CN104638068A - 一种用于ⅲ-ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制造方法，所述制造方法包括以下步骤：1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层；2）于所述缓冲层表面形成SiO2层；3）通过光刻工艺将所述SiO2层刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起，且露出各该SiO2凸起之间的缓冲层。本发明先制备一层含有六角晶格结构的BN材料层或AlN层或AlxGa1-xN层，作为发光外延结构生长的缓冲层，然后通过光刻胶的加热回流工艺和ICP刻蚀工艺制备出周期性排列的包状的SiO2凸起，本发明既能保证生长发光外延结构的晶体质量，又能提高发光二极管的出光效率。本发明工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。

Description

一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，特别是涉及一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制造方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管是由III-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
现有的发光二极管一般采用蓝宝石作为制备衬底，为了提高发光二极管的出光效率，会于蓝宝石衬底表面制备出周期排列的多个凸起结构，然后再制备GaN基发光外延结构。然而，具有凸起结构的蓝宝石衬底，直接进行GaN发光外延结构的沉积往往会带来巨大的晶体缺陷，严重影响发光二极管的亮度，因此，现有的一种制备过程是，先于1100℃左右对具有凸起结构的蓝宝石衬底表面进行H2还原处理，然后通入反应源，采用低温化学气相沉积法于蓝宝石衬底表面沉积一层低温GaN层，接着停止反应源的通入，并升温至1050℃左右使该层低温GaN层在蓝宝石衬底表面的平台上进行重组，形成GaN基发光外延结构的成核位置，最后开始沉积GaN基发光外延结构，完成后续发光二极管的制备。
对于以上的发光二极管制备方法，需要多步才能形成GaN基发光外延结构的成核位置，工艺复杂，成本较高，而且，蓝宝石衬底的折射率较高，为1.8左右，即使于其表面形成凸起结构，对发光二极管的出光率的提升也有很大的限制。
因此，提供一种可以有效提高GaN基发光二极管生长质量、并且能提高发光二极管出光率的制备方法实属必要。
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Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制造方法，用于解决现有技术中发光二极管生长质量及出光率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，至少包括以下步骤：
1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层；
2）于所述缓冲层表面形成SiO2层；
3）通过光刻工艺将所述SiO2层刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起，且露出各该SiO2凸起之间的缓冲层。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，所述生长衬底的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的的一种优选方案，所述缓冲层的厚度为50～400埃。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，所述缓冲层为采用低温化学气相沉积法所制备的低温AlxGa1-xN层，0≤X≤0.5，制备的温度范围为450～700℃。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，所述缓冲层为采用溅射法所制备的AlN层，所述AlN层的主要晶向为（0001）取向。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，所述缓冲层为BN材料层。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，步骤2）采用等离子体增强化学气相沉积法于所述缓冲层表面形成SiO2层。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，步骤2）所述的SiO2层的厚度为0.2～2μm。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，所述多个SiO2凸起呈周期性间隔排列，SiO2凸起的宽度为1～4μm，间距为0.5～3μm。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法的一种优选方案，步骤3）所述的SiO2凸起为SiO2包状凸起、SiO2圆锥状凸起或SiO2金字塔状凸起。
进一步地，所述SiO2凸起为SiO2包状凸起，步骤3）包括以下步骤：
3-1）于所述SiO2层表面形成光刻胶层，通过曝光工艺将所述光刻胶层制作成间隔排列的多个光刻胶块；
3-2）通过加热回流工艺使所述多个光刻胶块回流成多个包状的光刻胶块；
3-3）采用感应耦合等离子体刻蚀法将各该包状的光刻胶块的形状转移至所述SiO2层，形成多个SiO2包状凸起，且露出各该SiO2包状凸起之间的缓冲层，用于后续GaN基发光外延结构的成核生长。
本发明还提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，至少包括：生长衬底；用于后续发光外延结构生长的缓冲层，结合于所述生长衬底表面；以及多个SiO2凸起，间隔排列于所述缓冲层表面。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述生长衬底的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述缓冲层的厚度为50～400埃。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述缓冲层为（0001）晶向的AlN层；或AlxGa1-xN层，其中，0≤X≤0.5；或BN材料层。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述SiO2凸起的高度为0.2～3μm。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述多个SiO2凸起呈周期性间隔排列，SiO2凸起的宽度为1～4μm，间距为0.5～2μm。
