CN102437258A - 用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法，通过对蓝宝石衬底进行第一次刻蚀，以在其表面形成周期排列的凸起微结构及间隙平台，然后基于蓝宝石各晶向具有不同的物理和化学性质特点，用氟基离子对上述图形衬底做表面处理，将处于氟基离子中凸起微结构的表面腐蚀出粗糙面，而凸起微结构之间的间隙平台则不受影响，被经过表面处理后的图形衬底在长外延的时候，凸起微结构表面由于被腐蚀成粗糙面，外延生长的时候由于没有生长平台将不成核，而凸起微结构之间由于有较大的平台，促成在凸起微结构之间的空隙上垂直方向成核，通过这样生长出的外延层，晶体缺陷明显减少，提高了晶体质量，从而达到提高芯片亮度的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，特别是涉及一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率。目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。
目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，主要包括：改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如采用倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会等。由于发光二极管芯片的衬底对芯片的发光效率有很大的影响，为减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收，可制备具有凸形微结构的发光二极管芯片衬底，该微结构还可有效改善外延生长的缺陷。中国专利公开号为CN101325237，公开日为2008年12月17日，名称为“一种发光二极管芯片及其制造方法”的申请案公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，该方法包括：制备衬底，在该衬底的上表面上形成多个凹凸微结构；在该衬底的上表面上形成缓冲图案层，该缓冲图案层具有多个分别与衬底上的所述凹凸微结构相对应的凹凸微结构；在该缓冲图案层上形成n型半导体层；在该n型半导体层的一部分上形成发光层；在该发光层上形成p型半导体层；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。该发明可以提高发光二极管芯片的发光效率。
这种具有凹凸微结构的衬底简称图形化衬底，其制作方式通常是在蓝宝石衬底上做周期性的光刻胶图形，再用ICP刻蚀技术(增强耦合等离子体)将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，即得到蓝宝石图形衬底。ICP刻蚀系统主要由四部分组成：温度控制系统、气路部分、能量产生系统和真空系统。如图1所示ICP设备腔体结构示意图，刻蚀气体由腔室上方引入到等离子体腔室，其流量由质量流量计控制。有两套自动匹配网络控制的射频源，第一套ICP射频源控制等离子体的产生，调节等离子体密度；第二套偏压射频源控制等离子体轰击刻蚀表面的能量。刻蚀生成物从基板两边由高效率的涡轮真空泵抽走。基板温控系统可以对基片的温度进行控制，满足不同基片温度下刻蚀的需要。
蓝宝石图形衬底技术被LED市场验证是一种最具实用性的提升亮度的技术，目前此种技术已被大部分LED芯片厂家所采用。但是，由于蓝宝石图形衬底表面具有凹凸微结构，会导致LED芯片在外延生长的过程中出现大量的缺陷从而大大的降低LED芯片的发光效率。如何在图形衬底表面生长出高质量的外延层LED芯片领域研究工作者的研究对象。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法，用于解决现有技术中LED芯片外延生长出现大量缺陷的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：1)提供一半导体衬底，对所述半导体衬底进行第一次刻蚀，以在其表面形成多个凸起微结构，且各该凸起微结构之间具有间隙平台；2)进行第二次刻蚀，以在各该凸起微结构的表面形成粗糙纹理。
在本发明的制备方法中，所述凸起微结构为锥体状微结构。优选地，所述锥体状微结构为圆锥状微结构或多面体锥状微结构。
在本发明的制备方法中，各该凸起微结构呈周期性排列。
在本发明的制备方法中，所述第二次刻蚀步骤采用干法刻蚀设备进行刻蚀。优选地，所述干法刻蚀设备采用SF6或CF4气体作为刻蚀气体。所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～100％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～100％，刻蚀压力为0.1～0.5pa，气体流量为50～200sccm，处理时间为5～15分钟，优选地，所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～50％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～80％，刻蚀压力为0.2～0.5pa，气体流量为50～150sccm，处理时间为5～10分钟。
