一種用於製備led晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法

2023-06-16 07:28:01 2

專利名稱：一種用於製備led晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法
技術領域：
本發明屬於固態照明領域，特別是一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法。
背景技術：
照明一直與人類社會文明和進步緊密的聯繫在一起，從原始社會火的使用，到 1886年愛迪生發明了白熾燈，繼而日光燈廣泛的應用於工業、民用照明。使人類的生產、社會活動時間延續到了全天、極大的推動了人類的文明進程。但是，目前以日光燈為代表的照明光源存在著一系列的缺陷，比如發光效率低、消耗能量多、使用壽命短、產生汞等重金屬有毒廢棄物，遠遠不能滿足現代社會對高效、節能、環保的照明技術理念。因此，亟待一種全新的照明光源加以解決。自從50多年前發光二極體LED (Light Emitting Diode)問世以來，在節能和壽命方面都表現出了巨大的潛能，人們一直希望其成為新一代的固態照明光源，但由於無法得到高效的藍光發射，很長時間沒有實現白光LED。1996年，日本日亞公司首次成功地研製出氮化鎵(GaN) LED,實現了藍色半導體發光，該突破使得LED形成了三基色完備的發光體系，構成了實現白光LED的研究基礎。近年來，以GaN為代表的III-IV族氮化物的發展，促進了半導體固態照明的發展。 III-IV族氮化物覆蓋了從紫外到遠紅外的發光波長，並且在整個組分範圍內都是直接帶系的發光材料。它相對於Sic、ZnSe及其他II/VI族化合物半導體寬帶隙材料所製成的藍綠髮光器件，GaN基器件壽命長，內、外量子效率高，發光效率高，價格相對便宜，被公認為是全固態照明光源用管芯器件的首選材料。目前，藍寶石被廣泛用作為III-V族LED器件氮化物外延薄膜的襯底，然而由於氮化物和藍寶石大的晶格失配和熱膨脹係數的差別，使得在襯底上生長的氮化物材料位錯和缺陷密度較大，影響了器件的發光效率和壽命。圖形化藍寶石襯底PSSO^tterned Sapphire Substrate)技術可以比較有效地減少外延材料的位錯和缺陷，在氮化物器件製備中得到了廣泛的應用。但是隨著LED領域工藝技術的發展，以及整個LED行業的迅速壯大，對GaN基LED器件襯底的要求進一步提高。傳統的圖形化藍寶石襯底 (CPSS-Conventional Patterned Sapphire Substrate)技術，受到光刻工藝的限制，一般圖形尺寸都大於2微米，已經不能滿足進一步提高LED器件的光提取效率的要求。如今各廠家紛紛採用NPSS技術。納米圖形藍寶石襯底(NPSS-NanoPatterned Sapphire Substrate)，就是在藍寶石襯底上形成納米級的周期性凸起，再在其上外延生長GaN材料，使GaN材料的縱向外延變為橫向外延。這樣一方面可以更有效減少GaN外延材料的位錯密度，減小有源區的非輻射複合，減小反向漏電流，提高LED的壽命；另一方面有源區發出的光，經GaN和藍寶石襯底界面多次散射，改變了全反射光的出射角，增加了倒裝LED的光從藍寶石襯底出射的機率，從而進一步提高了光的提取效率。綜合這兩方面的原因，使NPSS上生長的LED比傳統的LED 以及CPSS上生長的LED出射光亮度顯著提高，同時反向漏電流減小，LED的壽命也得到了延長。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種能有效的降低外延層中的位錯密度，大幅度提高LED的光提取效率的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法。本發明的技術方案如下一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，其特徵在於將藍寶石襯底經潔淨處理；製作均勻分散的氧化矽納米球(納米球直徑約500nm)；把氧化矽納米球溶液滴在藍寶石襯底上；使用勻膠機把氧化矽均勻單層塗覆在藍寶石襯底表面；以塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕，刻蝕分兩步進行，先用BCl3氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形深度，再用BCl3、Cl2、Ar氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形寬度；把刻蝕完成的藍寶石襯底取出，經腐蝕後清洗乾淨，烘乾待用。