作为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的一种优选方案，所述SiO2凸起为SiO2包状凸起、SiO2圆锥状凸起或SiO2金字塔状凸起。
如上所述，本发明提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制造方法，所述制造方法包括以下步骤：1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层；2）于所述缓冲层表面形成SiO2层；3）通过光刻工艺将所述SiO2层刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起，且露出各该SiO2凸起之间的缓冲层。本发明先制备一层含有六角晶格结构的BN材料层或AlN层或AlxGa1-xN层，作为发光外延结构生长的缓冲层，然后通过光刻胶的加热回流工艺和ICP刻蚀工艺制备出周期性排列的包状的SiO2凸起。本发明既能保证生长发光外延结构的晶体质量，又能提高发光二极管的出光效率。本发明工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。
附图说明
图1～图2显示为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图3显示为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图4～图7显示为本发明的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法步骤3）所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101                   生长衬底
102                   缓冲层
103                   SiO2层
104                   光刻胶层
105                   光刻胶块
106                   包状的光刻胶块
107                   SiO2凸起
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1～图7。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
如图1～图7所示，本实施例提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，至少包括以下步骤：
如图1～图2所示，首先进行步骤1），提供一生长衬底101，于所述生长衬底101表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层102。
作为示例，所述生长衬底101的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。在本实施例中，所述生长衬底101为平片型蓝宝石衬底，其表面为平直面。所述缓冲层102为采用低温化学气相沉积法所制备的低温AlxGa1-xN层（0≤X≤0.5），优选为低温AlxGa1-xN层（0≤X≤0.2），制备的温度范围为450～700℃。在本实施例中，所述低温AlxGa1-xN层（0≤X≤0.5）的制备温度为500℃，所述低温AlxGa1-xN层（0≤X≤0.5）为低温GaN层或Al0.1Ga0.9N层等。
作为示例，所述缓冲层102的厚度为50～400埃。在本实施例中，所述缓冲层102的厚度为200埃。当然，此处所列举的厚度范围为最优选的范围，在其它的实施例中，所述缓冲层102的厚度可以根据实际需求进行选择，并不限定于此。
由于所述低温AlxGa1-xN层制备的温度较低，所需制备的厚度较小，在保证后续发光外延结构（尤其是GaN基发光外延结构）成核生长的同时，可以有效地降低生产成本。
如图3所示，然后进行步骤2），于所述缓冲层102表面形成SiO2层103。
在本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法于所述缓冲层102表面形成SiO2层103。当然，在其它的实施例中，所述SiO2层103可以采用预期的一切制备方法进行制备，并不限定于此处所列举的一种。
作为示例，所述的SiO2层103的厚度为0.2～3μm。在本实施例中，所述SiO2层103的厚度为1μm。
如图4～图7所示，最后进行步骤3），通过光刻工艺将所述SiO2层103刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起107，且露出各该SiO2凸起107之间的缓冲层102。
作为示例，所述多个SiO2凸起107呈周期性间隔排列，SiO2凸起107的宽度为1～4μm，间距为0.5～2μm。在本实施例中，所述SiO2凸起107的周期为3μm，宽度为2μm，间距为1μm。
作为示例，所述的SiO2凸起107为SiO2包状凸起。表面较平缓的SiO2包状凸起可以有效提高后续发光外延结构（尤其是GaN基发光外延结构）的生长质量。当然，在其它的实施例中，所述SiO2凸起107也可以为SiO2圆锥状凸起、SiO2金字塔状凸起等，并不限定于此。
具体地，步骤3）包括以下步骤：
如图4～图5所示，首先进行步骤3-1），于所述SiO2层103表面形成光刻胶层104，通过曝光工艺将所述光刻胶层104制作成间隔排列的多个光刻胶块105。在本实施例中，所述多个光刻胶块105为长方体状。
如图6所示，然后进行步骤3-2），通过加热回流工艺使所述多个光刻胶块105回流成多个包状的光刻胶块106。
如图7所示，最后进行步骤3-3），采用感应耦合等离子体刻蚀法将各该包状的光刻胶块106的形状转移至所述SiO2层103，形成多个SiO2包状凸起，且露出各该SiO2包状凸起之间的缓冲层102，用于后续GaN基发光外延结构的生长。当然，通过不同的工艺可以制作出不同的光刻胶形状，如圆锥状、金字塔状等，以此为掩膜层可制备出SiO2圆锥状凸起、SiO2金字塔状凸起等。
由于SiO2的折射率一般为1.3～1.4，相比于蓝宝石衬底101有较大的降低，因此，可以有效提高GaN基发光二极管的出光率。
如图7所示，本实施例还提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，至少包括：生长衬底101；后续发光外延结构生长的缓冲层102，结合于所述生长衬底表面；以及多个SiO2凸起107，间隔排列于所述缓冲层102表面。
作为示例，所述生长衬底101的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。在本实施例中，所述生长衬底101为蓝宝石衬底。
在本实施例中，所述缓冲层102为AlxGa1-xN层，其中，0≤X≤0.5。
作为示例，所述缓冲层102的厚度为50～400埃；所述SiO2凸起107的高度为0.2～3μm。
作为示例，所述多个SiO2凸起107呈周期性间隔排列，SiO2凸起107的宽度为1～4μm，间距为0.5～2μm。
