CN1167140C - 高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，属于光电子材料技术领域。本发明的特征是在待外延生长的蓝宝石衬底表面刻上将蓝宝石衬底表面分成许多小块的沟槽，沟槽宽为20-200微米，深为0.001-300微米，沟槽间距为150-10000微米。本发明的另一种处理方法是先在待外延生长的蓝宝石表面上沉积薄膜，然后在薄膜上刻有许多小块的沟槽，沟槽深度达到蓝宝石衬底的表面，沟槽宽为150-10000微米，沟槽间距为20-200微米。用本发明制备的外延片衬底制作发光二极管，可大幅度降低外延生长过程中外延层与衬底之间的应力积累，进而可获得高亮度及均匀性良好的发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，属于光电子材料技术领域。
背景技术
近年来，氮化镓基蓝、绿光发光二极管(LED)及其相关器件以其巨大的应用前景成为半导体光电子学领域的研究热点。可广泛应用于体育场馆、车站、机场、工商业等行业的大型和超大型全色显示屏中。
全色高亮度LED将带来照明技术的一场革命，利用高亮度红、绿、蓝色LEDs的组合，可以发出波长连续可调的各色光源，构成全色光源。尤其是白色光源，其耗电量仅相当于相同亮度白炽灯(寿命约为6~12月)的10％～20％，其寿命约为5~10年，这种体积小、重量轻、方向性好、节能、长寿命、抗恶劣条件能力强的新型固体光源将对传统的光源市场造成冲击。
外延片的生长是指在一定条件下，将氮化镓材料分子(或氮化镓材料系列，如铝镓氮、铟镓氮等)有规则排列、定向生长在蓝宝石衬底上的过程。外延片生长完毕后，对其进行电极制作，减薄，切割，焊引线，封装等工艺，即可制成发光二极管。因此，外延片的生长是制作发光二极管的关键步骤。
然而，发光二极管外延片的具体结构并不是单一的一层氮化镓材料，而是有许多层不同的氮化镓系列的材料，如铝镓氮、铟镓氮等组合在一起组成的，也称氮化镓基外延片。
高质量氮化镓基外延片的生长一直是高亮度发光二极管制作中的难点。由于氮化镓与蓝宝石衬底的晶格常数及热膨胀系数不同，所以在蓝宝石衬底上生长氮化镓时，氮化镓外延层与蓝宝石衬底之间存在应力。应力积累到一定程度时，会观察到外延片发生弯曲变形。氮化镓外延层与蓝宝石衬底间存在的应力会严重影响制成的发光二极管的发光亮度。
Jpn.J.Appl.Phys.(vol.40(2001)pp L16-L19)和Journal of crystal growth235(2002)129-134公开的在蓝宝石表面刻槽以生长氮化镓材料的方法，其原理是利用了氮化镓的横向外延生长，在蓝宝石衬底上刻上许多互相平行的沟槽，槽宽为5-10微米，槽间距为10微米左右，然后进行外延生长，在生长过程中，氮化镓除了沿垂直于蓝宝石衬底表面的方向生长以外，还沿平行于蓝宝石衬底表面的方向进行横向外延生长，横向生长的氮化镓覆盖在蓝宝石衬底沟槽的上面，连成一片，进而获得了低缺陷密度的氮化镓材料。但在这些公开技术中，只生长了单一层的氮化镓材料，并没有生长出发光二极管外延层，而且在氮化镓与蓝宝石衬底之间的应力释放不明显。
在Journal of crystal growth 221(2000)345-349所公开的技术中，其原理是利用了氮化镓的横向外延生长，在蓝宝石衬底上先进行外延生长一层底层氮化镓材料，然后在这底层氮化镓材料上刻上许多互相平行的沟槽，槽宽为5-10微米，随后进行外延生长，在生长过程中，氮化镓除了沿垂直于底层氮化镓材料表面的方向生长以外，还沿平行于底层氮化镓材料表面的方向进行横向生长，横向生长的氮化镓覆盖在底层氮化镓材料的沟槽的上面，连成一片，进而获得了低缺陷密度的氮化镓材料。但在这种公开技术中，只生长了单一层的氮化镓材料，并没有生长发光二极管外延层，在生长完底层氮化镓材料后，需将外延片从生长设备中取出，进行刻槽，然后再将刻槽完毕的外延片放入生长设备中，进行第二次外延生长，其工艺路线复杂，而且在氮化镓与蓝宝石衬底之间的应力释放不明显。
中国专利CN1305639A利用了氮化镓的横向外延生长的原理，首先在蓝宝石衬底上进行外延生长一层底层氮化镓材料，然后在这底层氮化镓材料上刻上许多互相平行的沟槽，随后再进行外延生长，在生长过程中，氮化镓除了沿垂直于底层氮化镓材料表面的方向生长以外，还沿平行于底层氮化镓材料表面的方向进行横向生长，横向生长的氮化镓覆盖在底层氮化镓材料的沟槽的上面，连成一片，进而获得了高亮度的发光二极管外延片。但在这种公开技术中，在生长完底层氮化镓材料后，需将外延片从生长设备中取出，进行刻槽，然后再将刻槽完毕的外延片放入生长设备中，进行第二次外延生长，其工艺路线复杂，而且在氮化镓与蓝宝石衬底之间的应力释放不明显。
