CN104701137A - AlN缓冲层及具有该缓冲层的芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AlN缓冲层及具有该缓冲层的芯片的制备方法，属于发光二极管领域。所述方法包括：在衬底上，制备有机微球模板，有机微球模板包括纳米微球模板；在有机微球模板上，沉积AlN缓冲层；将AlN缓冲层进行高温退火处理，去除有机球模板中的有机微球，形成具有多孔结构的AlN缓冲层。本发明通过有机微球模板在AlN缓冲层中引入多孔结构，既可以减少外延缺陷，提高外延质量，又增加与衬底之间巨大的折射率反差来提高光在衬底界面处的反射能力，增强出光效率，并且将微球模板与物理气相沉积结合，以制备具有多孔结构的AlN缓冲层，方法简单易行，便于大规模生产。

Description

AlN缓冲层及具有该缓冲层的芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种AlN缓冲层及具有该缓冲层的芯片的制备方法。

背景技术

近年来，基于III族氮化物的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)被广泛应用于背照显示光源、手机按键、笔记本电脑显示、室内外照明和交通路灯等。LED中的衬底与其上外延生长氮化镓(GaN)层之间，一直存在晶格失配和热失配问题，氮化铝(AlN)材料具有与GaN层相同的晶格结构，且AlN材料与衬底之间的晶格失配度也较小，因此将AlN材料作为缓冲层，置入到衬底和GaN层之间，以减少外延缺陷，提高外延质量得到了广泛应用。

目前AlN缓冲层的制备方法主要有两种，一种是通过传统的MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法制备，即以Ⅲ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，在500摄氏度以上，采用热分解反应方式在衬底上进行气相外延生长。另一种方法是通过物理气相沉积方法，比如磁控溅射法，在低温下生长AlN缓冲层。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

前述两种方法制备的AlN缓冲层，其底部均直接与衬底相接触，由于AlN缓冲层和衬底材料之间的光的折射率相差较小，在两者的界面处光的反射率相对较小，影响了出光效率。

发明内容

本发明实施例提供了一种AlN缓冲层及具有该缓冲层的芯片的制备方法，所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种在衬底上，制备有机微球模板，所述有机微球模板包括纳米微球模板；

在所述有机微球模板上，沉积AlN缓冲层；

将所述AlN缓冲层进行高温退火处理，去除所述有机球模板中的有机微球，形成具有多孔结构的所述AlN缓冲层。

进一步地，所述在衬底上，制备有机微球模板，包括：

在清洗后的所述衬底上，滴上有机微球悬浮液；

采用旋涂或滴涂或提拉的方式，在所述衬底表面将所述有机微球悬浮液分散成密布排列的有机微球；

采用RIE(Reactive ion etching，反应离子刻蚀技术)刻蚀所述密布排列的有机微球，得到具有间隙的有机微球阵列，形成所述有机微球模板。

更进一步地，所述有机微球悬浮液的浓度为5％～10％。

更进一步地，刻蚀前的所述有机微球的直径为200～5000nm。

更进一步地，刻蚀后的所述有机微球阵列中的有机微球之间的间隙为50nm～5000nm。

进一步地，所述在所述有机微球模板上，沉积AlN缓冲层，包括：

在所述衬底上，采用物理气相沉积法沉积厚度一层为5nm～100nm的AlN缓冲层，所述AlN缓冲层沉积于所述有机微球的间隙中和所述有机微球上。

进一步地，将所述AlN缓冲层在氮气氛围中进行高温退火处理，去除所述有机微球模板中的有机微球。

进一步地，所述在衬底上，制备有机微球模板之前，所述方法还包括：清洗所述衬底；

所述清洗所述衬底，包括：

依次将所述衬底放入无水丙酮和无水酒精溶液中，使用超声波处理10分钟，并采用去离子水冲洗所述衬底；

将冲洗后的所述衬底用氮气吹干，在真空烘箱内烘干一个小时，在反应离子刻蚀系统中利用等离子体对所述衬底进行3～10分钟的活化处理。

另一方面，本发明实施例提供了一种具有AlN缓冲层的芯片的制备方法，所述方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上采用如权利要求1-8任一项所述的方法制备具有多孔结构的AlN缓冲层；

在所述多孔结构的AlN缓冲层上，依次生长非掺杂的GaN层、n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层；

从所述p型GaN层刻蚀至所述n型GaN层，形成台面，在所述台面上制备n型电极，在所述p型GaN层蒸镀透明导电层，在所述透明导电层上制备p型电极。

可选地，采用金属有机化合物化学气相沉淀方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长所述n型GaN层、所述多量子阱层和所述p型GaN层。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过有机微球模板在AlN缓冲层中引入多孔结构，既可以减少外延缺陷，提高外延质量，又可以利用多孔结构中内置空气间隙与衬底之间巨大的折射率反差来提高光在衬底界面处的反射能力，增强出光效率，并且将微球模板与物理气相沉积结合，以制备具有多孔结构的AlN缓冲层，方法简单易行，便于大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种AlN缓冲层的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种AlN缓冲层的制备方法的流程图；

