CN102810612B - 一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法。硅图形衬底是在硅衬底表面刻蚀有周期性排列的矩形区域图案，每个矩形区域覆盖一层SiO2掩膜，且在SiO2掩膜中心光刻出Si表面。所述制备方法包括蒸镀、光刻、刻蚀等工艺，简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。制备LED器件时，镀P型电极前，可用绝缘掩膜遮挡每个矩形区域图案中心刻出Si表面图形区域，因而降低电流在芯片高密度缺陷区域的流通，减少电子的非辐射复合，提高LED性能。另外，该结构中，SiO2阻隔GaN与硅衬底的接触，侧向生长GaN及LED结构，从而减少位错等缺陷，提高GaN和LED外延片质量，提高LED性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法。
背景技术
GaN基高亮度发光二极管（LED）是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点，当前GaN材料主要是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石的价格昂贵，使得GaN基发光二极管的成本降不下来，也难以实现大尺寸的蓝宝石衬底上生长。而硅（Si）材料由于其价格低廉，电学性能良好，易导热，以硅衬底代替蓝宝石衬底成为当前研究的热点。
但是由于硅材料与氮化镓材料之间晶格失配和热失配大，导致大量的位错产生，并且很容易出现裂纹。高的位错密度与裂纹影响了器件的性能以及良品率。因此，对硅衬底的表面进行设计，提高GaN材料和器件的性能成为当前研究和产业关注的热点。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有硅衬底作为生长GaN外延片的缺陷，提供一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法，并进一步对衬底的图形尺寸进行精确的限定，解决在硅（111）面上生长GaN外延片位错密度大、容易龟裂的技术难题，具体技术方案如下。
一种生长GaN基LED的硅图形衬底，所述硅图形衬底的硅（111）面衬底上刻蚀有周期性排列的矩形区域，每个矩形区域覆盖一层SiO2掩膜，且在每个矩形区域的该层SiO2掩膜中心光刻出Si表面。
进一步研究得到的方案中，所述矩形图形尺寸为100μm×100μm～5000μm×5000μm；矩形区域之间的间隔为10μm～15μm，间隔深度为5μm～20μm。由于矩形区域之间间隔宽度和深度设计，使得GaN外延片生长时只在每个区域形成连续的矩形薄膜或器件结构，矩形薄膜或器件结构之间不连续，形成周期性排列。因此，每一个矩形区域可以直接作为一个器件芯片单元。这种不连续的区域的划分能使硅材料与GaN外延片之间的应力局限在单个矩形区域内，从而降低裂纹，提高良品率。
进一步研究得到的方案中，在每个矩形区域内的SiO2掩膜中心还刻出小于P型电极尺寸且满足上述尺寸的Si表面，单个所述Si表面图形尺寸为10μm×10μm～300μm×300μm。该图形尺寸使得GaN首先在每个矩形区域中刻出的Si表面生长，然后再侧向生长，最后在每个矩形区域生长出与LED芯片尺寸一致的外延结构。因为SiO2掩膜阻挡GaN与Si衬底接触，减少因两者晶格失配和热失配引起的高密度位错等缺陷，从而明显提高GaN材料和LED外延片质量，提高LED性能。特别是，制备LED器件时，镀P型电极前，可用绝缘掩膜遮挡每个矩形区域图案中心刻出Si表面图形区域，因而降低电流在芯片高密度缺陷区域的流通，减少电子的非辐射复合，提高LED性能。
本发明的生长GaN基LED的硅图形衬底的制备方法，包括以下步骤：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层50nm～300nm二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后烘干；
（3）光刻：在经步骤（2）处理的硅片上光刻出周期排列的矩形图案；
（4）湿法刻蚀：经步骤（3）处理得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀10~30秒钟，腐蚀出尺寸为100μm×100μm～5000μm×5000μm的矩形图案，矩形图形之间的间隔为10μm～15μm，间隔深度为5μm～20μm，取出衬底，用去离子水清洗干净；
（5）光刻：在经步骤（4）处理得到的矩形图案的SiO2掩膜中心刻出Si表面图形，Si表面图形尺寸为10μm×10μm～300μm×300μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置进行清洗去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底。
进一步的，步骤（4）所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例优选为45：15：15。
进一步的，步骤（6）所述清洗是在清洗机内用去离子水清洗5分钟。
在本发明的硅图形衬底上生长的GaN基LED外延片，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、n型层、量子阱层和p型层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：
本发明所述的硅图形衬底，与现有的图形衬底相比较，通过在已刻蚀的矩形区域图案内再继续刻出Si表面图形，由于周期性排列的矩形区域之间的间隔较大，所以能够将应力局限在单个的矩形区域内。特别的，通过上述尺寸设计，使得GaN首先在每个矩形区域中刻出的Si表面生长，然后再侧向生长，最后在每个矩形区域生长出与LED芯片尺寸一致的外延结构，该尺寸结构中，SiO2阻隔GaN与硅衬底的接触，侧向生长GaN及LED结构，从而减少因GaN与Si的晶格失配和热失配引起的高密度位错等缺陷，提高GaN和LED外延片质量，提高LED性能。特别是，制备LED器件时，镀P型电极前，可用绝缘掩膜遮挡每个矩形区域图案中心刻出Si表面图形区域，因而降低电流在芯片高密度缺陷区域的流通，减少电子的非辐射复合，提高LED性能。本发明的制备方法所限定的工艺步骤和参数容易实现，操作简便，成本低，适合工业化生产。
附图说明
图1本发明硅图形衬底表面结构示意图。
图2本发明硅图形衬底在图1中沿方向4的剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
实施例1
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形凹槽，4为剖示视图的切向。
具体制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层50nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为100μm×100μm，区域之间的间隔为15μm。
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀25秒钟，得到刻蚀所得的区域为100μm×100μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底的矩形区域中心光刻出小矩形图形，所述的小矩形图形尺寸为10μm×10μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示。
实施例2
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻有小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形台面， 4为剖示视图的切向。
制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层100nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为500μm×500μm，区域之间的间隔为15μm；
