CN1697205A - 在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜及发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜及发光器件的方法，它是在硅衬底上形成台面和沟槽组成的图形结构。沟槽两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜互不相连。在生长完发光器件的叠层薄膜后，在每个台面的薄膜上或硅衬底背面制备欧姆电极。然后沿着沟槽将衬底划开，就得到分离的发光芯片。本发明是通过分割衬底表面的办法来减小应力。由于衬底表面被分割成许多区域，因此在每个区域内生长的铟镓铝氮材料在空间上就是分离的，具有多个自由面且尺寸相对较小，因此应力能够有效释放而不至于出现裂纹。

Description

在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜及发光器件的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜及发光器件的方法。
背景技术：
铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)是制备短波长发光器件的优选材料体系之一。近年来在世界各地研究人员的努力下，已经用铟镓铝氮材料制造出许多新颖的发光器件，如蓝色、绿色、白色发光二极管，以及紫色半导体激光器等等。同时铟镓铝氮材料也是制备许多高性能电子器件的良好材料。在现有技术中，在蓝宝石衬底和碳化硅衬底上制备铟镓铝氮材料的方法已经为公众所知。例如，日本专利(JP2737053)中公开了一种在蓝宝石衬底上制备氮化镓材料的方法；美国专利(US5686738)中公开了一种在碳化硅衬底上制备氮化镓材料的方法。根据这些公开的技术，已经可以制备出高质量的铟镓铝氮材料。但是，由于碳化硅衬底非常昂贵，因而用于生长铟镓铝氮材料将使成本很高。而蓝宝石衬底也比较贵，并且它是绝缘体，加工困难，不能制成具有上下电极的芯片结构，这样就导致器件制造工艺复杂，成本增加。硅是一种最成熟的半导体材料，它不仅价格便宜，而且容易控制其导电类型和电阻率，其加工工艺也很成熟，如果用于生长铟镓铝氮将可以大大节约成本。但是硅和铟镓铝氮材料的晶格失配和热失配都很大，在硅上生长的铟镓铝氮很容易出现裂纹，从而无法制备出高性能的发光或电子器件。文献(Phys.stat.sol.(a)188，155(2001))给出了一种方法，在衬底上用氮化硅进行区域掩膜的方法，可以减少裂纹的出现，但该方法工艺较复杂，不利于规模化生产。文献(Appl.Phys.Lett.78，288(2001))提出了一种侧向限制外延的方法，通过形成沟槽来改善应力释放，然而该文献的结论指出，用此方法在Si(111)衬底上生长厚度为0.7微米的氮化镓(GaN)，得到的无裂区域最大不超过14.3微米，而生长更厚的GaN薄膜，无裂纹区域将更小。因此该文献的方法无法应用于制造有效的发光器件。
发明内容：
本发明的第一个目的在于提供一种在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法。
本发明的第二个目的在于提供一种制备铟镓铝氮发光器件的方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)的方法，包含以下步骤：
(1)、在硅衬底表面通过常规方法形成沟槽，分割衬底，以使衬底表面分割成多个台面，从而在衬底表面形成具有沟槽和台面的图形结构；
(2)、用沉积方法在具有图形结构的衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜；
其中沟槽的存在使其两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜互不相连。
所述沟槽的深度大于所述的铟镓铝氮薄膜的厚度；所述的沟槽的宽度大于所述的铟镓铝氮薄膜的厚度。
任意互不相连的独立台面的周长与其面积之比大于1.0毫米/毫米2。
所述硅衬底为硅(111)衬底，所述的沉积方法为金属有机化学气相沉积法。
所述台面的形状可以是正方型、长方形或三角形等任意常见的规则形状。
本发明的第二个目的是这样实现的：
在硅衬底制备铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)发光器件的方法，包含以下步骤：
(1)、在硅衬底上形成纵横交错且深度大于5微米、宽度大于30微米的沟槽以使衬底表面分割成多个边长大于100微米、小于3000微米的台面；
(2)、在硅衬底表面沉积铟镓铝氮多层薄膜；
