专利名称：一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种利用
图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法。该方法
可以有效地提高GaN基LED材料的内量子发光效率和
光提取效率。
背技术
发光二极管(LED)是一种能将电信号转换成光信
号的结型电致发光半导体器件。氮化镓(GaN)基LED
作为固态光源一经出现便以其高效、长寿命、环保等
优占 "、 ，被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的第
次革命， 成为国际上半导体和照明领域研发与产业
关注的焦点。但目前GaN基LED进入通用照明领域，在技术和成本上还面临诸多难题，需进一步提咼LED
的内发光效率和光提取效率。
目前拔 nix宝石衬底是氮化物进行巳 幵质外延生长最为
常用的衬底之 一 。由于^始:石衬底和氮化物外延层间
存在曰 曰曰格常数失配和热膨胀系数差幵，因此氮化
物外延层中存在很大的残余应力和诸多曰 曰曰体缺陷，影
响了材料的晶体质量，限制了器件光电性能的进 一 步
提高。同时，GaN和空气间存在较大的折射率的差异，
光的出射角很小，绝大部分被全反射又回到LED器件
内部，这既降低了光的提取效率又增加了散热难度，
影响了LED器件的稳定性。采用图形化蓝宝石衬底技
术可以缓解异质外延生长中蓝宝石衬底和氮化物外延
层由于曰 曰曰格失配引起的应力，使之得到有效的弛豫，
大大降低氮化物材料中的位错密度，提高器件的内量
子效率同时，为了提高GaN基LED的光提取效率，
人们也进々)了多方面的研究，如采用粗化表面方法、
采用光子晶体结构等。为了更有效地提高LED的发光
效率，发展成本低、易于实现的蓝宝石衬底图形化技术和高光提取效率的器件结构势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，提供 一 种利用图形化衬底提
高GaN基LED发光效率的方法，这种方法可以有效地 降低GaN基LED材料中的位错密度，避免裂纹的产生，
提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高LED
的内量子发光效率，由于采用了特定衬底的处理方法
其表面的V形坑阵列结构能有效地增强GaN基LED的 光提取效率。本图形化蓝宝石衬底技术还具有工艺简 单、成本低以及能避免晶体损伤等优点。
本发明提供一种利用图形化衬底提高GaN基LED 发光效率的方法，其特征在于，包括如下歩骤
步骤1 :在蓝宝石衬底上淀积 一 层二氧化硅膜；
步骤2 :利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列， 其图形单元为圆形；
步骤3 :以光刻胶图形阵列作掩膜，利用氢氟酸+ 氟化氨+H 2 0混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅 膜；
步骤4:以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，
利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，将图
形刻蚀到蓝宝石衬底上；
步骤5:利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜， 并将蓝宝石衬底清洗干净；
步骤6 :继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝 石衬底，形成横截面为三角形的金字塔结构；
步骤7 :利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝 石衬底上生长低温成核层；步骤8:在低温成核层上继续升高温度生长n型
掺杂的GaN层，控制生长条件，生长出低位错密度且
表面有V形坑阵列结构；
止 少骤9 :在具有V形坑阵列结构的n型GaN层上
继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料
层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
其中所述的二氧化硅膜的厚度为2 0纳米-2微米。
其中所述的圆形的光刻胶图形阵列，图形单元的
尺寸和间距为0 . 5微米-1 0微米。
其中所述的硫酸和磷酸混合液体积比为1 : 3 -
3 :1 。
其中所述的湿法刻蚀的温度在3 2 0 °C - 5 2 0
°c之间，刻蚀的时间为3 0秒-3 0分钟。
其中所述的用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石
衬底的时间为30 s至lj 5 min。
苴 z 、中所述的生长低温成核层的生长温度为4 0 0
°c到600°c
苴 z 、中所述的低温成核层的厚度为1 0纳米到1 0
0纳米
其中所述的具有V形坑结构的多量子阱层为InxGa
N/GaN、 IrixGai』/InyGahN、 AlxIn丄—xGaN/GaN、 AlxIn GaN/AlyGa丄—yN、 GaN/A1 xGa丄_XN或A 1 xGa i-XN/A 1 yGa丄-yN
中的—.种或几种组合。
本发明提供的 一 种利用图形化衬底提高GaN基LED
发光效率的方法，这种方法可以有效地降低GaN基LED
材料中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料
的曰 日日体质量和均匀性，进而能提高LED的内量子发光
效率，由于采用了特定衬底的处理方法其表面的v形
坑阵列结构能有效地增强GaN基LED的光提取效率。
本图形化蓝宝石衬底技术还具有工艺简单、成本低以
