专利名称：一种用于GaN外延生长的衬底制备方法
技术领域：
本发明涉及用于GaN外延生长的衬底制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术：
蓝绿光的GaN基LD和LED中广泛使用蓝宝石衬底，但是蓝宝石与氮化镓晶体晶格失配度较大(达13. 6%)。现今普遍采用低温生长GaN/AIN缓冲层技术，生长得到的GaN外延层的位错密度仍然达到IO9-IOicicnT^这些位错限制了器件的内量子效率，且TDs (线性位错)处易通过电子击穿有源层，降低器件可靠性。同时氮化镓折射率(n=2. 4)与空气(n=l) 界面处的全反射临界角为23°，且衬底蓝宝石(n=1.8)与氮化镓的折射率相近，衬底会存在部分底面出光；平坦的衬底表面对有源区的光子形成二次反射，束缚在外延层中，最终导致结温升高降低器件使用寿命。因此提高GaN基LD和LED的发光效率，须考虑提高GaN外延层的生长质量降低位错密度和改善器件的表面出光效率。普遍采用蓝宝石图形衬底技术，通过GaN的侧向外延生长，中止TDs位错向外延层的延伸，降低外延层的位错密度提高晶体质量；
另外蓝宝石图形的制程有干法刻蚀和湿法刻蚀两种，干法刻蚀通常采用诱导耦合等离子刻蚀(ICP)技术，此刻蚀技术采用设备昂贵，工艺条件苛刻，且刻蚀后三维图形的一致性较差对衬底造成一定的刻蚀损伤；若采用和H3PO4的混合溶液作为腐蚀液，因该混合溶液对蓝宝石具有各向异性的腐蚀效果，纵向刻蚀速率大于侧向刻蚀速率，同时(11-2 k) 面的刻蚀的酸腐蚀速率也大于(l-10k)，k是由湿法腐蚀的时间所决定，所以通过控制腐蚀时间能很好的控制蓝宝石图形的一致性。沿着<ι-ιοο>方向有两个对称的刻蚀面，而 <11-20>方向的两个刻蚀面是非对称的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于GaN外延生长的衬底制备方法，以实现降低外延生长中因GaN与蓝宝石晶体晶格常数失配导致的位错密度，提高器件发光效率。本发明的用于GaN外延生长的衬底制备方法，包括如下步骤
1)利用电子束蒸发法、气相沉积法、溅射法、脉冲激光沉积法、分子束外延法或溶胶凝胶法，在C面蓝宝石衬底表面沉积一层折射率范围在1到1.8之间，厚度为0.1 um 3 um 的氧化物，氮化物或氮氧化物薄膜；
2)通过刻蚀和光刻在步骤1)的薄膜上制作掩膜层凸形图形；
3)将以上制备好的衬底放入腐蚀液中，在100°C 600°C中腐蚀Imin Mh；所述的腐蚀液是和H3PO4按体积比1 :10 10 :1的混合液；
4)用丙酮、酒精、去离子水依次清洗以上腐蚀完的衬底。本发明中，所述的掩模层凸形图形的俯视图是沿<1-100>或<11-20>方向的条纹图形、周期性排列的圆形、六方形或三角形方阵；凸形图形的侧视图形是锥形，台形或半球形。
本发明中，沿<1-100>或<11-20>方向条形图形的下底宽度1 um_100 um，高度 0. lum-3um,间距lum-100 um,图形长度lum-20cm ；所述的周期性排列的圆形、六方形或三角形方阵的下底宽度0.1 um-10 um，高度0. 1 um-3 um;间距0. 1 um-10 um的阵列图形。本发明中，所述的刻蚀是干法刻蚀或湿法腐蚀，通过腐蚀时间可控制表面图形形貌。所述的光刻依次包括勻胶、曝光、显影和热板烘烤。本发明的优点在于在衬底上制作一层折射率较低的薄膜材料(折射率范围在1 到1.8之间)，并以这层薄膜材料作掩模，对衬底进行图形刻蚀，刻蚀不涉及昂贵的ICP和 RIE设备，成本低，湿法腐蚀不会对衬底带来损伤，且较容易控制蓝宝石图形形貌；在刻蚀完衬底后不需要去除掩模层，在外延生长中利用折射率较低的图形薄膜层和图形衬底能提高光在器件中的提取效率，同时在蓝宝石图形衬底上利用侧向外延技术降低晶体生长的位错密度，改善抗静电能力，提高晶体质量，提高器件的发光亮度。
图1是蓝宝石衬底第一步骤后的剖面图；1为蓝宝石衬底2为薄膜； 图2是蓝宝石衬底第二步骤后的剖面图；1为蓝宝石衬底2为薄膜；
图3是蓝宝石衬底第三步骤后的剖面图；1为蓝宝石衬底2为薄膜。
具体实施例方式下面用2个实例对本发明进一步的说明 实例1
用于GaN外延生长的衬底制备方法，步骤如下
