CN103681977A - 一种提高GaN-LED出光稳定性的低损伤图形衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高GaN-LED出光稳定性的低损伤图形衬底的制备方法。该方法包括按现有技术在蓝宝石衬底上制备规则的掩膜图形，湿法腐蚀制出蓝宝石图形衬底,最后去除掩膜层，其中，在湿法腐蚀前，在蓝宝石衬底下面蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜层的厚度为0.1-1μm，以保护衬底，得到的图形衬底透明度均一，在图形衬底上生长外延层，该过程中生长均一性将明显提高，制得的GaN-LED出光稳定性好。

Description

一种提高GaN-LED出光稳定性的低损伤图形衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及一种能提高GaN-LED出光稳定性的低损伤图形衬底制备方法，属于光电子技术图形衬底领域。

背景技术

在半导体领域中，GaN材料的外延层主要是生长在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产应用成熟、质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械硬度高，易于处理和清洗，因此大多数GaN-LED采用蓝宝石衬底生长。但蓝宝石衬底上生长GaN材料，存在较多的问题，其中最大的问题是表面出光问题，虽然GaN基LED已经产业化，但是芯片出光效率低的问题仍然没有很好的解决。根据GaN基LED的发光性质来看，一般用来提高GaN基LED的发光效率主要有两种途径，一种是提高其内量子效率，一种是提高其外量子效率。由于GaN功率型LED材料一般都是采用MOCVD的外延生长和多量子阱的结构，但是提升内量子效率不明显。

经研究发现PSS（Patterned Sapphire Substrate）结构的衬底使朝下的光的传播方向从几乎规定的方向到任意方向能有效提高LED的出光效率。PSS一方面可以解决由于蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配这一问题，同时PSS微型图形结构改变了GaN的生长过程，能够抑制缺陷向外延表面延伸，降低了外延的缺陷密度。另一方面，GaN与蓝宝石衬底的折射率和空气的折射率存在差距，GaN材料的折射率（2.4）高于蓝宝石衬底（1.7）和空气的折射率（1.0），PSS图形结构改变了有源区发出光的传播路线，有源区发出的光入射到PSS图形上反射回去，经过GaN材料入射到GaN与空气的界面，与普通蓝宝石平面比较，减小了入射角，减少全反射的机会，增加出光机会，使更多的光经PSS结构作用反射出来，这样就提高了光提取效率。目前，PSS制备主要有干法刻蚀与湿法腐蚀两种方法制备，通过比较发现湿法腐蚀工艺比较简单，程序单一，制作成本低，受到业内人士广泛关注。

CN1700449（CN200410038260.4）公开了一种湿法腐蚀蓝宝石图形衬底的方法，包括如下的步骤：1)采用常规技术在蓝宝石上蒸镀二氧化硅掩膜层；2)利用光刻技术在蒸镀了二氧化硅掩膜层的蓝宝石上光刻出条形二氧化硅掩膜图形；3)湿法腐蚀，200～600℃腐蚀0.5～40小时，取出衬底，用去离子水冲洗干净；4)将经湿法腐蚀的衬底放入氢氟酸溶液中，直至在显微镜下观察到二氧化硅掩膜层被完全腐蚀后，取出衬底，再用去离子水冲洗干净，即得到。该方法采用直接形成图形的衬底生长外延层，避免了采用二氧化硅层条纹衬底生长时对生长层的污染；与干法刻蚀相比湿法刻蚀有利于保护衬底免受损伤和污染，降低成本；在得到的图形衬底上外延生长GaN基时，穿透位错方向由垂直偏转为水平，从而减小GaN基外延层穿透位错的密度，提高外延层晶体质量，降低半导体发光材料的非辐射复合中心，增强辐射复合。但是湿法腐蚀制备出的衬底由于在高温酸中腐蚀，蓝宝石是可以与酸发生化学反应，制备出的PSS，背面由于酸的腐蚀，出现一半透明一半不透明，在外延生长过程中难以监控，生长的外延片测试发光强度波动很大，不稳定。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种低损伤的图形衬底制备方法，所得衬底能提高GaN-LED出光的稳定性。