本发明还提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：所述图形衬底的表面形成有多个凸起微结构，各该凸起微结构之间具有间隙平台，且各该凸起微结构的表面具有粗糙纹理。
在本发明的图形衬底中，所述凸起微结构为锥体状微结构。优选地，所述锥体状微结构为圆锥状微结构或多面体锥状微结构。各该凸起微结构呈周期性排列。
如上所述，本发明的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法，具有以下有益效果：通过对蓝宝石衬底进行第一次刻蚀，以在其表面形成周期排列的凸起微结构及间隙平台，然后基于蓝宝石各晶向具有不同的物理和化学性质特点，用氟基离子将刻蚀好的图形衬底做表面处理，由于图形衬底上凸起微结构与间隙平台的化学性质不同，利用氟基离子腐蚀速率不一样的差别，合理的设定刻蚀参数，可以将处于氟基离子中凸起微结构的表面腐蚀出粗糙面，而凸起微结构之间的间隙平台则不受影响，这样的被经过表面处理后的图形衬底在长外延的时候，凸起微结构表面由于被腐蚀成粗糙面，外延生长的时候由于没有生长平台将不成核，而凸起微结构之间由于有较大的平台，促成在凸起微结构之间的空隙上垂直方向成核，通过这样生长出的外延层，晶体缺陷明显减少，提高了晶体质量，从而达到提高芯片亮度的目的。
附图说明
图1显示为ICP设备腔体结构示意图。
图2显示为本发明的制备方法步骤1)中所呈现的结构示意图。
图3显示为本发明的制备方法步骤2)中所呈现的结构示意图。
图4～图5显示为在本发明的制备方法所制备的图形衬底上外延层生长过程的效果图。
元件标号说明
11半导体衬底
12凸起微结构
13间隙平台
121粗糙纹理
21外延层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
请参阅图2～图5，如图所示，本发明提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，所述方法至少包括以下步骤：
请参阅图2，如图所示，首先进行步骤1)，提供一半导体衬底11，对所述半导体衬底11进行第一次刻蚀，以在其表面形成多个凸起微结构12，且各该凸起微结构之间具有间隙平台13。在本实施例中，所述半导体衬底11选用蓝宝石衬底，所述第一次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行，在具体的实施过程中，将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，采用BCl3气体作为刻蚀气体或BCl3和Cl2混合气体作为刻蚀气体，根据需要采用适当的ICP刻蚀设备的RF射频源功率与偏压射频源功率，合适的刻蚀压力与He冷温度对所述的蓝宝石衬底进行刻蚀，以在其表面形成周期性排列的锥体状微结构12，其中，所述的锥体状微结构12为圆锥状微结构或多面体锥状微结构。
请参阅图3，如图所示，然后进行步骤2)，对步骤1)完成后所得结构进行第二次刻蚀，以在各该凸起微结构12的表面形成粗糙纹理121。基于蓝宝石各晶向具有不同的物理和化学性质特点，用氟基离子将刻蚀好的图形衬底做表面处理，由于图形衬底上凸起微结构与间隙平台的化学性质不同，利用氟基离子腐蚀速率不一样的差别，合理的设定刻蚀参数，可以将处于氟基离子中凸起微结构的表面腐蚀出粗糙面，而凸起微结构之间的间隙平台则不受影响。在本实施例中，所述第二次刻蚀步骤采用干法刻蚀设备进行刻蚀。在具体的实施过程中，所述干法刻蚀设备采用SF6或CF4气体作为刻蚀气体。所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～100％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～100％，刻蚀压力为0.1～0.5pa，气体流量为50～200sccm，处理时间为5～15分钟，所述粗糙纹理为周期性排列的纳米级的金字塔凸起或者是周期性排列的纳米级锥体状结构。
请参阅图3，如图所示，本发明还提供一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：所述图形衬底11的表面形成有多个凸起微结构12，各该凸起微结构12之间具有间隙平台13，且各该凸起微结构12的表面具有粗糙纹理121。在本实施例中，各该凸起微结构呈周期性排列。所述凸起微结构12为锥体状微结构。其中，所述锥体状微结构为圆锥状微结构或多面体锥状微结构，所述粗糙纹理为周期性排列的纳米级的金字塔凸起或者是周期性排列的纳米级锥体状结构。
在传统的蓝宝石图形衬底上生长外延层的过程中，由于蓝宝石图形衬底表面具有凹凸微结构，在生长外延层的过程中，间隙平台与凸起微结构的侧壁上会同时生长外延晶体，这会导致LED芯片在外延生长的过程中出现大量的缺陷，如位错缺陷，从而大大的降低LED芯片的发光效率。图4～图5为在本发明的制备方法所制备的图形衬底上外延层生长过程的效果图。如图所示，采用本发明的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底生长外延层，在生长前期，凸起微结构表面由于被腐蚀成粗糙面，外延生长的时候由于没有生长平台将不成核，而凸起微结构之间由于有较大的平台，促成在凸起微结构之间的空隙上垂直方向成核，如图4所示，外延层21在所述平台垂直方向上首先会生长到一定高度，然后所述外延层21才会开始往横向方向生长，最后形成平整的外延层21，如图5所示。通过这样生长出的外延层，晶体缺陷明显减少，提高了晶体质量，从而达到提高芯片亮度的目的
