一種提高GaN-LED出光穩(wěn)定性的低損傷圖形襯底的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高GaN-LED出光穩(wěn)定性的低損傷圖形襯底的制備方法。該方法包括按現(xiàn)有技術(shù)在藍寶石襯底上制備規(guī)則的掩膜圖形，濕法腐蝕制出藍寶石圖形襯底,最后去除掩膜層，其中，在濕法腐蝕前，在藍寶石襯底下面蒸鍍一層二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜層的厚度為0.1-1μm，以保護襯底，得到的圖形襯底透明度均一，在圖形襯底上生長外延層，該過程中生長均一性將明顯提高，制得的GaN-LED出光穩(wěn)定性好。
【專利說明】一種提高GaN-LED出光穩(wěn)定性的低損傷圖形襯底的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能提高GaN-LED出光穩(wěn)定性的低損傷圖形襯底制備方法,屬于光電子技術(shù)圖形襯底領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，GaN材料的外延層主要是生長在藍寶石襯底上，藍寶石襯底有許多的優(yōu)點:首先，藍寶石襯底的生產(chǎn)應(yīng)用成熟、質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械硬度高，易于處理和清洗，因此大多數(shù)GaN-LED采用藍寶石襯底生長。但藍寶石襯底上生長GaN材料，存在較多的問題，其中最大的問題是表面出光問題，雖然GaN基LED已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，但是芯片出光效率低的問題仍然沒有很好的解決。根據(jù)GaN基LED的發(fā)光性質(zhì)來看，一般用來提高GaN基LED的發(fā)光效率主要有兩種途徑，一種是提高其內(nèi)量子效率，一種是提高其外量子效率。由于GaN功率型LED材料一般都是采用MOCVD的外延生長和多量子阱的結(jié)構(gòu)，但是提升內(nèi)量子效率不明顯。
[0003]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)PSS (Patterned Sapphire Substrate)結(jié)構(gòu)的襯底使朝下的光的傳播方向從幾乎規(guī)定的方向到任意方向能有效提高LED的出光效率。PSS—方面可以解決由于藍寶石與GaN之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配這一問題，同時PSS微型圖形結(jié)構(gòu)改變了 GaN的生長過程，能夠抑制缺陷向外延表面延伸，降低了外延的缺陷密度。另一方面，GaN與藍寶石襯底的折射率和空氣的折射率存在差距，GaN材料的折射率(2.4)高于藍寶石襯底(1.7)和空氣的折射率(1.0)，PSS圖形結(jié)構(gòu)改變了有源區(qū)發(fā)出光的傳播路線，有源區(qū)發(fā)出的光入射到PSS圖形上反射回去，經(jīng)過GaN材料入射到GaN與空氣的界面，與普通藍寶石平面比較，減小了入射角，減少全反射的機會，增加出光機會，使更多的光經(jīng)PSS結(jié)構(gòu)作用反射出來，這樣就提高了光提取效率。目前，PSS制備主要有干法刻蝕與濕法腐蝕兩種方法制備，通過比較發(fā)現(xiàn)濕法腐蝕工藝比較簡單，程序單一，制作成本低，受到業(yè)內(nèi)人士廣泛關(guān)注。
[0004]CN1700449 (CN200410038260.4)公開了一種濕法腐蝕藍寶石圖形襯底的方法，包括如下的步驟:1)采用常規(guī)技術(shù)在藍寶石上蒸鍍二氧化硅掩膜層；2)利用光刻技術(shù)在蒸鍍了二氧化硅掩膜層的藍寶石上光刻出條形二氧化硅掩膜圖形；3)濕法腐蝕，200?600°C腐蝕0.5?40小時，取出襯底，用去離子水沖洗干凈；4)將經(jīng)濕法腐蝕的襯底放入氫氟酸溶液中，直至在顯微鏡下觀察到二氧化硅掩膜層被完全腐蝕后，取出襯底，再用去離子水沖洗干凈，即得到。該方法采用直接形成圖形的襯底生長外延層，避免了采用二氧化硅層條紋襯底生長時對生長層的污染；與干法刻蝕相比濕法刻蝕有利于保護襯底免受損傷和污染，降低成本；在得到的圖形襯底上外延生長GaN基時，穿透位錯方向由垂直偏轉(zhuǎn)為水平，從而減小GaN基外延層穿透位錯的密度，提高外延層晶體質(zhì)量，降低半導(dǎo)體發(fā)光材料的非輻射復(fù)合中心，增強輻射復(fù)合。但是濕法腐蝕制備出的襯底由于在高溫酸中腐蝕，藍寶石是可以與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制備出的PSS，背面由于酸的腐蝕，出現(xiàn)一半透明一半不透明，在外延生長過程中難以監(jiān)控，生長的外延片測試發(fā)光強度波動很大，不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種低損傷的圖形襯底制備方法，所得襯底能提高GaN-LED出光的穩(wěn)定性。