1)薄膜生长用等离子增强化学气相沉淀法(PECVD)在250°C，腔体压力900mtorr下， 反应气体SiH4 =N2O气体体积比=1 :20，在C面蓝宝石衬底表面生长30min，形成一层厚度为 1 um的SiO2薄膜；见图1
2)用依次包括勻胶、曝光、显影和热板烘烤的光刻和干法刻蚀制作下底宽度为3Mm，间距为2Mm的SiO2半球形凸形掩模层图形；见图2
3)湿法腐蚀将以上制备好的衬底放入350°C的腐蚀液中15min，腐蚀液为以体积比 3 1配制的H2SO4和H3PO4混合液；见图3
4)清洗衬底对腐蚀后的衬底用丙酮、酒精、去离子水进行清洗并甩干，制备出用于 GaN外延生长的衬底，待后续外延生长用。实例2:
1)薄膜生长用等离子增强化学气相沉淀法(PECVD) 在350°C下，腔体压力120Pa下， 反应气体质量比SiH4 =NH3=I :10，在C面蓝宝石衬底表面生长25min形成一层厚度为1 um 的SiN薄膜；
2)用依次包括勻胶、曝光、显影和热板烘烤的光刻和干法刻蚀制作沿<1-100>方向的 SiN条纹图形，条纹下底宽3Mm，间距2Mm，长为10 cm
3)湿法腐蚀将以上制备好的衬底放入350°C的腐蚀液中15min，腐蚀液为以体积比3: 1配制的H2SO4和H3PO4混合液；
4)清洗衬底对腐蚀后的衬底用丙酮、酒精、去离子水进行清洗并甩干，制备出用于GaN外延生长的衬底，待后续外延生长。
将本发明制得的用于GaN外延生长的衬底制成GaN基发光二极管，这种衬底能有效降低外延生长中因GaN与蓝宝石晶体晶格常数失配导致的位错密度，由于在蓝宝石衬底和GaN晶体之间插入一层介于1与1. 8之间的低折射率薄膜层，低折射率薄膜使得光路折射夹角增大，可以减少光从衬底面的逸出。从而提高外延层的内量子效率和光提取效率，来达到提高器件发光效率的目的。
权利要求
1.一种用于GaN外延生长的衬底制备方法，包括如下步骤1)利用电子束蒸发法、气相沉积法、溅射法、脉冲激光沉积法、分子束外延法或溶胶凝胶法，在C面蓝宝石衬底表面沉积一层折射率范围在1到1.8之间，厚度为0.1 um 3 um 的氧化物，氮化物或氮氧化物薄膜；2)通过刻蚀和光刻在步骤1)的薄膜上制作掩膜层凸形图形；3)将以上制备好的衬底放入腐蚀液中，在100°C 600°C中腐蚀Imin Mh；所述的腐蚀液是和H3PO4按体积比1 :10 10 :1的混合液；4)用丙酮、酒精、去离子水依次清洗以上腐蚀完的衬底。
2.根据权利要求1所述的用于GaN外延生长的衬底制备方法，其特征在于，所述的掩模层凸形图形的俯视图是沿<1-100>或<11-20>方向的条纹图形、周期性排列的圆形、六方形或三角形方阵；凸形图形的侧视图形是锥形，台形或半球形。
3.根据权利要求2所述的用于GaN外延生长的衬底制备方法，其特征在于，所述的沿 <1-100>或<11-20>方向条形图形的下底宽度1 um-100 um,高度0. lum-3um,间距lum-100 um,图形长度lum-20cm ；所述的周期性排列的圆形、六方形或三角形方阵的下底宽度0. 1 um-10 um，高度 0. 1 um_3 um ；间距 0. 1 um-10 um 的阵列图形。
4.根据权利要求1所述的用于GaN外延生长的衬底制备方法，其特征在于，所述的刻蚀是干法刻蚀或湿法腐蚀；所述的光刻依次包括勻胶、曝光、显影和热板烘烤。
5.根据权利要求1所述的用于GaN外延生长的衬底制备方法，其特征在于，氧化物为氧化硅或氧化钛，氮化物为氮化硅，氮氧化物为氮氧化硅。
全文摘要
本发明涉及一种用于GaN外延生长的衬底制备方法，包括在C面蓝宝石表面沉积一层低折射率的薄膜材料；用传统光刻工艺制作掩模层图形，并通过刻蚀，将图形转移到这层低折射率薄膜上，再用硫酸和磷酸的混合溶液对衬底进行湿法腐蚀；最后对附有低折射率薄膜的蓝宝石图形衬底进行清洗，待后续外延生长用。本发明制备工艺成本低，湿法腐蚀不会对衬底带来损伤，且较容易控制蓝宝石图形形貌。在该衬底上生长能够降低外延层的位错密度，改善抗静电能力；提高晶体质量，提高器件的发光亮度。
文档编号H01L33/16GK102157638SQ20111003385
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者张昊翔, 李东昇, 江忠永, 金豫浙, 陈立人 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司