CN104218132A - 一种氮化镓图形衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种氮化镓图形衬底的制备方法，本方法先将衬底进行热处理，降温；再在衬底上生长一层氮化物成核层；退火，使衬底表面形成成核层的结晶；然后，在结晶的氮化物成核层上生长厚度为2—4um非故意掺杂氮化镓层；在非故意掺杂氮化镓层上生长N型氮化镓层并进行刻蚀最终形成图形衬底。本发明的方法可以得到不同形貌、尺寸的图案，工艺过程容易控制；刻蚀速度快，生产效率高；在NGaN结构上生长，避免了晶格失配现象，降低外延层中的位错密度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可提高LED发光效率与光取出效率的氮化镓图形衬底的方法，属于半导体技术领域。
背景技术
GaN材料是第三代半导体材料。当前，进一步降低LED制造成本，提高LED的发光效率与光取出效率，是LED产业面临的主要挑战之一。
目前，用于GaN生长最普通的衬底是蓝宝石衬底，即三氧化二铝晶体，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。为了提高LED的发光效率，人们通常采用图形衬底技术，通过在蓝宝石衬底表面制备具有细微结构的图形，然后在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延。
通常PSS衬底的制作方法如下：蓝宝石衬底上制作图形化掩膜，刻蚀蓝宝石，去掉掩膜，得到图形化的蓝宝石衬底。
由于蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀，制作过程对设备和工艺要求很高。由于蓝宝石的Al-O键键能较大，刻蚀困难，一般刻蚀速率只能达到60nm/min，而且图形形貌较难控制，整片图形做好一致性、均匀性都有一定难度。而GaN刻蚀速率能达到120nm/min。
而且，在外延生长过程中，PSS蒙古包侧壁上n面和r面不可避免地有核岛产生，这些成核岛在合并的过程中会导致新的位错出现，而且由于底部区域GaN侧向生长模式，必然导致底部平面地区产生的位错会向侧壁方向弯转，位错向侧壁转向会使得PSS顶部附近容易形成位错簇，位错簇使得漏电通道得到较大的扩展，进而器件极易发生漏电击穿。
如中国专利200910010921中揭示了一种氮化镓基LED外延片及其生长方法，通过生长非掺杂GaN层，减少外延层的位错密度。但外延片的出光效率并没有大幅度的提高。
发明内容
本发明的目的解决上述技术问题，提出一种LED图形衬底的制备方法。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
一种氮化镓图形衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用气相外延生长技术，在气相外延生长反应室里将衬底进行热处理，降温；
步骤二、在衬底上生长一层非晶氮化镓缓冲层；
步骤三、退火，使衬底表面形成多晶氮化镓缓冲层；
步骤四、在结晶的氮化物成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；
步骤五、在非故意掺杂氮化镓层生长N型氮化镓层；
步骤六、在N型氮化镓层上进行图形刻蚀；
其中，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌中的一种。
优选地，所述步骤六中的图形刻蚀是将图形转移至N型氮化镓层后，通过传统光刻工艺或纳米压印方法进行图形刻蚀。
优选地，刻蚀的图形为圆形、圆柱、三角锥、子弹头、多边形等，图形尺寸为130nm-4um。
本发明的有益效果主要体现在： 相对现有技术中在蓝宝石衬底上进行刻蚀，N型氮化镓刻蚀容易，刻蚀速度快，生产效率高，而且可以得到不同形貌、尺寸的图案，工艺过程容易控制；；在N-GaN结构上进行外延生长，避免了晶格失配现象，降低外延层中的位错密度，避免了器件发生漏电击穿现象；图形化结构接近有源层，能更有效反射从有源区发射的光子，大大提高了光提取效率。
附图说明
图1是本发明的LED外延片平面结构示意图。
具体实施方式
本发明揭示了一种氮化镓图形衬底的制备方法，以下结合图1具体介绍整个过程，包括如下步骤：
步骤一、将衬底放入气相外延生长反应室，在H2环境中，1100℃-1200℃条件下，对其进行高温净化处理。所述衬底1材料为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌中的一种。
步骤二、在衬底1上生长一层非晶氮化物成核层：氮化物成核层的生长温度为510℃—570℃，生长压力为400 mbar—800mbar，厚度为20 nm—50nm。
步骤三、在温度1050-1150℃条件下，将低温生长的非晶缓冲层通过高温形成多晶氮化镓缓冲层。
步骤四、在温度1000℃-1200℃，生长压力为200 mbar—800mbar条件下，生长1um-4um厚度的非故意掺杂氮化镓层2。
步骤五、在温度1100℃—1200℃，生长压力100-700mbar条件下，在非故意掺杂氮化镓层2上生长厚度为2—4um N型氮化镓层3；
步骤六、将生长有N型氮化镓层3的衬底取出，利用光刻或压印的方法形成目标周期性图形；
步骤七、将光刻或压印后的衬底进行刻蚀，可选用ICP/IBE/湿法刻蚀等方式，刻蚀结束后取出，进行有机、无机清洗，得到周期性凹凸图形。
其中所述的纳米压印技术采用的工艺流程为：1）首先采用电子束光刻等技术，在硅、石英、氮化硅、金刚石等材料上制备出含目标图案的母版；2）在均匀涂覆有光刻胶或蒸镀SiO2的N型氮化镓层3上涂覆一层压印胶，将母版用机械力压在压印胶上；3）将母版移去，目标图案便压印到光刻胶上，形成周期性图形。
此纳米压印的技术对于需要制备纳米级别尺寸的图形，可以很好地保持目标图形的形貌及尺寸，而且大大提高生产效率。
最后如果需要制成外延片，则可以在图形衬底上依次生长N型铝氮化镓层4、有源层5，P型氮化镓层6，即可得到完整的LED外延结构。
最后需要说明的是，纳米压印与光刻两种刻蚀方法均有各自的优点。采用纳米压印技术的优点在于不需要使用曝光机，图形尺寸可以做到纳米级。而光刻工艺可以借鉴目前蓝宝石图形衬底的制备方法，工艺成熟，尤其针对微米级图案刻蚀更为方便。具体采用何种刻蚀方法可以根据具体的需要进行选择。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种氮化镓图形衬底的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、采用气相外延生长技术，在气相外延生长反应室里将衬底进行热处理，降温；
步骤二、在衬底上生长一层非晶氮化镓缓冲层；
步骤三、退火，使衬底表面形成多晶氮化镓缓冲层；
步骤四、在结晶的氮化物成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；
步骤五、在非故意掺杂氮化镓层生长N型氮化镓层；
步骤六、在N型氮化镓层上进行图形刻蚀；
其中，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤六中的图形刻蚀需先将图形转移至N型氮化镓层后，通过光刻工艺或纳米压印方法进行图形刻蚀。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓图形衬底的制备方法，其特征在于：所述图形刻蚀的图形为圆形、圆柱、三角锥、子弹头中的一种，所述图形尺寸为130nm-4um。
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