[0006]術(shù)語解釋:
[0007]1、GaN-LED:GaN 基發(fā)光二極管。
[0008]2、PSS !Patterned Sapphire Substrate,藍寶石圖形襯底。
[0009]3、MOCVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposition,金屬有機物化學(xué)氣相沉積。
[0010]4、PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體化學(xué)氣相沉積。
[0011]5、ICP:1nductive Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]一種低損傷的圖形襯底的制備方法，包括按現(xiàn)有技術(shù)在藍寶石襯底上制備規(guī)則的掩膜圖形，濕法腐蝕制出藍寶石圖形襯底(PSS)，最后去除掩膜層，其特征在于，在濕法腐蝕前，利用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝在藍寶石襯底下面蒸鍍一層二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜層的厚 度為0.1-1 μ m。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，一種低損傷的圖形襯底的制備方法，步驟如下:
[0015](I)在藍寶石襯底上面利用PECVD工藝蒸鍍一層二氧化硅或者氮化硅掩膜層，掩膜層的厚度為0.1-1ym ；
[0016](2)在上述掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將圖形轉(zhuǎn)移到掩膜層上，顯影后，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，以SF6氣體刻蝕掩膜層，然后按常規(guī)方法去掉光刻膠，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形；
[0017](3)將步驟(2)制得的藍寶石襯底，利用PECVD工藝在襯底下面蒸鍍一層二氧化硅或者氮化娃掩膜，掩膜層的厚度為0.1-1 μ m ；
[0018](4)濕法腐蝕
[0019]將步驟(3)的制品在硫酸和磷酸混合的高溫酸中250~400°C腐蝕15~40分鐘，取出，用去離子水沖洗干凈，得到刻蝕有圖形的藍寶石襯底；
[0020](5)然后按常規(guī)方法去掉藍寶石襯底掩膜層，再通過丙酮、乙醇、去離子水清洗，SP得低損傷的圖形襯底。
[0021]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中，所述規(guī)則的掩膜圖形優(yōu)選直徑I 一 4μπκ間距
0.5~2 μ m的圓形,或邊長I~4 μ m、間距0.5~2 μ m的正方形。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)濕法腐蝕中所用的高溫酸為質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的磷酸按體積比5~15:1的混合。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)濕法腐蝕制得藍寶石襯底正面刻蝕有臺面高度為I~10 μ m的圖形襯底。
[0024]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(5)中常規(guī)方法去掉掩膜層，是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的氫氟酸溶液常溫浸泡腐蝕去除掩膜層。[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(I)、步驟(3)中所述的掩膜層的厚度為0.1?0.5μπι;進一步優(yōu)選掩膜層的厚度為0.1 μ m。
[0026]一種提高GaN-LED的出光穩(wěn)定性的方法，包括使用本發(fā)明制備的低損傷圖形襯底，在本發(fā)明方法制備的低損傷的圖形襯底上利用金屬氣相沉積法生長GaN-LED的外延層。進一步制成GaN-LED產(chǎn)品，能提高GaN-LED的出光穩(wěn)定性。
[0027]本發(fā)明是在濕法制備圖形襯底的過程中，腐蝕前增加一個步驟，在襯底下面蒸鍍上一層掩膜，保護下面不被高溫酸腐蝕，圖形制備完成后兩次同時去除，襯底本身保持不透明，外延生長后制得的GaN-LED產(chǎn)品發(fā)光的穩(wěn)定性更好，而且能使外延生長過程更容易控制。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)良效果如下:
