专利名称：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：
本发明涉及一种半导体材料，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US-5686738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，用此方法在硅(111)衬底上生长厚度为0.7微米的GaN，得到的无裂区域最大不超过14.3微米。由于制作欧姆电极的需要，发光芯片的面积一般要求大于100×100微米2，因此按照这些文献公开的方法还无法制造出有效的发光器件。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种在硅衬底上制备无裂纹铟镓铝氮薄膜的方法。
本发明的目的之二是提供一种制备铟镓铝氮发光器件的方法。
本发明的这些以及其他目的将通过下列详细说明和描述来进一步阐述。
本发明的在硅衬底上制备铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)薄膜的方法，包括以下步骤A、在硅衬底表面形成具有沟槽和台面的图形结构；B、在衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜；其中所述的沟槽的深度大于等于6微米，并且沟槽两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜互不相连。
进一步的，在本发明的在硅衬底硅(111)上制备铟镓铝氮薄膜的方法中，沟槽的深度为6-300微米，较好为10-30微米；沟槽的宽度大于其两侧台面上向水平方向生长的薄膜的宽度，较好的是沟槽的宽度为6-50微米，可以选择的是沟槽的宽度大于两倍的膜厚。在衬底上的沟槽呈线形状，彼此交错或相连接，或呈放射状发散，或彼此不相交。
在本发明的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法中，在图形结构中，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，小于40毫米/毫米2，较好的是大于4毫米/毫米2，小于20毫米/毫米2。所述的图形结构为圆形、三角形、方形、正方形、多边形或其它不规则图形。所述的台面面积大于100×100微米2，小于3000×3000微米2，较好的是大于200×200微米2，小于1000×1000微米2。
在本发明的使用硅衬底制备铟镓铝氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)发光器件的方法中，包括如上所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法。还包括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，然后沿着所述的沟槽把衬底切开使每个台面形成一个独立的发光元件。
在本发明中，多个发光器件同时但相互独立地在同一个硅衬底上形成。
本发明的使用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，包括如下步骤A、在硅衬底上形成深度大于等于6微米的沟槽，使衬底表面分割成多个面积大于100×100微米2、小于3000×3000微米2的台面；B、在衬底表面沉积铟镓铝氮多层薄膜；C、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；D、沿着所述的沟槽把衬底切开使每个台面形成一个独立的发光元件。
用本发明的方法可以通过简单的衬底处理而生长出高质量、无裂纹和面积较大的铟镓铝氮薄膜，进而可以制备出高性能和大量的发光器件。
在本发明中，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。因此本发明通过在衬底上开出一定密度且足够深度和宽度的沟槽来减小缓解薄膜承受的应力。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，因此增加了自由面，减少了应力。另一方面，槽必须具有足够的深度，以使铟镓铝氮外延薄膜和衬底之间的应力分布发生改变。当槽的深度足够深，则硅台面可以承受更大的应力，从而减少台面上生长的铟镓铝氮薄膜所受的应力，防止薄膜裂开。由于制备铟镓铝氮发光二极管所需薄膜的厚度一般大于3微米，本发明的方法要求槽的深度大于6微米。
在本发明中，衬底上的沟槽可以组合呈线形状，但是以能够减少应力，并最终使发光材料能够应用为前提。它们可以是彼此交错或连接的，构成圆形，三角形，方形，正方形、多边形或其他不规则图形等，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。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，沟槽的宽度还必须大于水平方向生长的薄膜的厚度，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，本发明方法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。为了能够形成欧姆电极以制作有效的发光器件，沟槽的密度也不能太大，在本发明方法中所述的台面面积大于100×100微米2。
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，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。根据本发明的方法，也可以把生长好的铟镓铝氮转移到另一个硅衬底或其它材料的衬底上再制作成发光器件。
四
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。
在本发明中所涉及到的设备均为目前本行业中的常用设备，在此不多作介绍。
下面结合实施例对本发明进行具体的描述。由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，下列实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包含。
五具体实施例方式
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6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。
实施例5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，格子为长方形，尺寸为500×400微米，沟槽的宽度为30微米，沟槽的深度为300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6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，在未刻蚀的台面(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。
权利要求
1.一种在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤A、在硅衬底表面形成具有沟槽和台面的图形结构；B、在衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜；其中所述的沟槽的深度大于等于6微米，并且沟槽两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜在水平方向上互不相连。
2.根据权利要求1所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于沟槽的深度为6-300微米。
3.根据权利要求1所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于沟槽的宽度大于其两侧台面边缘向外生长的薄膜宽度，为6-50微米。
4.根据权利要求1-3之一所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于在衬底上的沟槽呈线形状，彼此交错或相连接，或呈放射状发散，或彼此不相交。
5.根据权利要求1所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于在图形结构中，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，小于40毫米/毫米2，
6.根据权利要求5所述的在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，其特征在于所述的图形结构为圆形、三角形、方形、正方形、多边形或其他不规则图形，台面面积大于100×100微米2，小于3000×3000微米2。
7.一种使用硅衬底制备铟镓铝氮发光器件的方法，其特征在于包括权利要求1-6的方法，还包括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，然后沿着所述的沟槽把衬底切开使每个台面形成一个独立的发光元件。
8.根据权利要求7所述的使用硅衬底制备铟镓铝氮发光器件的方法，其特征在于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，在划片时让划片刀沿着生长前刻好的沟槽进行切割。
9.根据权利要求7或8所述的使用硅衬底制备铟镓铝氮发光器件的方法，其特征在于芯片的电极结构既可以是同侧电极也可以是上下电极，多个发光器件同时但相互独立地在同一个硅衬底上形成。
10.一种使用硅衬底制备铟镓铝氮发光器件的方法，其特征在于包括如下步骤A、在硅衬底上形成深度大于等于6微米的沟槽，使衬底表面分割成多个面积大于100×100微米2、小于3000×3000微米2的台面；B、在衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜；C、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；D、沿着所述的沟槽把衬底切开使每个台面形成一个独立的发光元。
全文摘要
本发明公开了一种在硅衬底上制备铟镓铝氮薄膜的方法，包括在硅衬底表面形成具有沟槽和台面的图形结构和在衬底表面沉积铟镓铝氮薄膜步骤，其中所述的沟槽的深度大于6微米，并且沟槽两侧台面上生长的铟镓铝氮薄膜水平方向上互不相连。用本发明的方法可以通过简单的衬底处理而生长出高质量、无裂纹和面积较大的铟镓铝氮薄膜。本发明同时还公开了一种使用硅衬底制备铟镓铝氮发光器件的方法。
文档编号H01L21/02GK1953220SQ200610072230
公开日2007年4月25日 申请日期2006年4月14日 优先权日2005年4月15日
发明者江风益, 方文卿, 王立, 莫春兰, 刘和初, 周毛兴 申请人:南昌大学