本發明納米圖形襯底圖形均勻、周期性較好。半徑尺寸小於500nm，高度小於 250nm，周期大於50nm。本發明具體步驟如下1.將藍寶石襯底(sapphire substrate)首先在硫酸、雙氧水的混合溶液中，轉動清洗。然後在氫氟酸、去離子水的混合溶液中超聲。最後用去離子水清洗乾淨，N2對表面進行潔淨處理後放入乾燥箱烘乾。2.在無水乙醇溶液中加入去離子水、氨水後，緩慢滴入正矽酸乙酯(TE0S)，速度約每兩分鐘200-300微升，反應18- 小時。期間磁力攪拌器不斷恆速攪拌，轉速300轉/分鐘。反應完成之後，取出在室溫下超聲，使得氧化矽納米球均勻分散，納米球直徑為500nm ；3.把氧化矽納米球溶液滴在藍寶石襯底上，使用勻膠機(spin coating)把氧化矽均勻塗覆在藍寶石襯底表面。塗覆兩次。4.把塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕處理。刻蝕分二步進行a.刻蝕出納米圖形化襯底圖形深度，刻蝕氣體BCl3b.刻蝕出納米圖形化襯底圖形寬度，刻蝕氣體出(13、(12、八1·。5.把刻蝕完成藍寶石襯底取出，在BOE液中(HF、H20混合液)腐蝕，用去離子水清洗乾淨，N2對表面進行潔淨處理後放入乾燥箱烘乾，外延待用。本發明的優點在於，提供了一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，該圖形形貌類似圓錐形，圖形周期約為50nm，高度約為250nm，粒徑500nm。這種襯底在外延過程中，可以有效地降低LED晶片中的位錯密度，避免裂紋的產生，提高外延材料的晶體質量和均勻性，增加了 LED的光從藍寶石襯底出射的機率，進而能提高LED晶片的發光效率。利用該襯底經過優化晶片結構和外延工藝後，大功率LED封裝後發光效率可達到 80-90lm/ff 以上。


圖1為本發明塗覆氧化矽納米球的藍寶石襯底示意圖。圖2為圖1經BCl3刻蝕後的藍寶石襯底示意圖。
圖3為圖2經BCl3+Cl2+Ar刻蝕後的藍寶石襯底示意圖。
具體實施例方式為了進一步說明本發明的內容，以下結合實施例和附圖對本發明做一詳細描述一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，具體方法如下1.將藍寶石襯底(sapphire substrate)首先在硫酸雙氧水=4 1的混合溶液中，轉動清洗細in。然後在HF H2O = 1 1的混合溶液中超聲aiiin。最後用去離子水清洗乾淨，N2對表面進行潔淨處理後放入乾燥箱烘乾(80°C )。2.在50ml無水乙醇溶液中加入2ml去離子水、6ml氨水後，緩慢滴入正矽酸乙酯(TEOS)，速度約每兩分鐘200微升，反應18-M小時。期間磁力攪拌器不斷恆速攪拌， 轉速300轉/分鐘。反應完成之後，取出在室溫下超聲15分鐘，使得氧化矽納米球均勻分散，納米球直徑為500nm;3.把氧化矽納米球溶液滴在藍寶石襯底上，使用勻膠機(spin coating)把氧化矽均勻塗覆在藍寶石襯底表面，勻膠機轉速分三步進行a. 500 轉 / 分鐘(10 秒)b. 1200 轉 / 分鐘(10 秒)c. 5000轉/分鐘(30秒)。此過程重複一次。所得塗覆氧化矽納米球的藍寶石襯底如圖1所示。圖中1為藍寶石襯底，2為氧化矽納米球。4.把塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕處理。刻蝕分2步進行a.刻蝕出納米圖形化襯底深度刻蝕氣體BCl3 IOOsccm ；ICP 功率:1600ff ；RF 功率:500ff ；壓力:2. 0 X KT4Torr ；時間200秒。所得藍寶石襯底如圖2所示。b.刻蝕出納米圖形化襯底寬度亥Ij蝕氣體:BC13 :80sccm+Cl2 :10sccm+Ar IOsccm ；ICP 功率:800ff ；RF 功率:500ff ；壓力:2. 0 X KT4Torr ；時間550秒。所得藍寶石襯底如圖3所示，圖中3為刻蝕後的納米圖形化襯底。5.把刻蝕完成藍寶石襯底取出，在BOE液中(HF H2O = 1 6)腐蝕3分鐘，用去離子水清洗乾淨，N2對表面進行潔淨處理後放入乾燥箱烘乾(80°C )，外延待用。