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀25秒钟，得到刻蚀所得的区域为500μm×500μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底上矩形区域中心刻出一定尺寸的Si表面图形，所述的小矩形图形尺寸为50μm×50μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示。
实施例3
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻有的小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形台面，4为剖示视图的切向。
制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层150nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为1000μm×1000μm，区域之间的间隔为15μm；
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀25秒钟，得到刻蚀所得的区域为1000μm×1000μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底上矩形区域中光刻出小矩形图形，所述的小矩形图形尺寸为100μm×100μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示。
实施例4
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻有小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形台面，4为剖示视图的切向。
制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层200nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为2000μm×2000μm，区域之间的间隔为15μm；
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀25秒钟，得到刻蚀所得的区域为2000μm×2000μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底上矩形区域光刻出小矩形图形，所述的小矩形图形尺寸为150μm×150μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示
实施例5
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻有小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形台面，4为剖示视图的切向。
具体制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层250nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为3500μm×3500μm，区域之间的间隔为15μm；
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀60分钟，得到刻蚀所得的区域为3500μm×3500μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底上矩形区域中心光刻出小矩形图形，所述的小矩形图形尺寸为200μm×200μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示。
实施例6
一种生长GaN基外延片的硅图形衬底，是为硅（111）面，所述硅面上刻蚀有矩形区域，且矩形区域内光刻有小矩形图形。硅图形衬底表面结构示意图如附图1所示，其主要方向剖示图如附图2所示。附图1和附图2中，1表示一个矩形区域，2表示区域之间的间隔槽，3为矩形区域内的小矩形台面，4为剖示视图的切向。
具体制备方法如下：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层300nm厚的二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后，送进烘箱在100℃环境下烘干；
（3）光刻：利用光刻技术在步骤（2）的已清洗的硅片上先刻成矩形区域图案，每个矩形区域为5000μm×5000μm，区域之间的间隔为15μm；
（4）湿法刻蚀：将步骤（3）得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀25秒钟，得到刻蚀所得的区域为5000μm×5000μm的矩形区域图案，区域之间的间隔为15μm，间隔的深度为20μm，取出衬底，清洗干净；所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15；
（5）光刻：利用光刻技术在步骤（4）得到的衬底上矩形区域中心光刻出小矩形图形，所述的小矩形图形尺寸为300μm×300μm；
（6）清洗：将步骤（4）得到的衬底置于去离子水清洗台内清洗干净，去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底，见附图1所示。
以上实例中， 由于周期性排列的矩形区域之间的间隔较大，所以能够将应力局限在单个的矩形区域内。特别的，通过上述尺寸设计，使得GaN首先在每个矩形区域中刻出的Si表面生长，然后再侧向生长，最后在每个矩形区域生长出与LED芯片尺寸一致的外延结构，该尺寸结构中，SiO2阻隔GaN与硅衬底的接触，侧向生长GaN及LED结构，从而减少因GaN与Si的晶格失配和热失配引起的高密度位错等缺陷，提高GaN和LED外延片质量，提高LED性能。特别是，制备LED器件时，镀P型电极前，可用绝缘掩膜遮挡每个矩形区域图案中心刻出Si表面图形区域，因而降低电流在芯片高密度缺陷区域的流通，减少电子的非辐射复合，提高LED性能。
Claims (3)
1.一种生长GaN基LED的硅图形衬底的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层50nm～300nm二氧化硅掩模层；
（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后烘干；
（3）光刻：在经步骤（2）处理的硅片上光刻出周期排列的矩形图案；
（4）湿法刻蚀：经步骤（3）处理得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀10~30秒钟，腐蚀出尺寸为100μm×100μm～5000μm×5000μm的矩形图案，矩形图形之间的间隔为10μm～15μm，间隔深度为5μm～20μm，取出衬底，用去离子水清洗干净；
（5）光刻：在经步骤（4）处理得到的矩形图案的SiO2掩膜中心刻出Si表面，Si表面尺寸为10μm×10μm～300μm×300μm；
（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置进行清洗去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（4）所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例为45：15：15。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤（6）所述清洗是在清洗机内用去离子水清洗5分钟。
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