CN106653963B - 一种发光二极管外延片及制作方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：在蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，干法刻蚀出圆锥状的图形同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；图形化衬底制作好之后生长外延层U‑GaN层；将外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开孔；干法刻蚀，然后去胶清洗干净形成圆柱体的孔；将上述外延片继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U‑GaN层外延生长时，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。本发明还公开了一种发光二极管外延片。由于空气柱的存在，提升了发光二极管芯片的光效。

Description

一种发光二极管外延片及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别地，涉及一种新型发光二极管外延片及制作方法。
背景技术
LED外延片是指在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石、SiC、Si等)上所生长出的特定单晶薄膜。外延片处于LED产业链中的上游环节，是半导体照明产业技术含量最高、对最终产品品质、成本控制影响最大的环节。LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
GaN(即氮化镓，通常工业上采用MOCVD设备来生长)在蓝宝石上生长时，由于晶格差异过大，会产生很多缺陷。为了提高GaN的晶体质量，人们在蓝宝石上制作圆锥状的图形，增加GaN的侧向生长能力，从而大大减少了缺陷的发生。晶体侧向生长后会于圆锥的顶部再次聚合然后继续向上生长，其他地方的缺陷大大降低，但是圆锥体的上方却有大量的缺陷存在，切片看FIB和SEM也发现此处的缺陷非常的多。
因此，开发一种新型的制作方法用以减少缺陷的发生具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是第一目的在于提供一种外延片的制作方法，以解决圆锥体顶部大量缺陷聚集的情况；本发明的第二目的在于顶部空气柱的存在，在LED芯片驱动时光从GaN中传播到内部的空气柱时，会产生导光柱的作用，提升发光二极管芯片的光效。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：
用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；
图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层；
将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开20-200nm的孔；
用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，然后去胶清洗干净形成直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间的圆柱体的孔；
将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
优选地，所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间。
优选地，所述用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，然后去胶清洗干净形成直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间的圆柱体的孔，进一步为，
所述用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度在100nm至500nm之间，然后去胶清洗干净形成直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间的圆柱体的孔。
本发明还公开了利用上述发光二极管外延片的制作方法制得的发光二极管外延片，自下而上包括顺次连接的蓝宝石衬底、N型半导体层、发光层和P型半导体层，所述N型半导体层自下而上顺次包含有缓冲层、外延层U-GaN层和外延层N-GaN层，其中蓝宝石衬底上刻蚀出圆锥状的图形，在所述圆锥状的图形上方N型半导体层内设有空气柱。
优选地，所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间。
优选地，所述空气柱的直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间。
与现有技术相比，本发明所述的发光二极管外延片及制作方法，达到了如下效果：
由于顶部空气柱的存在，在LED芯片驱动时光从GaN中传播到内部的空气柱时，会产生导光柱的作用，提升发光二极管芯片的光效。空气柱的存在隔断了缺陷的再向上生长，降低了缺陷密度，提高了晶体质量。空气柱的存在相当于在外延片的内部加设了跟图形化衬底一样多的导光柱，增加了发光二极管芯片的发光效率；
本发明的发光二极管外延片解决了圆锥体顶部大量缺陷聚集的情况；
本申请的制作方法均采用的是目前LED行业通用的工艺及设备，工艺参数易于控制，适合工业化生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中发光二极管外延片结构图；
图2为本发明实施例1中发光二极管外延片的制作方法；
图3为本发明实施例5中发光二极管外延片结构图；
其中：1-图形化衬底，2-N型半导体层，3-空气柱，4-发光层，5-P型半导体层。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
结合图2，本实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：
步骤101：用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；植入对位标记对于IC行业来说是现有技术，不同的设备标记点会有区别，不过在LED行业中的图形化衬底是不植入标记点的。
步骤102：图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层，所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间；
步骤103：将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开20-200nm的孔；
步骤104：用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度在100nm至500nm之间，然后去胶清洗干净形成直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间的圆柱体的孔；