图3是本发明实施例二提供的密布排列的有机微球的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的具有间隙的有机微球阵列的结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的一种AlN缓冲层的结构示意图；

图6是本发明实施例三提供的一种具有AlN缓冲层的芯片的制备方法的流程图；

图7是本发明实施例三提供的一种具有AlN缓冲层的芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种AlN缓冲层的制备方法，参见图1，该方法包括：

步骤101：在衬底上，制备有机微球模板，有机微球模板包括纳米微球模板。

步骤102：在有机微球模板上，沉积AlN缓冲层。

步骤103：将AlN缓冲层进行高温退火处理，去除有机球模板中的有机微球，形成具有多孔结构的AlN缓冲层。

本发明实施例通过有机微球模板在AlN缓冲层中引入多孔结构，既可以减少外延缺陷，提高外延质量，又可以利用多孔结构中内置空气间隙与衬底之间巨大的折射率反差来提高光在衬底界面处的反射能力，增强出光效率，并且将微球模板与物理气相沉积结合，以制备具有多孔结构的AlN缓冲层，方法简单易行，便于大规模生产。

实施例二

本发明实施例提供了一种AlN缓冲层的制备方法，本参见图2，该方法包括：

步骤201：清洗衬底。

具体地，清洗所述衬底，可以包括：

依次将衬底放入无水丙酮和无水酒精溶液中，使用超声波处理10分钟，并采用去离子水冲洗衬底；

将冲洗后的衬底用氮气吹干，在真空烘箱内烘干一个小时，在反应离子刻蚀系统中利用等离子体对衬底进行3～10分钟的活化处理。反应离子刻蚀系统的功率可以设为60～80W。真空烘箱温度可以设为120℃。清洗衬底也是为了增加衬底表面的亲水性，获得亲水性较好的衬底，以生长AlN缓冲层。

其中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底。

步骤202：在衬底上，制备有机微球模板。

其中，有机微球模板是采用有机物或聚合物或天然高分子化合物制备的微球模板，有机微球包括但不限于天然高分子微球(例如淀粉微球、白蛋白微球、明胶微球、壳聚糖等)、合成聚合物微球(例如聚乳酸微球)和纳米微球(例如聚苯乙烯微球、聚丙烯酸微球等)。

具体地，在衬底上，制备有机微球模板，可以包括：

在清洗后的衬底上，滴上有机微球悬浮液；

采用旋涂或滴涂或提拉的方式，在衬底表面将有机微球悬浮液分散成密布排列的有机微球；参见图3，衬底1、在衬底1上形成有密布排列的有机微球2a。

采用RIE技术刻蚀密布排列的有机微球，得到具有间隙的有机微球阵列，形成有机微球模板。参见图4，衬底1、在衬底1上形成有具有间隙的有机微球2b。

实现时，有机微球悬浮液的浓度可以为5％～10％。刻蚀前的有机微球的直径可以为200～5000nm。刻蚀后的有机微球阵列中的有机微球之间的间隙可以为50nm～5000nm。采用RIE技术刻蚀后紧密排布的有机微球会变小，紧挨着的有机微球之间就形成了空隙，从而得到了具有间隙的一层有机微球阵列，并且由于刻蚀的间隙小、刻蚀时间短、刻蚀利用的分子气体等离子的只作用于有机微球，不会对衬底表面造成影响。

需要说明的是，将有机微球悬浮液分散成密布排列的有机微球时，比较理想的情况是所有的有机微球密布排列分散成一层，但在实际的生产中，存在一部分有机微球层叠为多层紧密排布，而另一部有机微球成单层紧密排布，且多层的有机微球与单层的有机微球也紧密排布的情况。在实际应用中，可以通过调整有机微球的尺寸、堆积的形貌和RIE技术的刻蚀条件(例如刻蚀时间)等，以调控后续AlN缓冲层中的多孔结构的中孔的大小、间隙和层叠的层数等。

当采用旋涂的方式分散有机微球悬浮液时，旋涂采用先低速后高速的旋转方式，低速的转速可以是500rpm，旋转时间可以是10s，高速的转速可以是2000rpm，旋转时间可以30s。

步骤203：在有机微球模板上，沉积AlN缓冲层。

具体地，在有机微球模板上，沉积AlN缓冲层，可以包括：

在衬底上，采用PVD法(例如磁控溅射)沉积厚度一层为5nm～100nm的AlN缓冲层，AlN缓冲层沉积于有机微球的间隙中和有机微球上。

步骤204：将AlN缓冲层进行高温退火处理，去除有机球模板中的有机微球，形成具有多孔结构的AlN缓冲层。

具体地，沉积完AlN缓冲层后，在N₂氛围内高温退火去除有机微球的内核，即形成厚度几乎不变的具有多孔结构的AlN缓冲层。其中，高温退火的温度高于500℃。通过高温退火的方式就可以有效去除有机微球，从而形成多孔结构的AlN缓冲层，操作简易。