作为示例，所述SiO2凸起107为SiO2包状凸起、SiO2圆锥状凸起或SiO2金字塔状凸起。
实施例2
如图1～图7所示，本实施例提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其基本步骤如实施例1，其中，所述缓冲层102为采用溅射法所制备的AlN层，所述AlN层的晶向或者主要晶向为（0001）取向。相比于低温AlxGa1-xN层，溅射法制备AlN层的好处是厚度可控性强、晶向取向度较高，同时也有利于发光外延结构（尤其是GaN基发光外延结构）的成核生长。
如图7所示，本实施例还提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其基本结构如实施例1，其中，所述缓冲层102为（0001）晶向的AlN层或（0001）为主要晶向的AlN层。
实施例3
如图1～图7所示，本实施例提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其基本步骤如实施例1，其中，所述缓冲层102为BN材料层，可以采用溅射等方法制备。
如图7所示，本实施例还提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其基本结构如实施例1，其中，所述缓冲层102为BN材料层。
如上所述，如上所述，本发明提供一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构及其制造方法，所述制造方法包括以下步骤：1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层；2）于所述缓冲层表面形成SiO2层；3）通过光刻工艺将所述SiO2层刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起，且露出各该SiO2凸起之间的缓冲层。本发明先制备一层含有六角晶格结构的BN材料层或AlN层或AlxGa1-xN层，作为发光外延结构生长的缓冲层，然后通过光刻胶的加热回流工艺和ICP刻蚀工艺制备出周期性排列的包状的SiO2凸起。本发明既能保证生长发光外延结构的晶体质量，又能提高发光二极管的出光效率。本发明工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。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 (18)

1.一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成用于后续发光外延结构生长的缓冲层；
2）于所述缓冲层表面形成SiO2层；
3）通过光刻工艺将所述SiO2层刻蚀出间隔排列的多个SiO2凸起，且露出各该SiO2凸起之间的缓冲层。
2.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述生长衬底的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。
3.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述缓冲层的厚度为50～400埃。
4.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述缓冲层为采用化学气相沉积法所制备的AlxGa1-xN层，0≤X≤0.5，制备的温度范围为450～700℃。
5.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述缓冲层为采用溅射法所制备的AlN层，所述AlN层的晶向为（0001）取向。
6.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述缓冲层为BN材料层。
7.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：步骤2）采用等离子体增强化学气相沉积法于所述缓冲层表面形成SiO2层。
8.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：步骤2）所述的SiO2层的厚度为0.2～3μm。
9.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述多个SiO2凸起呈周期性间隔排列，SiO2凸起的宽度为1～4μm，间距为0.5～2μm。
10.根据权利要求1所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：
步骤3）所述的SiO2凸起为SiO2包状凸起、SiO2圆锥状凸起或SiO2金字塔状凸起。
11.根据权利要求10所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构的制造方法，其特征在于：所述SiO2凸起为SiO2包状凸起，步骤3）包括以下步骤：
3-1）于所述SiO2层表面形成光刻胶层，通过曝光工艺将所述光刻胶层制作成间隔排列的多个光刻胶块；
3-2）通过加热回流工艺使所述多个光刻胶块回流成多个包状的光刻胶块；
3-3）采用感应耦合等离子体刻蚀法将各该包状的光刻胶块的形状转移至所述SiO2层，形成多个SiO2包状凸起，且露出各该SiO2包状凸起之间的缓冲层，用于后续发光外延结构的生长。
12.一种用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于，至少包括：
生长衬底；
用于后续发光外延结构生长的缓冲层，结合于所述生长衬底表面；以及
多个SiO2凸起，间隔排列于所述缓冲层表面。
13.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述生长衬底的材料为蓝宝石、SiC、Si及ZnO的一种。
14.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述缓冲层的厚度为50～400埃。
15.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述缓冲层为（0001）晶向的AlN层；或AlxGa1-xN层，其中，0≤X≤0.5；或BN材料层。
16.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述SiO2凸起的高度为0.2～3μm。
17.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述多个SiO2凸起呈周期性间隔排列，SiO2凸起的宽度为1～4μm，间距为0.5～2μm。
18.根据权利要求12所述的用于Ⅲ-Ⅴ族氮化物生长的衬底结构，其特征在于：所述SiO2凸起为SiO2包状凸起、SiO2圆锥状凸起或SiO2金字塔状凸起。
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