及能避免晶体损伤等优点。
为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施的
实例对本发明作 一 详细的描述，其中
图1是蓝宝石衬底光刻图形后的结构截面示意 图；其中l为蓝宝石衬底，2为二氧化硅膜，3为光 刻胶图形阵列；
图2是以光刻胶图形阵列3为掩膜，利用氢氟酸+ 氟化氨2 0混合液刻蚀二氧化硅膜2后的截面示意 图；其中l为蓝宝石衬底，2为刻蚀后的图形二氧化 硅膜，3是光刻胶图形阵列；
图3是利用图形结构的二氧化硅膜2为掩膜，采
用硫酸和磷酸混合(体积比3 :1 )湿法刻蚀蓝宝
石衬底1，将图形刻蚀到蓝宝石衬底后的剖面示意其中1为图形化的蓝宝石衬底，2是二氧化硅膜；
图4是稀氢氟酸湿法刻蚀去掉残余的二氧化硅膜
1，并将宝石衬底1清洗干净后的剖面示意图 ，其
中1为宝石图形化衬底；
图5是继续用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀图形
结构的宝石衬底l，形成横截面为三角形的金字塔
结构。中i为图形化的蓝宝石衬底；
图6是在蓝宝石图形衬底1上生长低温成核层
4，咼溫生长的低位错密度并且表面具有V形坑阵列
结构的型GaN层5 ;其中1为图形化的蓝宝石衬底，
4为低温成核层，5为具有V形坑阵列结构的n型GaN
层
图7是在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5上
继续生长的多量子阱层6和p型GaN层7，表面也具
有V形坑阵列结构。其中l为蓝宝石图形化衬底，4 为低温成核层，5为n型GaN层，6为多量子阱层，7 为表面具有V形坑结构的p型GaN层。
具体实施例方式
请参阅图1 一图7所示，本发明 一 种利用图形化
衬底提高GaN基LED发光效率的方法，包括如下步骤
步骤1 :在蓝宝石衬底1上淀积 一 层二氧化硅膜 2 (参阅图l)，该二氧化硅膜2的厚度为20纳米-2微米；
步骤2 :利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列3 ，
其图形单元为圆形，该圆形的光刻胶图形阵列3，图
形单元的尺寸和间距为0 . 5微米-1 0微米；
步骤3 :以光刻胶图形阵列3作掩膜，利用氢氟
酸+氟化氨+H 2 0混合液，刻蚀出具有图形结构的一氧化
硅膜2 (参阅图2 );
步骤4:以具有图形结构的二氧化硅膜2作为掩
膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底
(参阅图3 )，将图形刻蚀到蓝宝石衬底1上，该硫酸
和磷酸混合液体积比为1 : 3 _ 3 : 1 ，该湿法刻蚀的
温度在3 2 0 °C - 5 2 0 °C之间，刻蚀的时间为30秒
-3 0分钟；
步骤5:利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化娃膜
2 ，并将蓝宝石衬底1清洗干净(参阅图4 );
步骤6 :继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀號宝
石衬底1 ，时间为3 0 s到5 mi n ，形成横截面为二角形
的金字塔结构(参阅图5);
步骤7 :利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝 石衬底1上生长低温成核层4，生长温度为4 00 °C
至U 6 0 0 °C ，厚度为1 0纳米至U 1 0 0纳米(参阅图 6 );
步骤8:在低温成核层4上继续升高温度生长n 型掺杂的GaN层5 ，控制生长条件，生长出低位错密 度且表面具有V形坑阵列结构；
步骤9 :在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5 上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层6和p型 材料层7 (参阅图7)，并使最终的表面仍具有V形坑 阵列结构。
其中所述的具有V形坑结构的多量子阱层6为 IruGa!-xN/GaN、 I nxGa i —XN/1 nyGa i-yN 、 A 1XI n i—xGaN/GaN 、 AlJru-xGaN/AlyGahN、GaN/AlxGa卜xN或A1 xGa丄—XN/A1 yGa i -yN中的 一 种或几种组合。
下面通过具体的实施例进一步阐述本发明的技术 特点和显著的进步。
本实施例为 一 种利用图形蓝宝石衬底提高GaN基 LED发光效率的制作方法。
首先在2英寸c面蓝宝石衬底l上采用等离子体 增强化学气相淀积(PECVD )技术淀积0 . 3微米的二
氧化硅膜2 ，然后利用常规光刻技术制作周期性的光
刻胶图形阵列3 ，图形单元为圆形，直径及间距为3
微米，光刻后的结构剖面如图1所示；
接着以光刻胶图形阵列3作掩膜，利用氢氟酸+氟
化氨+ H2 0混合液，将光刻图形阵列3刻蚀到二氧化硅
膜2上，结构剖面如图2所示；
然后以茵形结构的二氧化硅膜2为掩膜，利用硫
酸和磷酸混合液(体积比3 : 1 )在4 0 0度下湿法刻
蚀c面蓝宝石衬底1 ，时间为1 o分钟，结构剖面如图
3所不;
利用稀氢氟酸将残余的二氧化硅膜2湿法刻蚀去
掉，结构剖面如图4所示；
继续用硫酸和磷酸的混合液(体积比3 :1 )在4
00度下湿法刻蚀图形结构的蓝宝石衬底1 ，使之表
面形成金字塔状的图形阵列，结构剖面如图5所示；
利用MOCVD设备(VEECO公司Pl 2 5型商用机)
在图形化的蓝宝石衬底1上生长低温GaN成核层4 ，
然后再高温生长低位错密度并且表面具有V形坑阵列
结构的n型GaN层5 ，结构剖面如图6所示；
在具有V形坑阵列结构的n型GaN层5上继续生
长In 0.2 Ga 0 . 8 N/GaN多量子阱6和p型GaN层7 ，
