專利名稱：提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體生產技術領域，特別是指一種圖形化襯底制備工藝。
背景技術：
當前基于氮化鎵基發光二極管(LED)的半導體照明技術正在向社會生活的各個方面滲透，如景觀照明，特種照明，以及液晶背光源照明等。但是由于三族氮化物固有的缺陷多，位錯密度大，材料質量差等問題，其亮度還有待于進一步提高從而進入通用照明領域， 重點是提高GaN基LED的內量子效率及光提取效率。藍寶石是當前主要的商業化應用的GaN基LED生長襯底，但是由于藍寶石和GaN 材料的晶格與熱膨脹系數差異大，導致外延生長的材料中殘余應力大，晶體缺陷多，材料質量差，限制了 LED發光效率的提高。同時由于GaN與空氣的折射率差別大，從LED器件內發出的光會發生全反射，導致了光提取效率很低。這也導致了 LED器件更多的電能轉化為了熱能，導致器件可靠性差。用藍寶石圖形襯底可以弛豫異質外延生長中藍寶石襯底和氮化物外延層晶格差異引起的晶格應力，降低氮化物外延材料中的位錯密度，改善材料質量。 同時光子向下照射到藍寶石圖形界面處會再次反射回來，可以有效的增大LED的光提取效率，從而提高器件的外量子效率。目前常用的圖形襯底通常采用先在藍寶石襯底表面淀積一層氧化硅，然后在氧化硅上涂覆光刻膠，然后利用光刻技術定義出圖形的尺寸，并腐蝕掉非圖形區域的氧化硅，然后以氧化硅為刻蝕掩模，最后用濃硫酸和磷酸混合溶液進行濕法腐蝕，或者用等離子干法腐蝕技術刻蝕藍寶石得到圖形化襯底?；蛘卟捎酶倪M的方法以光刻膠為刻蝕掩模。但是這些方法具有以下弊端
1、采用半導體光刻工藝，制備工藝復雜，增加了生產成本；
2、圖形轉移過程較多，圖形的一致性不易控制。

發明內容
本發明目的在于提供一種工藝簡單、圖形易控的提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法。本發明包括以下步驟
1)在藍寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，所述氯化物為氯化鈉、氯化銫、氯化鉀中的任意一種；
2)將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍寶石襯底烘干，烘干溫度范圍為50°C 300°C，在藍寶石平面襯底上得到微米量級的用于干法刻蝕的氯化物顆粒掩模層；
3)在掩模層上，在離子刻蝕氣體存在的條件下，以等離子刻蝕設備進行刻蝕30秒到30 分鐘，得到圖案化的藍寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。本發明可以簡化圖形化襯底的制備工藝，降低制造成本，生長的氮化物外延層及 LED結構位錯密度可以得到極大降低，從而改善GaN外延材料的質量。且襯底表面的圖形化處理可以增加光子被圖形反射后再次出射的幾率，可有效提高光提取效率，從而提高外量子效率。另，本發明所述氯化物顆粒掩模層的尺寸為0. 1 10 μ m，厚度為0.05 50 μ m， 這些顆粒狀物質用于等離子刻蝕藍寶石襯底的掩模，從而形成相應尺寸的圖形。本發明所述圖案化的藍寶石襯底的圖形底部尺寸為0. 1 10 μ m，圖形間距為 0. 1 5 μ m，圖形高度為0. 1 3 μ m，這些尺寸的圖形可以有效的緩解在藍寶石上異質外延生長三族氮化物存在的應力大的問題，改善材料質量，提高內量子效率；同時這些圖形能有效的形成光學反射，提高LED的出光效率。所述離子刻蝕氣體為Cl2、BC13、Ar或He，利用這些氣體可以獲得較好的深寬比的圖形剖面，得到理想的圖形形狀。


圖1為采用普通工藝形成的襯底與本發明形成襯底上LED的光通量與外量子效率對比曲線圖。圖2為在本發明制成的PSS與普通襯底上生長的GaN的XRD (0002)方向半寬對比曲線圖。圖3為在本發明制成的PSS與普通襯底上生長的GaN的XRD (10_12)方向半寬對比曲線圖。
具體實施例方式一、圖形化襯底制備步驟
1、在藍寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，該氯化物可以是氯化鈉、氯化銫、 氯化鉀等氯化物。2、將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍寶石襯底烘干，在藍寶石平面襯底上得到尺寸為0. 1 10微米、厚度為0. 05 50微米的氯化物顆粒，用于干法刻蝕的掩模。3、以C12、BC13、Ar、He等氣體，利用等離子刻蝕設備，在掩模層上進行30秒到30 分鐘刻蝕，得到圖案化的藍寶石襯底，圖形特征為微米量級，圖形底部尺寸為0. 1 10微米，圖形間距為0. 1 5微米，圖形高度為0. 1 3微米。將襯底清洗干凈用于外延生長。二、外延生長工藝