(3)、在所述的铟镓铝氮薄膜表面或衬底背面形成P型和N型电极；
(4)、沿着所述的沟槽把衬底切开以使每个台面形成一个独立的发光元件。
本发明的在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法可以通过简单的衬底处理而生长出高质量无裂纹的铟镓铝氮薄膜，由于硅和铟镓铝氮材料之间的晶格失配和热失配很大，在大面积的硅衬底上生长铟镓铝氮材料达到一定厚度后，由于应力的累积就会导致薄膜裂开。本发明是通过分割衬底表面的办法来减小应力。由于衬底表面被分割成许多区域，因此在每个区域内生长的铟镓铝氮材料在空间上就是分离的，具有多个自由面且尺寸相对较小，因此应力能够有效释放而不至于出现裂纹。
分割衬底是通过在衬底上形成沟槽的方法来实现的，衬底上的沟槽可以组合呈现形状，但是以能够减少应力，并最终使发光材料能够应用为前提，可以是彼此交错或连接的，构成圆形，三角形，方形，多边形，或不规则图形等，也可以呈放射状发散，甚至彼此不相交的任意形状，一般优选让纵横交错的槽把衬底分割成一定形状的许多格子。格子的形状可以是正方型、长方形、三角形等任意常见的规则形状。为方便器件制备，优选的形状为正方形。槽的形成方法可以是任意成熟的刻槽方法，如干法刻蚀、湿法刻蚀、机械划片等方法。在刻有图形的硅衬底上生长铟镓铝氮材料时，在台面上和沟槽内都可能发生材料生长，为了保证各台面上生长的铟镓铝氮薄膜相互独立、互不连接，沟槽的深度必须大于所生长的薄膜的厚度，否则沟槽内生长的材料达到一定厚度后可能使相邻台面上的铟镓铝氮材料连接起来从而达不到释放应力的目的。另外，由于在台面的边缘薄膜会在水平方向上生长而向外延伸，为避免相邻的台面上薄膜因为相互延伸而对接起来，沟槽的宽度必须大于水平方向生长的薄膜的厚度。例如在生长铟镓铝氮发光二极管结构时，所需薄膜的厚度一般为4微米左右，槽的深度和宽度都必须大于4微米，优选的条件是大于两倍的膜厚。为了有效驰豫应力，根据衬底的面积，需要的沟槽数目或长度不同，本发明提出的优选条件为，沟槽的密度需要达到使任意独立的台面的周长/面积比大于1.0毫米/毫米2。而为了能够制作有效的器件，沟槽的密度也不宜太高，以免台面面积太小而无法制作电极。
由于生长在硅衬底上的铟镓铝氮材料很薄而且很脆，在切割芯片时如果刀片从长有铟镓铝氮材料的正面进行划片会对薄膜造成破坏使之崩裂；而硅片在可见光范围内又不透明，难以像蓝宝石衬底一样采取背面划片然后裂片的办法。本发明提出：根据设计的芯片尺寸，在进行铟镓铝氮材料生长前预先在衬底表面刻出与芯片尺寸相对应的格子，然后再生长铟镓铝氮薄膜。这样在划片时让划片刀沿着生长前刻好的沟槽进行切割，如果槽的宽度大于刀片厚度，就可使刀片不碰到台面上生长的薄膜材料，也就不会造成薄膜崩裂，从而得到完整的芯片晶粒。根据本发明的方案，芯片的电极结构既可以是同侧电极也可以是上下电极。
附图说明：
图1是刻有沟槽的衬底表面局部示意图；
图2是图1中A-A方向的横截面示意图；
图3是在硅衬底上生长铟镓铝氮薄膜后的横截面示意图；
图4是本发明另一种实施例衬底表面刻槽形状示意图；
图5是本发明又一种实施例衬底表面刻槽形状示意图；
图6是用1和图3所示的外延片制作好欧姆电极并划片后的外观示意图；
图7是图6中B-B方向的横截面示意图。
所有图中相同的数字其指向物均具有相同的含义。其中1为台面、2和2’为沟槽、3为铟镓铝氮薄膜、4为p型电极、5为划片槽、6为n型电极。
具体实施方式：
下面用4个实施例对本发明的方法进行进一步的说明。
实施例1：
参照附图。把一块硅(111)衬底用常规的光刻掩膜然后等离子刻蚀的办法在表面刻出如图1示出的格子图形。图中正方形区域1为未被刻蚀的台面区。区域2则为被刻出的沟槽区。图2用断面图更加清楚地示出了这种台面和沟槽结构。在本实施例中，相邻两个正方形格子的中心距离为100微米，沟槽的宽度为6微米，沟槽的深度为5微米。把刻好图形的衬底用熟知的硅片清洗工艺清洗干净，放入反应室，在表面沉积包括缓冲层、n型层、发光层、p型层等发光器件所需的铟镓铝氮多层结构。铟镓铝氮多层薄膜3的总厚度为4微米。沉积完成后，衬底断面具有如图3所示的结构。对比图2和图3，可以看出，台面和沟槽内都会有铟镓铝氮材料沉积，由于槽的深度大于薄膜厚度，槽内生长的薄膜和台面上生长的薄膜互相之间没有连接。在台面四周薄膜沿水平方向也会向外生长并突出于台面边缘。由于槽宽足够宽，因此相邻台面上生长的薄膜并没有由于向外延伸而对接起来。这样由于各台面上生长的薄膜都是相互独立的并且自由的，因此应力可以得到释放，台面上不会出现裂纹。在薄膜生长完成后，在每个台面上制作一个p型电极4，在衬底背面相应于每个格子制作一个n型电极6。沿着沟槽2将衬底划开，就得到如图6所示的芯片晶粒。图7用断面图进一步示出了划开后晶粒的结构。