实施例2
请参阅图2～图5，如图所示，所述用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法的基本的实施步骤如实施例1，所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～50％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～80％，刻蚀压力为0.2～0.5pa，气体流量为50～150sccm，处理时间为5～10分钟。
请参阅图3，如图所示，所述用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的结构如实施例1所示。
通过本发明的处理工艺，可以制作出高质量的图形化蓝宝石衬底，提高LED芯片光提取效率。通过图形表面处理后，亮度可以提高10％，如下表所示。
| VF1 | VZ1 | IR | LOP(mw) | WLD | |
| 没被处理过的芯片亮度 | 3.21 | 38.5 | 0.03 | 18.2 | 457.9 |
| 处理过的芯片亮度 | 3.22 | 38.4 | 0.03 | 20.1 | 457.8 |
综上所述，本发明用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底及其制备方法，通过对蓝宝石衬底进行第一次刻蚀，以在其表面形成周期排列的凸起微结构及间隙平台，然后基于蓝宝石各晶向具有不同的物理和化学性质特点，用氟基离子将刻蚀好的图形衬底做表面处理，由于图形衬底上凸起微结构与间隙平台的化学性质不同，利用氟基离子腐蚀速率不一样的差别，合理的设定刻蚀参数，可以将处于氟基离子中凸起微结构的表面腐蚀出粗糙面，而凸起微结构之间的间隙平台则不受影响，这样的被经过表面处理后的图形衬底在长外延的时候，凸起微结构表面由于被腐蚀成粗糙面，外延生长的时候由于没有生长平台将不成核，而凸起微结构之间由于有较大的平台，促成在凸起微结构之间的空隙上垂直方向成核，通过这样生长出的外延层，晶体缺陷明显减少，提高了晶体质量，从而达到提高芯片亮度的目的。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
1)提供一半导体衬底，对所述半导体衬底进行第一次刻蚀，以在其表面形成多个凸起微结构，且各该凸起微结构之间具有间隙平台；
2)进行第二次刻蚀，以在各该凸起微结构的表面形成粗糙纹理。
2.根据权利要求1所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述凸起微结构为锥体状微结构。
3.根据权利要求2所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述锥体状微结构为圆锥状微结构或多面体锥状微结构。
4.根据权利要求2或3所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：各该凸起微结构呈周期性排列。
5.根据权利要求1所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述第二次刻蚀步骤采用干法刻蚀设备进行刻蚀。
6.根据权利要求5所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述干法刻蚀设备采用SF6或CF4气体作为刻蚀气体。
7.根据权利要求5所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～100％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～100％，刻蚀压力为0.1～0.5pa，气体流量为50～200sccm，处理时间为5～15分钟。
8.根据权利要求5所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底的制备方法，其特征在于：所述干法刻蚀设备中，RF射频源功率为设备额定功率的30％～50％之间，偏压射频源功率为设备额定功率的50％～80％，刻蚀压力为0.2～0.5pa，气体流量为50～150sccm，处理时间为5～10分钟。
9.一种用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：所述图形衬底的表面形成有多个凸起微结构，各该凸起微结构之间具有间隙平台，且各该凸起微结构的表面具有粗糙纹理。
10.根据权利要求9所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：所述凸起微结构为锥体状微结构。
11.根据权利要求10所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：所述锥体状微结构为圆锥状微结构或多面体锥状微结构。
12.根据权利要求10或11所述的用于控制氮化镓生长成核位置的图形衬底，其特征在于：各该凸起微结构呈周期性排列。
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