1、在該圖形襯底上采用金屬有機化合物物理氣相外延法生長一低溫氮化鎵成核層。其中，生長溫度為500-600°C，生長壓力為10000-90000Ρει，生長厚度為0. 01-0. Iym02、在氮化鎵成核層上生長非故意摻雜氮化鎵層，得到表面平整光亮的氮化鎵外延薄膜；其中，生長溫度為1000 1200°C，生長壓力為10000 60000Pa，生長厚度為1 5 μ m03、在非故意摻雜氮化鎵上依次生長N型摻雜的氮化鎵作為電子提供層，多量子阱 (MQffs)發光層，以及P型摻雜的氮化鎵作為空穴提供層，完成完整LED結構的生長。其中多量子阱發光區為AlxlGiiyJni_xl_yl N/ (Alx2Iny2(iai_x2_y2N)，生長溫度為 650 900°C，生長壓力為20000 60000Pa，多量子阱的AlJr^feimN勢壘厚度為0. 005 0. 05um, AlxlGayllni_xl_yl N量子阱厚度為0. 001 0. Olum。其中多量子阱的對數為1 30 對，O彡xl彡1，O彡x2彡1，O彡yl彡1，O彡y2彡1。三、本發明方法制成的產品與普通技術方法形成的產品的GaN基LED的外量子效率和材料質量的比較試驗過程及比較結果、結論
采用本發明方法制成的藍光LED封裝后的光通量外量子效率與普通藍寶石襯底上光通量及外量子效率對比結果見圖1。由圖1可見采用了本發明方法制備的圖形襯底及其上生長的LED的光通量與外量子效率都大大高于普通方法形成的平面襯底上生長的LED，外量子效率提高了 50%。采用XRD (X射線衍射)技術表征GaN材料的質量是氮化物領域通用的方法，采用本方法生長的GaN材料與在普通藍寶石襯底上生長的GaN材料質量的對比見圖2、圖3所
7J\ ο由圖2、圖3可見在本發明制成的PSS上面生長的GaN與在普通襯底上生長的GaN 相比，(0002)和(10-12)方向X射線衍射測試的半高寬都較小，反映出材料質量得到了改
業
口 ο結論利用本發明制成的PSS，在其上外延生長GaN，材料質量得到了改善；在該 PSS外延生長的LED的外量子效率提高了 50%。
權利要求
1.提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在藍寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，所述氯化物為氯化鈉、氯化銫、氯化鉀中的任意一種；2)將涂覆有氯化物飽和鹽溶液的藍寶石襯底烘干，烘干溫度范圍為50°C 300°C，在藍寶石平面襯底上得到微米量級的氯化物顆粒掩模層；3)在掩模層上，在離子刻蝕氣體存在的條件下，以等離子刻蝕設備進行刻蝕30秒到30 分鐘，得到圖案化的藍寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。
2.根據權利1所述提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述氯化物顆粒掩模層的尺寸為0. 1 10 μ m，厚度為0. 05 50 μ m。
3.根據權利1所述提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述圖案化的藍寶石襯底的圖形底部尺寸為0. 1 10 μ m，圖形間距為0. 1 5 μ m，圖形高度為 0. 1 3 μ m。
4.根據權利1所述提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法，其特征在于所述離子刻蝕氣體為Cl2、BCl3、Ar或He。
全文摘要
提高GaN基LED發光效率的圖形化襯底制備方法，屬于半導體圖形化襯底制備工藝技術領域。先在藍寶石平面襯底上涂覆一層氯化物飽和鹽溶液，經烘干后，在藍寶石平面襯底上得到微米量級的氯化物顆粒掩模層；再在掩模層上，等離子刻蝕，得到圖案化的藍寶石襯底，然后將襯底清洗干凈。本發明可以簡化圖形化襯底的制備工藝，降低制造成本，生長的氮化物外延層及LED結構位錯密度可以得到極大降低，從而改善GaN外延材料的質量。且襯底表面的圖形化處理可以增加光子被圖形反射后再次出射的幾率，可有效提高光提取效率，從而提高外量子效率。
文檔編號H01L33/00GK102394262SQ20111036506
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者李志聰, 李璟, 李盼盼, 李鴻漸, 王國宏 申請人:揚州中科半導體照明有限公司