CN114141915B - 氮化镓发光二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓发光二极管的制备方法，涉及半导体领域，制备方法包括：提供蓝宝石衬底；对蓝宝石衬底进行常规清洗处理后在其上面沉积SiO2薄膜；在SiO2薄膜上表面制作圆形图案的光刻胶膜层；去除多余的SiO2膜层，在蓝宝石表面形成光刻胶和SiO2薄膜双掩膜结构的多个凹型坑；将表面形成有多个凹型坑的蓝宝石衬底进行干法刻蚀，并去除SiO2膜层，在蓝宝石衬底的表面形成多个V形孔；蒸镀Al单质薄膜，使Al膜完全填充V形孔；进行退火处理，使铝膜球聚形成铝球；生长氮化镓外延层，获得完全结构的外延片。上述制备方法能够提高GaN薄膜的晶体质量，降低位错密度，有效提高LED芯片的发光效率及发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及氮化镓发光二极管的制备方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种半导体发光器件，主要由P型半导体和N型半导体两部分组成；其中，N型区具有很多高迁移率的电子，P型区有很多具有低迁移率的空穴，P型半导体和N型半导体之间的过渡层，称为PN结；当向LED施加正向电压时，电子可以和空穴发生复合并释放出光子。目前国内生产LED的规模正在逐步扩大，但是LED仍然存在发光效率低下的问题，影响LED的节能效果。
因此，如何在现有技术的基础上，开发新的发光二极管制备技术提升芯片亮度成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种氮化镓发光二极管的制备方法，能够提高GaN薄膜的晶体质量，降低位错密度，有效提高LED芯片的发光效率及发光强度。
本申请提供一种LED图形化衬底的制备方法，所述方法包括：
提供蓝宝石衬底；
对蓝宝石衬底进行常规清洗处理后，将蓝宝石衬底置入PECVD反应腔内，在蓝宝石衬底的表面沉积SiO2薄膜；所述对蓝宝石衬底进行常规清洗处理包括：使用硫酸和双氧水的混合溶液清洗蓝宝石衬底5-10min，其中硫酸和双氧水的体积比控制在4：1；
将沉积有SiO2薄膜的蓝宝石衬底从PECVD反应腔中取出，在SiO2薄膜上表面涂覆光刻胶膜层，然后采用光刻技术使光刻胶膜层在SiO2薄膜表面形成圆形图案；
采用湿法腐蚀的方法去除多余的SiO2薄膜，在蓝宝石表面形成光刻胶和SiO2薄膜双掩膜结构的多个凹型坑；
将表面形成有多个凹型坑的蓝宝石衬底置入ICP反应腔进行干法刻蚀，再采用湿法腐蚀的方法去除蓝宝石衬底表面的SiO2膜层，在蓝宝石衬底的表面形成多个V形孔；所述V形孔沿垂直于蓝宝石衬底所在平面的方向朝向所述蓝宝石衬底凹陷，且沿垂直于蓝宝石衬底所在平面的方向，所述V形孔的高度小于蓝宝石衬底的厚度；
将形成有多个V形孔的蓝宝石衬底置入电子束真空镀膜反应腔内，在蓝宝石衬底表面形成有V形孔的一侧蒸镀Al单质薄膜，使Al膜完全填充V形孔；
然后将表面蒸镀有Al单质薄膜的蓝宝石衬底从电子束镀膜设备取出放入快速退回炉进行退火处理，使铝膜球聚形成铝球；
最后利用金属有机化合物化学气相沉淀法在蓝宝石衬底表面形成有V形孔和铝球的一侧依次生长AlN薄膜、n型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层，获得完全结构的外延片。
可选地，沿垂直于所述蓝宝石衬底所在平面的方向，所述SiO2薄膜的厚度为500-1000nm。
可选地，沿垂直于所述蓝宝石衬底所在平面的方向，所述光刻胶膜层的厚度为500-1000nm。
可选地，所述圆形图案的周期为900-1000nm，直径为700-800nm。
可选地，所述光刻胶和SiO2薄膜双掩膜结构的多个凹型坑的孔径为700-900nm，深度为1000nm-2000nm。
可选地，所述V形孔的周期为900-1200nm，孔径为500-800nm，孔深为300-400nm.
