CN105097441A - 半导体层表面粗化方法及具有表面粗化的led结构形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体层表面粗化方法，包括：在半导体层之上形成固态的金属或合金薄膜；在高于金属或合金熔点的预设温度下退火预设时间，以使金属或合金薄膜液化为多个金属或合金液滴，然后降温至金属或合金的熔点以下，以使多个金属或合金液滴冷凝为多个金属或合金岛状凸起；以多个金属或合金岛状凸起为掩膜层，在半导体层顶表面刻蚀出凹凸结构以形成粗化表面；去除多个金属或合金岛状凸起。该半导体层表面粗化方法具有均匀性好，稳定可靠的优点。本发明还提出一种具有表面粗化的LED结构形成方法。

Description

半导体层表面粗化方法及具有表面粗化的LED结构形成方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体层表面粗化方法及具有表面粗化的LED结构形成方法。

背景技术

研究表明，对GaN基LED芯片的表面进行粗化能够提高其外量子效率，增加芯片的光效。现有的常规工艺为纳米微球掩膜刻蚀法，其过程为：首先在蓝宝石基底材料上分别沉积外延层：从下到上依次为缓冲层，N型GaN层，MQW发光层，P型GaN层；其次在P型GaN层上旋涂混合有均匀纳米微球的分散剂，如图1(a)所示；然后用刻蚀技术形成粗化，其中纳米微球作用是阻挡ICP刻蚀，其余不被纳米微粒覆盖的地方被刻蚀掉，如图1(b)所示；最后将表面掩膜覆盖层去除，最终形成P型GaN粗化结构。

该方法中，由于纳米微球混合在分散剂中时会发生堆积或者不均匀的现象，直接导致后续粗化刻蚀过程不易控制，刻蚀得到的粗化结构分布不均匀，量产稳定性差。具体地，纳米球堆积较为密集的区域在后续粗化刻蚀过程中形成的凹槽间隔较窄且深度较浅，纳米球堆积较为疏散的区域在后续粗化刻蚀过程中形成的凹槽间隔较宽且深度较深。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的刻蚀不均匀、稳定性差的缺点。为此，本发明的目的在于提出一种均匀的、可靠的半导体层表面粗化方法，以及提出具有表面粗化的LED结构形成方法。

有鉴于此，本发明第一方面提出一种半导体层表面粗化方法，包括以下步骤：在所述半导体层之上形成固态的金属或合金薄膜；在高于所述金属或合金熔点的预设温度下退火预设时间，以使所述金属或合金薄膜液化为多个金属或合金液滴，然后降温至所述金属或合金的熔点以下，以使所述多个金属或合金液滴冷凝为多个金属或合金岛状凸起；以所述多个金属或合金岛状凸起为掩膜层，在所述半导体层的顶部刻蚀出凹凸结构以形成粗化表面；去除所述多个金属或合金岛状凸起。

由上可知，本发明实施例的半导体层表面粗化方法至少具有如下优点：(1)由于液体表面张力而形成的液滴大小近似、分布均匀，使得最终得到的粗化表面在平面方向上均匀度好。(2)由于没有传统工艺中的分散剂的影响，ICP刻蚀时的深度可以精确控制，使得最终得到的粗化表面在垂直方向上的粗糙度可控。(3)简单易行，稳定性好。

根据本发明的一个实施例，所述金属或合金的材料为：金、银、铜、铝、锡、锌、银铅合金、铜铝合金、锡锌合金或银锡合金。

根据本发明的一个实施例，所述金属或合金薄膜的厚度为0.2-5nm。

根据本发明的一个实施例，所述预设温度高于所述金属或合金的熔点10-50℃。

根据本发明的一个实施例，所述预设时间为10-100min。

根据本发明的一个实施例，通过溅射或蒸镀形成所述金属或合金薄膜。

根据本发明的一个实施例，通过ICP干法刻蚀出所述凹凸结构。

根据本发明的一个实施例，所述粗化表面的粗糙度为6-600nm。

根据本发明的一个实施例，通过湿化学腐蚀去除所述多个金属或合金岛状凸起。

有鉴于此，本发明第二方面提出一种具有表面粗化的LED结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成第一掺杂类型半导体层；在所述第一掺杂类型半导体层之上形成多量子阱层；在所述多量子阱层之上形成第二掺杂类型半导体层；采用上述半导体层表面粗化方法对所述第二掺杂类型半导体层的顶部进行表面粗化；形成第一电极和第二电极。