[0029]1、本發(fā)明在襯底下面蒸鍍保護濕法腐蝕制備低損傷的藍寶石圖形襯底，使得在此襯底上生長外延層的出光穩(wěn)定性更好。
[0030]2、在本發(fā)明制備的低損傷的藍寶石圖形襯底上用金屬氣相沉積法生長GaN-LED外延層時，整個生長過程更容易監(jiān)控，提高了外延層生長工藝的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明方法步驟(I)襯底上蒸鍍一層二氧化硅或氮化硅掩膜層。
[0032]圖2是本發(fā)明方法步驟(2) ICP刻蝕并去掉光刻膠后形成的掩膜圖形。
[0033]圖3是本發(fā)明方法步驟(3)藍寶石襯底下面蒸鍍一層二氧化硅或氮化硅掩膜層。
[0034]圖4是本發(fā)明方法步驟(5)制備完成的藍寶石圖形襯底。
[0035]其中，1、二氧化硅或氮化硅掩膜層，2、藍寶石襯底，3、掩膜圖形，4、襯底下面掩膜層，5、低損傷藍寶石圖形襯底。
[0036]圖5是實施例1的藍寶石圖形襯底上MOCVD生長制備的GaN-LED產(chǎn)品及對照例產(chǎn)品測得光致發(fā)光強度圖，其中橫坐標(biāo)為序號(Size)，縱坐標(biāo)為光致發(fā)光強度(a.u.)。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。實施例中使用的光刻機為Quintel4004光刻機。實施例中使用的襯底是臺灣晶美2英寸藍寶石襯底。
[0038]實施例1:
[0039]一種低損傷的圖形襯底的制備方法，步驟如下:
[0040](I)在藍寶石襯底2上利用PECVD工藝蒸鍍一層二氧化硅掩膜層I，掩膜層I的厚度為0.1 μ m ;如圖1所示；
[0041](2)在步驟(I)制得的掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠做掩膜，Quintel4004光刻機曝光將圖形轉(zhuǎn)移到掩膜層上，顯影后，利用ICP設(shè)備，以SF6氣體刻蝕掩膜層，然后按常規(guī)方法去掉光刻膠，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形；掩膜圖形為直徑2 μ m、間距Ium的圓形,如圖2 ;
[0042](3)將步驟(2)制的藍寶石襯底利用PECVD工藝在襯底下面蒸鍍一層二氧化硅掩膜層4，掩膜層4厚度為0.1 μ m ;如圖3 ;
[0043](4)將步驟(3)的制品在高溫酸中腐蝕，所述的高溫酸是質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%磷酸按體積比10:1的混合，腐蝕溫度250°C，腐蝕時間15min，制備出襯底上面刻蝕有臺面高度為1.5μπι的藍寶石圖形襯底，取出用去離子水沖洗；
[0044](5)然后按常規(guī)方法，將步驟(4)的制品置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的氫氟酸溶液常溫浸泡腐蝕去掉襯底掩膜層，最后，通過丙酮、乙醇、去離子水清洗即得到低損傷的藍寶石圖形襯底；如圖4。
[0045]對照例1:
[0046]圖形襯底的制備如實施例1所述，所不同的是，省去步驟(3)在襯底上蒸鍍掩膜層的操作。其他工藝條件與實施例完全相同。得常規(guī)藍寶石圖形襯底。
[0047]應(yīng)用測試實驗例:
[0048]分別取實施例1制備出的低損傷的藍寶石圖形襯底，及對照例I常規(guī)藍寶石圖形襯底，再利用MOCVD法生長GaN-LED的外延層，首先生長低溫成核層，然后生長摻Si的N型GaN,量子阱發(fā)光區(qū)，最后生長一層摻Mg的P型GaN。按現(xiàn)有技術(shù)制得GaN_LED。
[0049]測試實施例1及對照例I的藍寶石圖形襯底生長制備的GaN-LED的出光性能，測試方法是測試管芯的光致發(fā)光強度，測結(jié)果如圖5所示。
[0050]由圖5的兩條測試曲線對比可知，本發(fā)明方法制備的低損傷的藍寶石圖形襯底生長外延層制備的GaN-LED管芯出光穩(wěn)定性明顯變得更好，生長過程更易監(jiān)控。
[0051]實施例2: [0052]一種低損傷的圖形襯底的制備方法，步驟如下:
[0053](I)在藍寶石襯底2上利用PECVD工藝沉積一層氮化硅掩膜層I，掩膜層I的厚度Slym ;如圖1 ;
[0054](2)在步驟(1)掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻機將圖形轉(zhuǎn)移到掩膜層上，顯影后，利用ICP設(shè)備，以SF6氣體刻蝕掩膜層，然后按常規(guī)方法去掉光刻膠，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形；掩膜圖形為邊長3 μ m、間距2 μ m的方形；