權利要求
1.一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，其特徵在於將藍寶石襯底經潔淨處理；製作均勻分散的氧化矽納米球；把氧化矽納米球溶液滴在藍寶石襯底上；使用勻膠機把氧化矽均勻單層塗覆在藍寶石襯底表面；以塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕，刻蝕分兩部進行，先用BCl3氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形深度，再用BC13、Cl2, Ar氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形寬度；把刻蝕完成藍寶石襯底取出， 經腐蝕後清洗乾淨，烘乾待用。
2.根據權利要求1中所述的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，具特徵在於所述將藍寶石襯底經潔淨處理是指將藍寶石襯底首先在硫酸、雙氧水的混合溶液中，轉動清洗，然後在氫氟酸、去離子水的混合溶液中超聲，最後用去離子水清洗乾淨，N2 對表面進行潔淨處理後放入乾燥箱烘乾。
3.根據權利要求1中所述的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，其特徵在於所述製作均勻分散的氧化矽納米球方法是在無水乙醇溶液中加入去離子水、氨水後，緩慢滴入正矽酸乙酯，反應18-M小時，恆速攪拌，反應完成之後，取出在室溫下超聲使得均勻分散氧化矽納米球。
4.根據權利要求1中所述的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，其特徵在於使用勻膠機把氧化矽均勻單層塗覆在藍寶石襯底表面具體方法是把氧化矽納米球溶液滴在藍寶石襯底上，使用勻膠機把氧化矽均勻塗覆在藍寶石襯底表面，勻膠機轉速分三步進行a.500轉/分鐘，時間10秒；b.1200轉/分鐘，時間10秒；c.5000轉/分鐘，時間30秒；此過程重複一次。
5.根據權利要求1中所述的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，具特徵在於所述把塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕處理分二步進行a.刻蝕出納米圖形化襯底深度刻蝕氣體=BCl3 IOOsccm ；ICP 功率:1600ff ；RF 功率:500ff ；壓力2. 0 X KT4Torr ；時間200秒；b.刻蝕出納米圖形化襯底寬度刻蝕氣體BC13 :80sccm+Cl2 :10sccm+Ar IOsccm ；ICP 功率:800ff ；RF 功率:500ff ；壓力2. 0 X IO^4Torr ；時間550秒。
6.根據權利要求1中所述的用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，具特徵在於刻蝕完成藍寶石襯底在BOE液中腐蝕，用去離子水清洗乾淨，N2對表面進行潔淨處理後，放入乾燥箱80°C烘乾，外延待用。
全文摘要
本發明屬於固態照明領域，特別是一種用於製備LED晶片外延生長的納米圖形化襯底的方法，具體方法是把均勻分散的氧化矽納米球溶液滴在經潔淨處理藍寶石襯底上，使用勻膠機把氧化矽納米球均勻單層塗覆在藍寶石襯底表面；以塗覆氧化矽納米球做掩膜的藍寶石襯底進行ICP刻蝕處理，刻蝕分二步，先用BCl3氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形深度，再用BCl3、Cl2、Ar氣體刻蝕出納米圖形化襯底圖形寬度；刻蝕完成將藍寶石襯底取出，經腐蝕、清洗乾淨後，烘乾待用。本發明可以有效地降低LED晶片中的位錯密度，避免裂紋的產生，提高外延材料的晶體質量和均勻性，增加了LED的光從藍寶石襯底出射的機率，進而能提高LED晶片的發光效率。
文檔編號H01L33/00GK102214744SQ20111015348
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月9日 優先權日2011年6月9日
發明者劉建哲, 夏建白, 李京波, 李凱, 李慶躍, 李樹深, 池旭明, 顏曉升 申請人:浙江東晶光電科技有限公司