可选地，所述Al单质薄膜的厚度为300-400nm。
可选地，所述铝球直径为300-400nm，相临两个铝球的距离为100-200nm。
与现有技术相比，本发明提供的氮化镓发光二极管的制备方法，至少实现了如下的有益效果：
(1)相对于传统的凸锥形蓝宝石衬底，本发明的V形孔蓝宝石衬底更容易生长得到光滑的AlN外延层，可以显著降低AlN(002)和(102)晶面的XRD摇摆曲线半高宽，获得相对较高的晶体质量。用作深紫外LED器件结构的生长模板尤其适合。
(2)在V形孔内引入铝球，可以加强蓝宝石衬底与AlN之间的浸润性，并且增强Al原子在蓝宝石衬底表面的迁移率，使得AlN岛的横向生长速率加快，有助于AlN的愈合。并且，填充有铝球的V形孔可以使得n型GaN表面完全覆盖Al原子并且形成排列规整的Al原子层，促进吸附Al原子的迁移，使得Al原子快速迁移至空位，预防缺陷的形成，进而提高后期外延GaN薄膜的晶体质量。
(3)本发明通过蓝宝石衬底上制作填充有铝球的V形孔，后续生长GaN外延层时，贯穿V形孔区域的位错将会沿着晶面方向弯曲，从而增加了位错湮灭的机会，降低了GaN薄膜的位错密度；另一方面，V形孔内的铝球层也阻挡了位错传播到其上区域的GaN外延层以及多量子阱层，从而使整个多量子阱层中的位错密度大幅度降低。
(4)由于蓝宝石衬底表面的多个V形孔填充有铝球，从多量子阱发光层发出的光射向V形孔的铝球时，会遇到纳米级的窗口，光能够在窗口两端来回震荡，与窗口相匹配的波长的光能够得到增强，并从V形孔的侧壁传播出去，有效提高了LED芯片的发光强度。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1所示为本申请实施例所提供的氮化镓发光二极管的完整结构图；
图2所示为本申请实施例所提供的凹型坑示意图；
图3所示为本申请实施例所提供的V形孔示意图；
图4所示为本申请实施例所提供的蒸镀Al单质薄膜示意图；
图5所示为本申请实施例所提供的铝球示意图；
其中，1、蓝宝石衬底，2、SiO2，3、光刻胶，4、凹型坑，5、V形孔，6、Al单质薄膜，7、铝球，8、AlN薄膜，9、n型半导体层，10、多量子阱层，11、电子阻挡层，12、P型半导体层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了氮化镓发光二极管的制备方法，能够提高GaN薄膜的晶体质量，降低位错密度，有效提高LED芯片的发光效率及发光强度。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
图1所示为本申请实施例所提供的氮化镓发光二极管的完整结构图；
图2所示为本申请实施例所提供的凹型坑示意图；图3所示为本申请实施例所提供的V形孔示意图；图4所示为本申请实施例所提供的蒸镀Al单质薄膜示意图；图5所示为本申请实施例所提供的铝球示意图。请参见图1-图5，氮化镓发光二极管的制备方法包括:
步骤1、提供蓝宝石衬底1。
步骤2、使用硫酸和双氧水的混合溶液清洗蓝宝石衬底15-10min，其中硫酸和双氧水的体积比控制在4：1。
步骤3、将蓝宝石衬底1置入PECVD反应腔内，在蓝宝石衬底1的表面沉积厚度为500-1000nm的SiO2薄膜2。
步骤4、将沉积有SiO2薄膜2的蓝宝石衬底1从PECVD反应腔中取出，在SiO2薄膜2上表面涂覆厚度为500-1000nm光刻胶膜层3，然后采用光刻技术使光刻胶膜层3在SiO2薄膜2表面形成周期为900-1000nm，直径为700-800nm的圆形图案。
步骤5、采用湿法腐蚀的方法去除多余的SiO2膜层2，在蓝宝石表面形成光刻胶3和SiO2薄膜2双掩膜结构的多个凹型坑4，所述凹型坑4的孔径r为700-800nm，深度h为1000-2000nm。
步骤6、将表面形成了多个凹型坑4的蓝宝石衬底1置入ICP反应腔进行干法刻蚀，再采用湿法腐蚀的方法去除蓝宝石衬底1表面的SiO2膜层2，在蓝宝石衬底1的表面形成周期L为900-1200nm，孔径R为700-900nm，孔深H为300-400nm的多个V形孔5；所述V形孔5沿垂直于蓝宝石衬底所在平面的方向朝向所述蓝宝石衬底凹陷，且沿垂直于蓝宝石衬底1所在平面的方向，所述V形孔5的高度小于蓝宝石衬底1的厚度。