最终的表面也具有V形坑阵列结构，结构剖面如图7所示；
刻蚀后的c面蓝宝石衬底l的图形单元为台面结 构，台面高度为1 . 3微米。由于湿法刻蚀的各向异性，
横截面为三角形，侧面为近正三角形结构，由{1 1-
2 0 } 、 {-2 1 1 0 }和{ 1 - 2 1 0 }晶面构成。
上述实施例描述了利用图形化蓝宝石衬底提高 GaN基LED发光效率的方法。由于衬底刻蚀工艺不涉及 RIE或ICP等干法刻蚀过程，因此制备的图形蓝宝石衬 底1能免于干法刻蚀损伤。同时，GaN基LED器件结构 表面形成的V形坑阵列可以有效地提高LED的光提取 效率，从而能进 一 步提高GaN基LED的发光效率。
权利要求
1、一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；步骤2利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列，其图形单元为圆形；步骤3以光刻胶图形阵列作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H2O混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；步骤4以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；步骤5利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜，并将蓝宝石衬底清洗干净；步骤6继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，形成横截面为三角形的金字塔结构；步骤7利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；步骤8在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，控制生长条件，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；步骤9在具有V形坑阵列结构的n型GaN层上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
2 、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的二氧化硅膜的厚度为2 0纳米-2微米
3 、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的圆形的光刻胶图形阵列，图形单元的尺寸和间距为0 . 5微米-1 0微米。
4 、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提咼GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的硫酸和磷酸混合液体积比为1 :3 - 3:1
5 、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提咼GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，g巾所述的湿法刻蚀的温度在3 2 0 'C -5 2 0 °C之间，刻蚀的时间为3 0秒-3 0分钟。
6 、根据权利要求1所述的一种利用图形化衬底提咼GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中所述的用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底的时间为3 0 s 到 5 m i n 。
7 、根据权利要求1所述的 一 种利用图形化衬底 提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中 所述的生长低温成核层的生长温度为4 0 0 °C到6 0 0 °C 。
8 、根据权利要求1所述的 一 种利用图形化衬底 提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中 所述的低温成核层的厚度为1 0纳米到1 0 0纳米；
9 、根据权利要求1所述的 一 种利用图形化衬底 提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，其中 所述的具有V形坑结构的多量子阱层为InxGai—xN/GaN、 IruGai一xN/InyGahN、 AlxIni-xGaN/GaN、 AlxIni-xGaN/AlyGa 卜yN、 GaN/AlxGa丄墨xN或AlxGa丄—XN/A1 yGa丄—yN中的 一 禾中或 几种组合。
全文摘要
一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，包括在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；光刻出光刻胶图形阵列；以光刻胶图形阵列作掩膜，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；将蓝宝石衬底清洗干净；形成横截面为三角形的金字塔结构；在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。
文档编号H01L33/00GK101345274SQ20071011863
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月11日 优先权日2007年7月11日
发明者扬 张, 张会肖, 曾一平, 李晋闽, 王国宏, 闫发旺, 高永海 申请人:中国科学院半导体研究所