由上可知，本发明实施例的具有表面粗化的LED结构形成方法，其中的粗化表面均匀性好，粗糙度可控，因而能够更好地提高芯片外量子效率，提高LED芯片光效。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1(a)和图1(b)是现有的纳米微球掩膜刻蚀法实现表面粗化方法的示意图。

图2是本发明实施例的半导体层表面粗化方法的流程图。

图3(a)至图3(d)是本发明实施例的半导体层表面粗化方法的过程示意图。

图4是本发明实施例的具有表面粗化的LED结构形成方法的流程图。

图5(a)至图5(f)是本发明实施例的具有表面粗化的LED结构形成方法的过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明第一方面提出一种半导体层表面粗化方法，如图2所示，可以包括以下步骤：

S11.在半导体层之上形成固态的金属或合金薄膜。

半导体层的材料可以为GaN、InGaN、AlGaN等等多种氮化物半导体，也可以为Si、Ge或SiGe等IV族半导体，技术人员可以根据需要灵活选用。可以通过溅射或蒸镀等方式在半导体层之上形成金属或合金薄膜。金属或合金薄膜的材料可以为金、银、铜、铝、锡、锌、银铅合金、铜铝合金、锡锌合金或银锡合金等等。上述金属或合金的材料入选理由为以下理由的至少之一：a.熔点小于退火炉设备的最高温度；b.成本便宜，易于获得；c.易于溅射或蒸镀成膜；d.理化性质稳定；e.后期易于被去除。固态的金属或合金薄膜厚度约0.2-5nm，优选0.5-2nm。薄膜过厚或过薄都会导致后续步骤中难以形成均匀分布的固态岛状结构。此时的半导体结构如图3(a)所示，1表示半导体层，2表示固态的金属或合金薄膜。

S12.在高于所述金属或合金熔点的预设温度下退火预设时间，以使金属或合金薄膜液化为多个金属或合金液滴，然后降温至金属或合金的熔点以下，以使多个金属或合金液滴冷凝为多个金属或合金岛状凸起。

进行退火操作后，固态的薄膜发生相变，因为液体表面张力而液化成多个大小近似、均匀分布的液滴。随后将温度降低至熔点下，液滴便冷凝成固态的岛状凸起。通常地，岛状凸起的直径为0.3-1.5μm。此时的半导体结构如图3(b)所示，其中3表示金属或合金岛状凸起。

需要说明的是，预设温度需要严格控制在高于所述金属或合金的熔点10-50℃的温度范围内。温度过低，固体的金属或合金薄膜难以液化成金属或合金液滴。温度过高则有可能导致一些合金发生分凝现象，或者导致汽化现象。预设时间为10-100min，优选30-60min。退火时间过短有可能退火炉内局部温度尚未达到预设温度，未能完成液化过程。退火时间过长有可能对不耐高温的半导体层产生不良影响。

S13.以多个金属或合金岛状凸起为掩膜层，在半导体层的顶部刻蚀出凹凸结构以形成粗化表面。

可以通过ICP(InductivelyCoupledPlasma，反应耦合等离子体)干法刻蚀在半导体层1的顶部刻蚀出凹凸结构，形成了粗化表面。其中被金属或合金岛状凸起3覆盖的半导体部分不被刻蚀，金属或合金岛状凸起3之间所暴露出的半导体部分被刻蚀。由于ICP干法刻蚀工艺成熟，因此可以通过控制刻蚀的功率、时间来控制刻蚀出的凹凸结构的深度，也就是说可以控制粗化表面的粗糙度。在本发明的一个实施例中，该粗化表面的粗糙度为6-600nm。此时的半导体结构如图3(c)所示。

S14.去除多个金属或合金岛状凸起。

可以将步骤S14得到的结构浸入对金属或合金材料与半导体材料具有高腐蚀选择比的腐蚀液中，即通过湿化学腐蚀去除多个金属或合金岛状凸起3。此时的半导体结构如图3(d)所示。

由上可知，本发明实施例的半导体层表面粗化方法至少具有如下优点：(1)由于液体表面张力而形成的液滴大小近似、分布均匀，使得最终得到的粗化表面在平面方向上均匀度好。(2)由于没有传统工艺中的分散剂的影响，ICP刻蚀时的深度可以精确控制，使得最终得到的粗化表面在垂直方向上的粗糙度可控。(3)简单易行，稳定性好。

