[發(fā)明專利]一種生長GaN基LED的硅圖形襯底及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210300173.6
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102810612A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李述體;易翰祥;王幸福
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號: H01L33/32
• 分類號: H01L33/32;H01L33/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 江裕強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種生長GaN基LED的硅圖形襯底及其制備方法。

背景技術(shù)

GaN基高亮度發(fā)光二極管（LED）是目前全球光電子領(lǐng)域研究和產(chǎn)業(yè)的前沿和熱點(diǎn)，當(dāng)前GaN材料主要是生長在藍(lán)寶石襯底上，由于藍(lán)寶石的價(jià)格昂貴，使得GaN基發(fā)光二極管的成本降不下來，也難以實(shí)現(xiàn)大尺寸的藍(lán)寶石襯底上生長。而硅（Si）材料由于其價(jià)格低廉，電學(xué)性能良好，易導(dǎo)熱，以硅襯底代替藍(lán)寶石襯底成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。?

但是由于硅材料與氮化鎵材料之間晶格失配和熱失配大，導(dǎo)致大量的位錯(cuò)產(chǎn)生，并且很容易出現(xiàn)裂紋。高的位錯(cuò)密度與裂紋影響了器件的性能以及良品率。因此，對硅襯底的表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高GaN材料和器件的性能成為當(dāng)前研究和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有硅襯底作為生長GaN外延片的缺陷，提供一種生長GaN基LED的硅圖形襯底及其制備方法，并進(jìn)一步對襯底的圖形尺寸進(jìn)行精確的限定，解決在硅（111）面上生長GaN外延片位錯(cuò)密度大、容易龜裂的技術(shù)難題，具體技術(shù)方案如下。

一種生長GaN基LED的硅圖形襯底，所述硅圖形襯底的硅（111）面襯底上刻蝕有周期性排列的矩形區(qū)域，每個(gè)矩形區(qū)域覆蓋一層SiO₂掩膜，且在每個(gè)矩形區(qū)域的該層SiO₂掩膜中心光刻出Si表面。

進(jìn)一步研究得到的方案中，所述矩形圖形尺寸為100μm×100μm～5000μm×5000μm；矩形區(qū)域之間的間隔為10μm～15μm，間隔深度為5μm～20μm。由于矩形區(qū)域之間間隔寬度和深度設(shè)計(jì)，使得GaN外延片生長時(shí)只在每個(gè)區(qū)域形成連續(xù)的矩形薄膜或器件結(jié)構(gòu)，矩形薄膜或器件結(jié)構(gòu)之間不連續(xù)，形成周期性排列。因此，每一個(gè)矩形區(qū)域可以直接作為一個(gè)器件芯片單元。這種不連續(xù)的區(qū)域的劃分能使硅材料與GaN外延片之間的應(yīng)力局限在單個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)，從而降低裂紋，提高良品率。

進(jìn)一步研究得到的方案中，在每個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)的SiO₂掩膜中心還刻出小于P型電極尺寸且滿足上述尺寸的Si表面，單個(gè)所述Si表面圖形尺寸為10μm×10μm～300μm×300μm。該圖形尺寸使得GaN首先在每個(gè)矩形區(qū)域中刻出的Si表面生長，然后再側(cè)向生長，最后在每個(gè)矩形區(qū)域生長出與LED芯片尺寸一致的外延結(jié)構(gòu)。因?yàn)镾iO₂掩膜阻擋GaN與Si襯底接觸，減少因兩者晶格失配和熱失配引起的高密度位錯(cuò)等缺陷，從而明顯提高GaN材料和LED外延片質(zhì)量，提高LED性能。特別是，制備LED器件時(shí)，鍍P型電極前，可用絕緣掩膜遮擋每個(gè)矩形區(qū)域圖案中心刻出Si表面圖形區(qū)域，因而降低電流在芯片高密度缺陷區(qū)域的流通，減少電子的非輻射復(fù)合，提高LED性能。

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本發(fā)明的生長GaN基LED的硅圖形襯底的制備方法，包括以下步驟：

（1）蒸鍍二氧化硅掩模層：在硅（111）襯底上蒸鍍一層50nm～300nm二氧化硅掩模層；

（2）清洗：使用丙酮溶液對經(jīng)步驟（1）處理的硅片進(jìn)行超聲3~5分鐘，清洗后使用異丙醇超聲3~5分鐘，再用去離子水漂洗，最后用氮?dú)獯蹈珊蠛娓桑?/p>

（3）光刻：在經(jīng)步驟（2）處理的硅片上光刻出周期排列的矩形圖案；?

（4）濕法刻蝕：經(jīng)步驟（3）處理得到的襯底放進(jìn)腐蝕液中腐蝕10~30秒鐘，腐蝕出尺寸為100μm×100μm～5000μm×5000μm的矩形圖案，矩形圖形之間的間隔為10μm～15μm，間隔深度為5μm～20μm，取出襯底，用去離子水清洗干凈；

（5）光刻：在經(jīng)步驟（4）處理得到的矩形圖案的SiO₂掩膜中心刻出Si表面圖形，Si表面圖形尺寸為10μm×10μm～300μm×300μm；

（6）清洗：將步驟（5）得到的襯底置進(jìn)行清洗去除殘留的腐蝕液即得所述硅圖形襯底。

進(jìn)一步的，步驟（4）所述腐蝕液是硝酸與氫氟酸的水溶液，硝酸、氫氟酸、水的質(zhì)量比例優(yōu)選為45：15：15。

進(jìn)一步的，步驟（6）所述清洗是在清洗機(jī)內(nèi)用去離子水清洗5分鐘。

在本發(fā)明的硅圖形襯底上生長的GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、緩沖層、n型層、量子阱層和p型層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和顯著效果：