步骤7、将形成有多个V形孔5的蓝宝石衬底1置入电子束真空镀膜反应腔内，在蓝宝石衬底1表面形成有V形孔5的一侧蒸镀厚度a为300-400nm的Al单质薄膜6，使Al膜6完全填充V形孔5。
步骤8、将表面蒸镀有Al单质薄膜6的蓝宝石衬底1从电子束镀膜设备取出放入快速退回炉进行退火处理，使铝膜球聚形成铝球7，所述铝球7直径D为300-400nm，相临两个铝球7的距离d为100-200nm。
步骤9、利用金属有机化合物化学气相沉淀法在蓝宝石衬底1表面形成有V形孔5和铝球7的一侧依次生长AlN薄膜8、n型半导体层9、多量子阱层10、电子阻挡层11和P型半导体层12，获得完全结构的外延片。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供蓝宝石衬底；
对蓝宝石衬底进行常规清洗处理后，将蓝宝石衬底置入PECVD反应腔内，在蓝宝石衬底的表面沉积SiO2薄膜；所述对蓝宝石衬底进行常规清洗处理包括：使用硫酸和双氧水的混合溶液清洗蓝宝石衬底5-10min，其中硫酸和双氧水的体积比控制在4：1；
将沉积有SiO2薄膜的蓝宝石衬底从PECVD反应腔中取出，在SiO2薄膜上表面涂覆光刻胶膜层，然后采用光刻技术使光刻胶膜层在SiO2薄膜表面形成圆形图案；
采用湿法腐蚀的方法去除多余的SiO2膜层，在蓝宝石表面形成光刻胶和SiO2薄膜双掩膜结构的多个凹型坑；
将表面形成有多个凹型坑的蓝宝石衬底置入ICP反应腔进行干法刻蚀，再采用湿法腐蚀的方法去除蓝宝石衬底表面的SiO2膜层，在蓝宝石衬底的表面形成多个V形孔；所述V形孔沿垂直于蓝宝石衬底所在平面的方向朝向所述蓝宝石衬底凹陷，且沿垂直于蓝宝石衬底所在平面的方向，所述V形孔的高度小于蓝宝石衬底的厚度；
将形成有多个V形孔的蓝宝石衬底置入电子束真空镀膜反应腔内，在蓝宝石衬底表面形成有V形孔的一侧蒸镀Al单质薄膜，使Al膜完全填充V形孔；
然后将表面蒸镀有Al单质薄膜的蓝宝石衬底从电子束镀膜设备取出放入快速退回炉进行退火处理，使铝膜球聚形成铝球；
最后利用金属有机化合物化学气相沉淀法在蓝宝石衬底表面形成有V形孔和铝球的一侧依次生长AlN薄膜、n型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层，获得完全结构的外延片。
2.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，沿垂直于所述蓝宝石衬底所在平面的方向，所述SiO2薄膜的厚度为500-1000nm。
3.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，沿垂直于所述蓝宝石衬底所在平面的方向，所述光刻胶膜层的厚度为500-1000nm。
4.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述圆形图案的周期为900-1000nm，直径为700-800nm。
5.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述光刻胶和SiO2薄膜双掩膜结构的多个凹型坑的孔径为700-800nm，深度为1000nm-2000nm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述V形孔的周期为900-1200nm，孔径为700-900nm，孔深为300-400nm。
7.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述Al单质薄膜的厚度为300-400nm。
8.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述铝球直径为300-400nm，相临两个铝球的距离为100-200nm。
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