术语解释：

1、GaN-LED：GaN基发光二极管。

2、PSS：Patterned Sapphire Substrate，蓝宝石图形衬底。

3、MOCVD：Metal Organic Chemical Vapour Deposition，金属有机物化学气相沉积。

4、PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体化学气相沉积。

5、ICP：Inductive Coupled Plasma，感应耦合等离子体刻蚀。

本发明的技术方案如下：

一种低损伤的图形衬底的制备方法，包括按现有技术在蓝宝石衬底上制备规则的掩膜图形，湿法腐蚀制出蓝宝石图形衬底（PSS），最后去除掩膜层，其特征在于，在湿法腐蚀前，利用等离子体化学气相沉积（PECVD）工艺在蓝宝石衬底下面蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜层的厚度为0.1-1μm。

根据本发明优选的，一种低损伤的图形衬底的制备方法，步骤如下：

（1）在蓝宝石衬底上面利用PECVD工艺蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜层，掩膜层的厚度为0.1-1μm；

（2）在上述掩膜层上涂上一层光刻胶，利用光刻胶将图形转移到掩膜层上，显影后，采用感应耦合等离子体刻蚀（ICP），以SF6气体刻蚀掩膜层，然后按常规方法去掉光刻胶，用去离子水清洗，形成规则的掩膜图形；

（3）将步骤（2）制得的蓝宝石衬底，利用PECVD工艺在衬底下面蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜层的厚度为0.1-1μm；

（4）湿法腐蚀

将步骤（3）的制品在硫酸和磷酸混合的高温酸中250～400℃腐蚀15～40分钟，取出，用去离子水冲洗干净，得到刻蚀有图形的蓝宝石衬底；

（5）然后按常规方法去掉蓝宝石衬底掩膜层，再通过丙酮、乙醇、去离子水清洗，即得低损伤的图形衬底。

根据本发明优选的，步骤（2）中，所述规则的掩膜图形优选直径1－4μm、间距0.5～2μm的圆形，或边长1～4μm、间距0.5～2μm的正方形。

根据本发明优选的，步骤（4）湿法腐蚀中所用的高温酸为质量分数98%的硫酸和质量分数85%的磷酸按体积比5～15∶1的混合。

根据本发明优选的，步骤（4）湿法腐蚀制得蓝宝石衬底正面刻蚀有台面高度为1～10μm的图形衬底。

根据本发明优选的，步骤（5）中常规方法去掉掩膜层，是用质量分数4%的氢氟酸溶液常温浸泡腐蚀去除掩膜层。

根据本发明优选的，步骤（1）、步骤（3）中所述的掩膜层的厚度为0.1～0.5μm；进一步优选掩膜层的厚度为0.1μm。

一种提高GaN-LED的出光稳定性的方法，包括使用本发明制备的低损伤图形衬底，在本发明方法制备的低损伤的图形衬底上利用金属气相沉积法生长GaN-LED的外延层。进一步制成GaN-LED产品，能提高GaN-LED的出光稳定性。

本发明是在湿法制备图形衬底的过程中，腐蚀前增加一个步骤，在衬底下面蒸镀上一层掩膜，保护下面不被高温酸腐蚀，图形制备完成后两次同时去除，衬底本身保持不透明，外延生长后制得的GaN-LED产品发光的稳定性更好，而且能使外延生长过程更容易控制。