本发明第二方面提出一种具有表面粗化的LED结构形成方法，如图4所示，可以包括以下步骤：

S21.提供衬底。

S22.在衬底之上形成第一掺杂类型半导体层。

S23.在第一掺杂类型半导体层之上形成多量子阱层

S24.在多量子阱层之上形成第二掺杂类型半导体层

S25.采用前文公开的半导体表面粗化方法对第二掺杂类型半导体层的顶部进行表面粗化。

S26.形成第一电极和第二电极。

需要说明的是，LED结构中的各层的材料的选择为本领域技术人员的已知技术，可以根据需要灵活选择。本领域技术人员还可以根据需要加入以下可选步骤以进一步改善LED结构的发光效果：形成缓冲层、形成本征氮化物半导体层、形成电子阻挡层、形成电流阻挡层等等。此亦为本领域技术人员的已知技术，本文不赘述。

由上可知，本发明实施例的具有表面粗化的LED结构形成方法，其中的粗化表面均匀性好，粗糙度可控，因而能够更好地提高芯片外量子效率，提高LED芯片光效。

为使本领域技术人员更好地理解本发明的具有表面粗化的LED结构形成方法，申请人结合图5(a)至图5(f)介绍一个具体实施例。

1.以蓝宝石为衬底100，通过MOCVD工艺在衬底100上沉积常规结构外延层。外延层依次为氮化镓缓冲层(Bufferlayer)200、n型层(N-GaN)300、多量子阱层(MQW)400、电子阻挡层(EBL)500以及p型层(P-GaN)600。如图5(a)所示。

2.对沉积结束后的外延片进行预处理，先在40℃丙酮中浸泡10分钟，后在60℃异丙醇中浸泡15分钟，然后用去离子水冲洗20分钟，干燥后待用。

3.将预处理后的外延片放入蒸镀机内，选用高纯度银(纯度99.999％)进行蒸镀，得到厚度为0.5-2nm的银薄膜700。如图5(b)所示。

4.将镀膜后的外延片放入热处理机中，调节热处理机的温度至大于银薄膜的熔点10-50℃(银熔点是960℃，则退火热处理的温度为970-1010℃)。维持该预设的退火温度40分钟，而后降至室温取出。由于退火阶段熔化为液态的金属的表面张力作用，外延片表面将会形成银岛状凸起800，银岛状凸起800的直径0.3-1.5um。如图5(c)所示。

5.外延片表面形成银岛状凸起800后，将外延片放入ICP中进行p型层600的粗化刻蚀。刻蚀气体使用氯气和三氯化硼，流量分别为5sccm和3sccm，射频功率20W，刻蚀时间10-60秒。可以得到具有粗糙度约200nm的粗化结构的p型层600。如图5(d)所示。

6.将表面粗化后的外延片进入王水1分钟，使表面残留银材料被腐蚀去除。再用去离子水冲洗10分钟后干燥。如图5(e)所示。

7.进行常规芯片的制程。先ICP干法刻蚀出PN台阶，再在p型层600表面制作ITO材料的电流扩散层900，最后制作出P电极1000、N电极1100和表面钝化层1200，完成具有表面粗化的LED结构制造。如图5(f)所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种半导体层表面粗化方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述半导体层之上形成固态的金属或合金薄膜；

在高于所述金属或合金熔点的预设温度下退火预设时间，以使所述金属或合金薄膜液化为多个金属或合金液滴，然后降温至所述金属或合金的熔点以下，以使所述多个金属或合金液滴冷凝为多个金属或合金岛状凸起；

以所述多个金属或合金岛状凸起为掩膜层，在所述半导体层的顶部刻蚀出凹凸结构以形成粗化表面；

去除所述多个金属或合金岛状凸起。

2.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，所述金属或合金的材料为：金、银、铜、铝、锡、锌、银铅合金、铜铝合金、锡锌合金或银锡合金。

3.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，所述金属或合金薄膜的厚度为0.2-5nm。

4.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，所述预设温度高于所述金属或合金的熔点10-50℃。

5.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，所述预设时间为10-100min。

6.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，通过溅射或蒸镀形成所述金属或合金薄膜。

7.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，通过ICP干法刻蚀出所述凹凸结构。

8.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，所述粗化表面的粗糙度为6-600nm。

9.根据权利要求1所述的半导体层表面粗化方法，其特征在于，通过湿化学腐蚀去除所述多个金属或合金岛状凸起。

10.一种具有表面粗化的LED结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底之上形成第一掺杂类型半导体层；

在所述第一掺杂类型半导体层之上形成多量子阱层；

在所述多量子阱层之上形成第二掺杂类型半导体层；

采用权利要求1-9中任一项所述的方法对所述第二掺杂类型半导体层的顶部进行表面粗化；

形成第一电极和第二电极。