形化衬底的制备工艺，降低制造成本，生长的氮化物外延层及LED结构位错密度可以得到极大降低，从而改善GaN外延材料的质量。且衬底表面的图形化处理可以增加光子被图形反射后再次出射的几率，可有效提高光提取效率，从而提高外量子效率。

另，本发明所述氯化物颗粒掩模层的尺寸为0.1～10μm，厚度为0.05～50μm，这些颗粒状物质用于等离子刻蚀蓝宝石衬底的掩模，从而形成相应尺寸的图形。

本发明所述图案化的蓝宝石衬底的图形底部尺寸为0.1～10μm，图形间距为0.1～5μm，图形高度为0.1～3μm，这些尺寸的图形可以有效的缓解在蓝宝石上异质外延生长三族氮化物存在的应力大的问题，改善材料质量，提高内量子效率；同时这些图形能有效的形成光学反射，提高LED的出光效率。

所述离子刻蚀气体为Cl₂、BCl₃、Ar或He，利用这些气体可以获得较好的深宽比的图形剖面，得到理想的图形形状。

附图说明

图1为采用普通工艺形成的衬底与本发明形成衬底上LED的光通量与外量子效率对比曲线图。

图2 为在本发明制成的PSS与普通衬底上生长的GaN的XRD （0002）方向半宽对比曲线图。

图3 为在本发明制成的PSS与普通衬底上生长的GaN的XRD （10-12）方向半宽对比曲线图。

具体实施方式

一、图形化衬底制备步骤：

1、在蓝宝石平面衬底上涂覆一层氯化物饱和盐溶液，该氯化物可以是氯化钠、氯化铯、氯化钾等氯化物。

2、将涂覆有氯化物饱和盐溶液的蓝宝石衬底烘干，在蓝宝石平面衬底上得到尺寸为0.1～10微米、厚度为0.05～50微米的氯化物颗粒，用于干法刻蚀的掩模。

3、以Cl2、BCl3、Ar、He等气体，利用等离子刻蚀设备，在掩模层上进行30秒到30分钟刻蚀，得到图案化的蓝宝石衬底，图形特征为微米量级，图形底部尺寸为0.1～10微米，图形间距为0.1～5微米，图形高度为0.1～3微米。

将衬底清洗干净用于外延生长。

二、外延生长工艺：

1、在该图形衬底上采用金属有机化合物物理气相外延法生长一低温氮化镓成核层。其中，生长温度为500-600℃，生长压力为10000-90000Pa,生长厚度为0.01-0.1μm。

2、在氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层，得到表面平整光亮的氮化镓外延薄膜；其中，生长温度为1000～1200℃，生长压力为10000～60000Pa，生长厚度为1～5μm。

3、在非故意掺杂氮化镓上依次生长N型掺杂的氮化镓作为电子提供层，多量子阱（MQWs）发光层，以及P型掺杂的氮化镓作为空穴提供层，完成完整LED结构的生长。

其中多量子阱发光区为Al_x1Ga_y1In_1-x1-y1 N/（Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N），生长温度为650～900℃，生长压力为20000～60000Pa，多量子阱的Al_xIn_yGa_1-x-yN势垒厚度为0.005～0.05um，Al_x1Ga_y1In_1-x1-y1 N量子阱厚度为0.001～0.01um。其中多量子阱的对数为1～30对, 0≤x1≤1, 0≤x2≤1, 0≤y1≤1, 0≤y2≤1。

三、本发明方法制成的产品与普通技术方法形成的产品的GaN基LED的外量子效率和材料质量的比较试验过程及比较结果、结论：

采用本发明方法制成的蓝光LED封装后的光通量外量子效率与普通蓝宝石衬底上光通量及外量子效率对比结果见图1。

由图1可见：采用了本发明方法制备的图形衬底及其上生长的LED的光通量与外量子效率都大大高于普通方法形成的平面衬底上生长的LED，外量子效率提高了50%。

采用XRD（X射线衍射）技术表征GaN材料的质量是氮化物领域通用的方法，采用本方法生长的GaN材料与在普通蓝宝石衬底上生长的GaN材料质量的对比见图2、图3所示。

由图2、图3可见：在本发明制成的PSS上面生长的GaN与在普通衬底上生长的GaN相比，（0002）和（10-12）方向X射线衍射测试的半高宽都较小，反映出材料质量得到了改善。

结论：利用本发明制成的PSS，在其上外延生长GaN，材料质量得到了改善；在该PSS外延生长的LED的外量子效率提高了50%。

Claims

1.提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2）将涂覆有氯化物饱和盐溶液的蓝宝石衬底烘干,烘干温度范围为50℃～ 300℃，在蓝宝石平面衬底上得到微米量级的氯化物颗粒掩模层；

2.根据权利1所述提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法，其特征在于所述氯化物颗粒掩模层的尺寸为0.1～10μm，厚度为0.05～50μm。

3.根据权利1所述提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法，其特征在于所述图案化的蓝宝石衬底的图形底部尺寸为0.1～10μm，图形间距为0.1～5μm，图形高度为0.1～3μm。

4.根据权利1所述提高GaN基LED发光效率的图形化衬底制备方法，其特征在于所述离子刻蚀气体为Cl₂、BCl₃、Ar或He。