本发明的优良效果如下：

1、本发明在衬底下面蒸镀保护湿法腐蚀制备低损伤的蓝宝石图形衬底，使得在此衬底上生长外延层的出光稳定性更好。

2、在本发明制备的低损伤的蓝宝石图形衬底上用金属气相沉积法生长GaN-LED外延层时，整个生长过程更容易监控，提高了外延层生长工艺的稳定性。

附图说明

图1是本发明方法步骤（1）衬底上蒸镀一层二氧化硅或氮化硅掩膜层。

图2是本发明方法步骤（2）ICP刻蚀并去掉光刻胶后形成的掩膜图形。

图3是本发明方法步骤（3）蓝宝石衬底下面蒸镀一层二氧化硅或氮化硅掩膜层。

图4是本发明方法步骤（5）制备完成的蓝宝石图形衬底。

其中，1、二氧化硅或氮化硅掩膜层，2、蓝宝石衬底，3、掩膜图形，4、衬底下面掩膜层，5、低损伤蓝宝石图形衬底。

图5是实施例1的蓝宝石图形衬底上MOCVD生长制备的GaN-LED产品及对照例产品测得光致发光强度图，其中横坐标为序号（Size），纵坐标为光致发光强度（a.u.）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例中使用的光刻机为Quintel4004光刻机。实施例中使用的衬底是台湾晶美2英寸蓝宝石衬底。

实施例1：

一种低损伤的图形衬底的制备方法，步骤如下：

（1）在蓝宝石衬底2上利用PECVD工艺蒸镀一层二氧化硅掩膜层1，掩膜层1的厚度为0.1μm；如图1所示；

（2）在步骤（1）制得的掩膜层上涂上一层光刻胶，利用光刻胶做掩膜，Quintel4004光刻机曝光将图形转移到掩膜层上，显影后，利用ICP设备，以SF6气体刻蚀掩膜层，然后按常规方法去掉光刻胶，用去离子水清洗，形成规则的掩膜图形；掩膜图形为直径2μm、间距1μm的圆形，如图2；

（3）将步骤（2）制的蓝宝石衬底利用PECVD工艺在衬底下面蒸镀一层二氧化硅掩膜层4，掩膜层4厚度为0.1μm；如图3；

（4）将步骤（3）的制品在高温酸中腐蚀，所述的高温酸是质量分数98%硫酸和质量分数85%磷酸按体积比10：1的混合，腐蚀温度250℃，腐蚀时间15min,制备出衬底上面刻蚀有台面高度为1.5μm的蓝宝石图形衬底，取出用去离子水冲洗；

（5）然后按常规方法，将步骤（4）的制品置于质量分数为4%的氢氟酸溶液常温浸泡腐蚀去掉衬底掩膜层，最后，通过丙酮、乙醇、去离子水清洗即得到低损伤的蓝宝石图形衬底；如图4。

对照例1：

图形衬底的制备如实施例1所述，所不同的是，省去步骤（3）在衬底上蒸镀掩膜层的操作。其他工艺条件与实施例完全相同。得常规蓝宝石图形衬底。

应用测试实验例：

分别取实施例1制备出的低损伤的蓝宝石图形衬底，及对照例1常规蓝宝石图形衬底，再利用MOCVD法生长GaN-LED的外延层，首先生长低温成核层，然后生长掺Si的N型GaN，量子阱发光区，最后生长一层掺Mg的P型GaN。按现有技术制得GaN-LED。

测试实施例1及对照例1的蓝宝石图形衬底生长制备的GaN-LED的出光性能，测试方法是测试管芯的光致发光强度，测结果如图5所示。

由图5的两条测试曲线对比可知，本发明方法制备的低损伤的蓝宝石图形衬底生长外延层制备的GaN-LED管芯出光稳定性明显变得更好，生长过程更易监控。

实施例2：

一种低损伤的图形衬底的制备方法，步骤如下：

（1）在蓝宝石衬底2上利用PECVD工艺沉积一层氮化硅掩膜层1，掩膜层1的厚度为1μm；如图1；

（2）在步骤（1）掩膜层上涂上一层光刻胶，利用光刻机将图形转移到掩膜层上，显影后，利用ICP设备，以SF6气体刻蚀掩膜层，然后按常规方法去掉光刻胶，用去离子水清洗，形成规则的掩膜图形；掩膜图形为边长3μm、间距2μm的方形；