发明内容
本发明目的是提供一种工艺路线简单，可将外延片生长过程中的应力控制在最小范围内的高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，以获得高亮度的发光二极管。
本发明提出的一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，含有在待外延生长的蓝宝石衬底表面上刻上许多沟槽，其特征在于：所述方法是在待外延生长的蓝宝石衬底表面刻上将蓝宝石衬底表面分成许多小块的沟槽，所述沟槽宽为(20-200)微米，深为(0.001-300)微米，沟槽间距为(150-10000)微米。
本发明提出的一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，其特征在于：所述方法是先在待外延生长的蓝宝石表面上沉积薄膜，然后在薄膜上刻有许多小块的沟槽，沟槽深度达到蓝宝石衬底的表面，蓝宝石衬底的表面被沉积的薄膜材料分成许多小块，所述沟槽宽为(150-10000)微米，沟槽间距为(20-200)微米。
本发明提出的高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，由于在进行外延生长前，在衬底表面刻上沟槽，这些沟槽把衬底表面分成许多小块，然后再进行外延生长，生长过程中，应力在小块的边缘即沟槽处释放。与现有技术相比，可使外延层与蓝宝石衬底之间的应力降至二分之一以下。在小块上面的外延层质量较好，用来制作发光二极管，可大幅度降低外延生长过程中外延层与衬底之间的应力积累，进而可获得高亮度及均匀性良好的的发光二极管。
具体实施方式
本发明是在外延生长前，将衬底进行处理，在欲生长外延层的蓝宝石衬底的表面刻上许多沟槽，将蓝宝石衬底表面分成许多小块，外延生长时，发光二极管外延层结构在这些小块上生长，而在沟槽中，外延层结构也在生长，但生长朝各个方向发展，所以生长速率较慢，且晶体质量较差。在生长完毕后，可以看到小块表面的外延层平整如镜，而在沟槽处凹陷进去。生长过程中，外延层与蓝宝石衬底之间产生的应力在沟槽处释放，导致小块表面处的外延层与蓝宝石衬底之间的应力较小，所以小块表面处的外延层质量较好，可以将其制成高亮度发光二极管，沟槽处的外延层一般不能制成发光二极管。
实施例1
将待外延生长的蓝宝石衬底表面刻上沟槽，沟槽宽为30微米，深为5微米，沟槽间距为400微米。沟槽将蓝宝石衬底表面分成许多小块，刻槽完毕后，进行外延生长。生长完毕后，将小块处的外延层作为发光二极管的基本材料，经后步工艺做成发光二极管，与在蓝宝石衬底表面不刻沟槽的方法相比，外延层所受的压应力减少1/2左右。
实施例2
将待外延生长的蓝宝石表面上沉积二氧化硅薄膜，在薄膜上刻沟槽，沟槽宽为400微米，沟槽间距为50微米，沟槽的深度达到蓝宝石衬底的表面，蓝宝石衬底的表面被沉积的薄膜材料分成了许多小块，小块的表面是蓝宝石衬底的表面，小块的边缘被沉积的薄膜材料所包围，然后进行外延生长。外延生长时，氮化镓材料在小块的表面(即蓝宝石衬底表面)生长，氮化镓外延层与蓝宝石衬底间的应力在小块的边缘处释放。生长完毕后，将小块处的外延层作为发光二极管的基本材料，经后步工艺做成发光二极管。与在蓝宝石衬底表面直接生长外延层的方法相比，外延层所受的压应力减少1/2左右。
Claims (2)
1、一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，含有在待外延生长的蓝宝石衬底表面上刻上许多沟槽，其特征在于：所述方法是在待外延生长的蓝宝石衬底表面刻上将蓝宝石衬底表面分成许多小块的沟槽，所述沟槽宽为(20-200)微米，深为(0.001-300)微米，沟槽间距为(150-10000)微米。
2、一种高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法，其特征在于：所述方法是先在待外延生长的蓝宝石表面上沉积薄膜，然后在薄膜上刻有许多小块的沟槽，沟槽深度达到蓝宝石衬底的表面，蓝宝石衬底的表面被沉积的薄膜材料分成许多小块，所述沟槽宽为(150-10000)微米，沟槽间距为(20-200)微米。
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