参见图5，衬底1，衬底1上生长有AlN缓冲层2，AlN缓冲层2中形成有多孔结构2c。

本发明实施例通过有机微球模板在AlN缓冲层中引入多孔结构，既可以减少外延缺陷，提高外延质量，又可以利用多孔结构中内置空气间隙与衬底之间巨大的折射率反差来提高光在衬底界面处的反射能力，增强出光效率，并首次将微球模板与物理气相沉积结合，以制备具有多孔结构的AlN缓冲层，高温处理去除微球模板中的微球的内核，形成的多孔结构的AlN缓冲层，几乎是一层壳层结构的AlN缓冲层，最大化地是AlN缓冲层的多孔结构具有更大的空气间隙，且该方法简单易行，便于大规模生产。

实施例三

本发明实施例提供了一种具有AlN缓冲层的芯片的制备方法，参见图6，该方法包括：

步骤301：提供一衬底。

其中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底。该方法还包括对衬底进行清洗，具体方法同步骤201，这里不再赘述。

步骤302：在衬底上制备具有多孔结构的AlN缓冲层。

具体地，采用实施例一和二的方法制备多孔结构的AlN缓冲层。

步骤303：在多孔结构的AlN缓冲层上，依次生长非掺杂的GaN层、n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层。

其中，多量子阱层为超晶格结构，每个周期包括InGaN层和生长在InGaN层之上的GaN层。在多量子阱层与p型GaN层还可以设有p型AlGaN包覆层，在p型GaN层上还可以设有p型GaN接触层。

步骤304：从p型GaN层刻蚀至n型GaN层，形成台面，在台面上制备n型电极，在p型GaN层蒸镀透明导电层，在透明导电层上制备p型电极。

具体地，制备n型电极和p型电极的过程如下：

采用ICP(Inductive Coupled Plasma，电感耦合等离子体)RIE技术从p型GaN层刻蚀至n型GaN层，形成台面；

在台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在n型电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；

在p型GaN层采用电子束蒸发工艺蒸镀透明导电层，在透明导电层上光刻出p型电极的图形，同样采用电子束蒸发工艺，在p型电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。

作为一种举例，参见图7，衬底1，在衬底1之上依次生长有AlN缓冲层2、非掺杂的GaN层3、n型GaN层4、多量子阱层5、p型GaN层6、p型GaN接触层7和透明导电层8，在n型GaN层4上有n型电极9，在透明导电层8上有p型电极10，AlN缓冲层2具有多孔结构2d。

本发明实施例通过在衬底和外延层之间引入具有多孔结构的AlN缓冲层，既可以减少外延缺陷，提高外延质量，又可以利用多孔结构中内置空气间隙与衬底之间巨大的折射率反差来提高光在衬底界面处的反射能力，增强出光效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种AlN缓冲层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在衬底上，制备有机微球模板，所述有机微球模板包括纳米微球模板；

在所述有机微球模板上，沉积AlN缓冲层；

将所述AlN缓冲层进行高温退火处理，去除所述有机球模板中的有机微球，形成具有多孔结构的AlN缓冲层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底上，制备有机微球模板，包括：

在清洗后的所述衬底上，滴上有机微球悬浮液；

采用旋涂或滴涂或提拉的方式，在所述衬底的表面将所述有机微球悬浮液分散成密布排列的有机微球；

采用反应离子刻蚀技术刻蚀所述密布排列的有机微球，得到具有间隙的有机微球阵列，形成所述有机微球模板。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有机微球悬浮液的浓度为5％～10％。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，刻蚀前的所述有机微球的直径为200～5000nm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，刻蚀后的所述有机微球阵列中的有机微球之间的间隙为50nm～5000nm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述有机微球模板上，沉积AlN缓冲层，包括：

在所述衬底上，采用物理气相沉积法沉积厚度一层为5nm～100nm的AlN缓冲层，所述AlN缓冲层沉积于所述有机微球的间隙中和所述有机微球上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述AlN缓冲层进行高温退火处理，去除所述有机微球模板中的有机微球，是在氮气氛围中进行的。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底上，制备有机微球模板之前，所述方法还包括：清洗所述衬底；

所述清洗所述衬底，包括：

依次将所述衬底放入无水丙酮和无水酒精溶液中，使用超声波处理10分钟，并采用去离子水冲洗所述衬底；

将冲洗后的所述衬底用氮气吹干，在真空烘箱内烘干一个小时，在反应离子刻蚀系统中利用等离子体对所述衬底进行3～10分钟的活化处理。

9.一种具有AlN缓冲层的芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上采用如权利要求1-8任一项所述的方法制备具有多孔结构的AlN缓冲层；

在所述多孔结构的AlN缓冲层上，依次生长非掺杂的GaN层、n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层；

从所述p型GaN层刻蚀至所述n型GaN层，形成台面，在所述台面上制备n型电极，在所述p型GaN层蒸镀透明导电层，在所述透明导电层上制备p型电极。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，采用金属有机化合物化学气相沉淀方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长所述n型GaN层、所述多量子阱层和所述p型GaN层。