（3）将步骤（2）的产品，利用PECVD工艺在衬底下面蒸镀一层氮化硅掩膜层，掩膜层厚度为0.8μm；

（4）将步骤（3）的产品在高温酸中腐蚀，所述的高温酸是质量分数98%的硫酸和质量分数85%的磷酸按体积比8：1的混合，腐蚀温度260℃，腐蚀时间20min,制备出衬底上面刻蚀有台面高度为1.8μm的蓝宝石图形衬底，取出用去离子水冲洗；

（5）然后按常规方法去掉衬底上的掩膜层，如实施例1（5）。

实施例3：

一种低损伤的图形衬底的制备方法，步骤如下：

（1）在蓝宝石衬底2上面利用PECVD工艺蒸镀一层二氧化硅掩膜层1，掩膜层1的厚度为0.2μm；

（2）在上述的掩膜层1上按实施例1步骤（1）的方法制得规则的掩膜图形；掩膜图形为直径3μm、间距1.5μm的圆形，如图2；

（3）将步骤（2）制的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底下面利用PECVD工艺蒸镀一层二氧化硅掩膜层4，掩膜层4厚度为0.4μm；如图3；

（4）将步骤（3）的制品在高温酸中腐蚀，所述的高温酸是质量分数98%硫酸和质量分数85%磷酸按体积比12：1的混合，腐蚀温度250℃，腐蚀时间25min,制备出衬底上面刻蚀有台面高度为1μm的蓝宝石图形衬底，取出用去离子水冲洗；

（5）然后按常规方法去掉衬底的掩膜层，如实施例1步骤（5）。

Claims (6)

1.一种低损伤的图形衬底的制备方法，包括按现有技术，在蓝宝石衬底上制备规则的掩膜图形，湿法腐蚀制出蓝宝石图形衬底,最后去除掩膜层，其特征在于，在湿法腐蚀前，将蓝宝石衬底利用等离子体化学气相沉积（PECVD）工艺在蓝宝石衬底下面蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜层的厚度为0.1-1μm。

2.如权利要求1所述的低损伤的图形衬底的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）在蓝宝石衬底上面利用PECVD工艺蒸镀一层二氧化硅或者氮化硅掩膜层，掩膜层的厚度为0.1-1μm；

（2）在上述掩膜层上涂上一层光刻胶，利用光刻胶将图形转移到掩膜层上，显影后，采用感应耦合等离子体刻蚀（ICP），以SF6气体刻蚀掩膜层，然后按常规方法去掉光刻胶，用去离子水清洗，形成规则的掩膜图形；

（3）将步骤（2）制得的蓝宝石衬底利用PECVD工艺在衬底下面沉积一层二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜层的厚度为0.1-1μm；

（4）湿法腐蚀

将步骤（3）的制品在硫酸和磷酸混合的高温酸中250～400℃腐蚀15～40分钟，取出，用去离子水冲洗干净，得到上面刻蚀有图形的蓝宝石衬底；

（5）然后按常规方法去掉蓝宝石衬底掩膜层，再通过丙酮、乙醇、去离子水清洗，即得低损伤的图形衬底。

3.如权利要求1所述的低损伤的图形衬底的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述规则的掩膜图形为直径1－4μm、间距0.5～2μm的圆形，或者边长1～4μm、间距0.5～2μm的正方形。

4.如权利要求1所述的低损伤的图形衬底的制备方法，其特征在于，步骤（4）湿法腐蚀中所用的高温酸为质量分数98%的硫酸和质量分数85%的磷酸按体积比5～15∶1的混合。

5.如权利要求1所述的低损伤的图形衬底的制备方法，其特征在于，步骤（4）湿法腐蚀制得蓝宝石衬底上面刻蚀有台面高度为1～10μm的图形衬底。

6.如权利要求1所述的低损伤的图形衬底的制备方法，其特征在于，步骤（5）中常规方法去掉掩膜层，是用质量分数4%的氢氟酸溶液常温浸泡腐蚀去除掩膜层。

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