[0055](3)將步驟(2)的產(chǎn)品，利用PECVD工藝在襯底下面蒸鍍一層氮化硅掩膜層，掩膜層厚度為0.8 u m ；
[0056](4)將步驟(3)的產(chǎn)品在高溫酸中腐蝕，所述的高溫酸是質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的磷酸按體積比8:1的混合，腐蝕溫度260°C，腐蝕時間20min，制備出襯底上面刻蝕有臺面高度為1.8μπι的藍寶石圖形襯底，取出用去離子水沖洗；
[0057](5)然后按常規(guī)方法去掉襯底上的掩膜層，如實施例1 (5)。
[0058]實施例3:
[0059]一種低損傷的圖形襯底的制備方法，步驟如下:
[0060](I)在藍寶石襯底2上面利用PECVD工藝蒸鍍一層二氧化硅掩膜層I，掩膜層I的厚度為0.2μ-- ;
[0061](2)在上述的掩膜層I上按實施例1步驟(1)的方法制得規(guī)則的掩膜圖形；掩膜圖形為直徑3 μ m、間距1.5 μ m的圓形,如圖2 ;
[0062](3)將步驟(2)制的藍寶石襯底，在藍寶石襯底下面利用PECVD工藝蒸鍍一層二氧化硅掩膜層4，掩膜層4厚度為0.4 μ m ;如圖3 ;
[0063](4)將步驟(3)的制品在高溫酸中腐蝕，所述的高溫酸是質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%磷酸按體積比12:1的混合，腐蝕溫度250°C，腐蝕時間25min，制備出襯底上面刻蝕有臺面高度為Iym的藍寶石圖形襯底，取出用去離子水沖洗；
[0064](5)然后按常規(guī)方法去掉襯底的掩膜層，如實施例1步驟(5)。
【權(quán)利要求】
1.一種低損傷的圖形襯底的制備方法，包括按現(xiàn)有技術(shù)，在藍寶石襯底上制備規(guī)則的掩膜圖形，濕法腐蝕制出藍寶石圖形襯底，最后去除掩膜層，其特征在于，在濕法腐蝕前，將藍寶石襯底利用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝在藍寶石襯底下面蒸鍍一層二氧化娃或者氮化娃掩膜，掩膜層的厚度為0.1-1 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的低損傷的圖形襯底的制備方法，其特征在于，步驟如下: (1)在藍寶石襯底上面利用PECVD工藝蒸鍍一層二氧化硅或者氮化硅掩膜層，掩膜層的厚度為0.1-1 μ m ； (2)在上述掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將圖形轉(zhuǎn)移到掩膜層上，顯影后，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，以SF6氣體刻蝕掩膜層，然后按常規(guī)方法去掉光刻膠，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形； (3)將步驟(2)制得的藍寶石襯底利用PECVD工藝在襯底下面沉積一層二氧化硅或者氮化硅掩膜，掩膜層的厚度為0.1-1ym; (4)濕法腐蝕 將步驟(3)的制品在硫酸和磷酸混合的高溫酸中250?400°C腐蝕15?40分鐘，取出，用去離子水沖洗干凈，得到上面刻蝕有圖形的藍寶石襯底； (5)然后按常規(guī)方法去掉藍寶石襯底掩膜層，再通過丙酮、乙醇、去離子水清洗，即得低損傷的圖形襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的低損傷的圖形襯底的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述規(guī)則的掩膜圖形為直徑I 一 4 μ m、間距0.5?2μπι的圓形，或者邊長I?4 μ m、間距0.5?2μπι的正方形。
4.如權(quán)利要求1所述的低損傷的圖形襯底的制備方法，其特征在于，步驟(4)濕法腐蝕中所用的高溫酸為質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的磷酸按體積比5?15: I的混口 ο
5.如權(quán)利要求1所述的低損傷的圖形襯底的制備方法，其特征在于，步驟(4)濕法腐蝕制得藍寶石襯底上面刻蝕有臺面高度為I?IOym的圖形襯底。
6.如權(quán)利要求1所述的低損傷的圖形襯底的制備方法，其特征在于，步驟(5)中常規(guī)方法去掉掩膜層，是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的氫氟酸溶液常溫浸泡腐蝕去除掩膜層。
【文檔編號】H01L33/00GK103681977SQ201210338323
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月13日
【發(fā)明者】邵慧慧, 曲爽, 王成新, 馬旺, 李毓鋒 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司