步骤105：将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
实施例2：
本实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：
步骤201：用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；
步骤202：图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层，所述外延层U-GaN层的厚度为2000nm；
步骤203：将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开20nm的孔；
步骤204：用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度为100nm，然后去胶清洗干净形成直径为20nm、深度为100nm的圆柱体的孔；
步骤205：将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
实施例3：
本实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：
步骤301：用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；
步骤302：图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层，所述外延层U-GaN层的厚度为3000nm；
步骤303：将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开200nm的孔；
步骤304：用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度为500nm，然后去胶清洗干净形成直径为200nm、深度为500nm的圆柱体的孔；
步骤305：将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
实施例4：
本实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，包括步骤：
步骤401：用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；
步骤402：图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层，所述外延层U-GaN层的厚度为2500nm；
步骤403：将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开180nm的孔；
步骤404：用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度为300nm之间，然后去胶清洗干净形成直径为110nm、深度为300nm的圆柱体的孔；
步骤405：将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
实施例5：
在实施例1的基础上，得到本实施例的发光二极管外延片，结构如图3所示，具体地自下而上包括顺次连接的蓝宝石衬底、N型半导体层、发光层和P型半导体层，所述N型半导体层自下而上顺次包含有缓冲层、外延层U-GaN层和外延层N-GaN层，其中蓝宝石衬底上刻蚀出圆锥状的图形，在所述圆锥状的图形上方N型半导体层内设有空气柱。
具体说是圆柱状的图形化蓝宝石衬底、N型半导体层、发光层、P型半导体层沿轴线方向由下至上依次设置，N型半导体层在圆锥体的图形上方存在空气柱。所述外延片在制作图形化衬底时需要植入对位标记(正常的图形化衬底不用对位，所以不植入标记)。
所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间。所述外延片生长到2000-3000nm时需要取出通过步进光刻机套合的方式在圆锥体的上方制作圆孔。
所述外延片在带有圆孔的基板上继续生长，并将圆孔横向生长缝合，形成空气柱。所述空气柱的直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间。
与现有技术相比，本发明所述的发光二极管外延片及制作方法，达到了如下效果：
由于顶部空气柱的存在，在LED芯片驱动时光从GaN中传播到内部的空气柱时，会产生导光柱的作用，提升发光二极管芯片的光效。空气柱的存在隔断了缺陷的再向上生长，降低了缺陷密度，提高了晶体质量。空气柱的存在相当于在外延片的内部加设了跟图形化衬底一样多的导光柱，增加了发光二极管芯片的发光效率；
本发明的发光二极管外延片解决了圆锥体顶部大量缺陷聚集的情况；
本申请的制作方法均采用的是目前LED行业通用的工艺及设备，工艺参数易于控制，适合工业化生产。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，包括步骤：
用步进光刻机在平面蓝宝石衬底上涂上光刻胶制作图形，同时植入对位标记，然后用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀出圆锥状的图形的同时将步进光刻机的对位标记也制作出来，然后清洗干净；
图形化衬底制作好之后通过MOCVD生长外延层U-GaN层；
将生长到外延层U-GaN层的外延片取出涂上光刻胶，用步进光刻机进行套合，在圆锥状的图形的上方开20-200nm的孔；
用电感耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀深度在100nm至500nm之间，然后去胶清洗干净形成直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间的圆柱体的孔；
将清洗干净的上述外延片用MOCVD继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层至完全结构的外延片，在外延层U-GaN层外延生长时，由于孔的直径足够小，通过横向生长将孔补上后形成内部具有空气柱的发光二极管外延片。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间。
3.根据权利要求1至2中任一所述的发光二极管外延片的制作方法制得的发光二极管外延片，其特征在于，自下而上包括顺次连接的蓝宝石衬底、N型半导体层、发光层和P型半导体层，所述N型半导体层自下而上顺次包含有缓冲层、外延层U-GaN层和外延层N-GaN层，其中蓝宝石衬底上刻蚀出圆锥状的图形，在所述圆锥状的图形上方N型半导体层内设有空气柱。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述外延层U-GaN层的厚度在2000nm至3000nm之间。
5.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述空气柱的直径在20nm至200nm之间、深度在100nm至500nm之间。
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