专利名称：高亮度氮化镓基发光二极管外延片的衬底处理方法
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。
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。
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0.001-1000微米，深为0.001-300微米，沟槽间距为0.01-10000微米。
本发明提出的另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0.01-10000微米，沟槽间距为0.01-1000微米。所述的沉积薄膜为1100℃以上稳定存在的薄膜材料。
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。
权利要求
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(0.001-1000)微米，深为(0.001-300)微米，沟槽间距为(0.01-10000)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(0.01-10000)微米，沟槽间距为(0.01-1000)微米。
3.按照权利要求2所述的一种衬底处理方法，其特征在于所述的沉积薄膜为1100℃以上稳定存在的薄膜材料。
全文摘要
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0.001－1000微米,深为0.001－300微米,沟槽间距为0.01－10000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0.01－10000微米,沟槽间距为0.01－1000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。
文档编号H01L33/00GK1379484SQ02117329
公开日2002年11月13日 申请日期2002年5月17日 优先权日2002年5月17日
发明者罗毅, 郭文平, 胡卉, 孙长征, 郝智彪 申请人:清华大学