实施例2：
把一块硅(111)衬底用常规的光刻掩膜然后等离子刻蚀的办法在表面刻出如图1示出的格子图形。图中正方形区域1为未被刻蚀的台面区。区域2则为被刻出的沟槽区。刻槽后的衬底断面结构如图2示。在本实施例中，相邻两个正方形格子的中心距离为3000微米，沟槽的宽度为50微米，沟槽的深度为200微米。把刻好图形的衬底用熟知的硅片清洗工艺清洗干净，放入反应室，在表面依次沉积包括缓冲层、n型层、发光层、p型层等发光器件所需的铟镓铝氮多层结构。铟镓铝氮多层薄膜3的总厚度为4微米。沉积完成后，衬底断面具有如图3所示的结构。用光刻掩膜和ICP刻蚀的办法在每个台面上刻出一个小区域，在该区域内暴露出铟镓铝氮多层薄膜3中的n型层。在暴露的n型区制作一个n型电极6，在为刻蚀的台面(p型层)上制作一个p型电极4。然后沿着沟槽2将衬底划开，就得到分离的芯片晶粒。
实施例3：
参照附图。把一块硅(111)衬底用常规的光刻掩膜然后等离子刻蚀的办法在表面刻出如图4示出的三角格子图形。图中区域1为未被刻蚀的台面区。区域2则为被刻出的沟槽区。在本实施例中，三角形的边长为300微米，沟槽的宽度为20微米，沟槽的深度为20微米。把刻好图形的衬底用熟知的硅片清洗工艺清洗干净，放入反应室，在表面依次沉积包括缓冲层、n型层、发光层、p型层等发光器件所需的铟镓铝氮多层结构。铟镓铝氮多层薄膜3的总厚度为4微米。薄膜生长完成后，在每个台面上制作一个p型电极4，在衬底背面相应于每个格子制作一个n型电极6。沿着沟槽2将衬底划开，就得到分离的芯片晶粒。
实施例4：
参照附图。把一块硅(111)衬底用常规的光刻掩膜然后等离子刻蚀的办法在表面刻出如图5示出的图形。图中区域1为未被刻蚀的台面区。区域2和区域2’则为被刻出的沟槽区。沟槽2为互相垂直，而沟槽2’则与沟槽2成45度角。沟槽2把表面分割成边长为4000微米的正方形的格子，沟槽2’则进一步把沟槽作不完全分割。单条沟槽2’长度为1500微米。把刻好图形的衬底用熟知的硅片清洗工艺清洗干净，放入反应室，在表面依次沉积包括缓冲层、n型层、发光层、p型层等发光器件所需的铟镓铝氮多层结构。铟镓铝氮多层薄膜3的总厚度为3微米。薄膜生长完成后，在每个台面上制作一个p型电极4，在衬底背面相应于每个格子制作一个n型电极6。沿着沟槽2将衬底划开，就得到分离的芯片晶粒。

Claims (6)

1、一种在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于：
(1)、在硅衬底表面通过常规方法形成沟槽，分割衬底，以使衬底表面分割成多个台面，从而在衬底表面形成具有沟槽和台面的图形结构；
(2)、用沉积方法在具有图形结构的衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜；
其中沟槽的存在使其两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜互不相连。
2、如权利要求1所述的在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于：所述沟槽的深度大于所述的铟镓铝氮薄膜的厚度；所述的沟槽的宽度大于所述的铟镓铝氮薄膜的厚度。
3、如权利要求1-2中所述任意一项所述的在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于：任意互不相连的独立台面的周长与其面积之比大于1.0毫米/毫米2。
4、如权利要求1-3中任意一项所述的在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于：所述硅衬底为硅(111)衬底，所述的沉积方法为金属有机化学气相沉积法。
5、如权利要求1中任意一项所述的在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于：所述台面的形状可以是正方型、长方形或三角形等任意常见的规则形状。
6、一种在硅衬底制备铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)发光器件的方法，其特征在于：
(1)、在硅衬底上形成纵横交错且深度大于5微米、宽度大于30微米的沟槽以使衬底表面分割成多个边长大于100微米、小于3000微米的台面；
(2)、在硅衬底表面沉积铟镓铝氮多层薄膜；
(3)、在所述的铟镓铝氮薄膜表面或衬底背面形成P型和N型电极；
(4)、沿着所述的沟槽把衬底切开以使每个台面形成一个独立的发光元件。
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