具有均勻分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法

2023-05-17 07:25:51 1

專利名稱：具有均勻分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法
技術領域：
本發明涉及GaN基LED,尤其涉及具有均勻分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法。
背景技術：
作為一種新型的發光元件，LED的相關製造工藝備受關注。改善LED的發光 效率是該領域內的一個重要研究課題。在LED內被激發的光會沿著各個方向呈散射狀傳播。因為LED結構材料的折 射率較大，因此光的最大出射角度(即離開LED材料層進入空氣的最大角度)較 小。因此，當光的傳播方向和LED的表面的法線方向的夾角較大時，這部分光就 會由於全反射而繼續留在器件內。這是導致傳統LED的出光效率偏低的原因之一。己有的研究成果對改善LED的出光效率進行了很多有益的嘗試。例如，有學者 指出，通過在GaN基LED的表面形成很多微小的V型坑，其出光效率得到了相 當程度的改善。關於導致這一結果的原因，有以下解釋對於具有一個平整表面的 大面積的LED而言，大部分發射光處於橫向引導模式(簡言之即沿橫向傳播)， 從而在其到達LED的側邊時由於LED內部材料的再吸收作用而消耗掉。如果GaN 基LED的表面有很多高密度的V型坑(如圖1所示，其中光線l表示從表面發射 的光，光線2和3表示從V型坑的側邊發射的光)，那麼橫向傳播的光就可以從 V型坑的側壁發射出來，從而避免了在LED內部的損耗。顯然，這對於改善出光 效率是有益的。通常採用一種兩階段生長方法(也稱之為緩衝層技術)來形成具有高密度V型 微坑的GaN模板。簡而言之，在低溫條件下形成緩衝層並進行退火之後，開始高 溫生長。在高溫生長的初始階段，會形成一些彼此分離的GaN小島。在隨後的生 長中這些GaN小島會彼此結合。如果生長時間足夠長，就可以得到連續的，表面 平整度非常好的GaN外延層。如果在GaN外延層完全平整之前停止生長，就可以 得到在表面具有V型坑GaN層。 然而，如圖2a和2b所示，由於高溫生長階段的島狀結構的分布的隨機性，得 到的v型坑的分布也是不規則的。即使是採用相同的工藝，甚至是在同一批次中 得到的晶片上的V型坑的分布也彼此不同。上述問題會帶來一些麻煩。例如，通常希望利用電介質層將這些V型坑鈍化(或 者稱之為隔離)，以避免聚集了大量位錯的V型坑成為LED中的漏電通道。但是， 由於V型坑的分布的隨機性，上述目的幾乎是不可能實現的。為了獲得規則分布的V形微坑，現有技術中所採用的一種方法是在完成了 LED 的主要工藝之後對GaN層進行刻蝕。其方法的大致步驟是採用具有均勻分布的 圖案的掩模，將LED浸入刻蝕劑中，通過控制反應條件而得到規則分布的微坑。但是利用這種刻蝕法獲得微坑仍然有其不足之處。其中一個不可忽視的缺點就 是在腐蝕過程中對LED器件層所造成的不可避免的損傷，這會大大降低器件的光 發射效率。發明內容針對前述的現有技術中的不足之處，本發明致力於提供一種新的方法，通過採 用該方法，可以獲得具有規則分布的V型坑的GaN模板；該模板可用於進一步制 作具有高發光效率的LED。本發明中所說的模板(template)是一個在LED工藝領域非常常見的概念。通 常，將單一的襯底材料，比如藍寶石材料稱之為襯底(substrate)，而當在襯底上 生長了其它半導體材料層，但尚未進行主要的LED功能層外延生長時，則稱之為 模板，以使之與單純的襯底材料相區別。本發明提供一種在半導體材料上形成規則分布的V型坑的方法，包括在第一半導體材料上形成具有規則分布的籽晶區域;外延生長第二半導體材料; 通過第二半導體材料的橫向生長而覆蓋籽晶區域之間的部分非籽晶區域，從而形成 規則分布的V型坑。可以利用具有規則分布的圖案的光刻掩模，在所述第一半導體材料上選擇性地澱積電介質膜，其中未被澱積的區域成為籽晶區域。作為另一種可選的方法，可以利用具有規則分布的圖案的光刻掩模，在第一半 導體材料上選擇性地進行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶區域。所述第一半導體材料可以包括襯底和形成於襯底上的外延生長中間層，並且在 所述選擇性刻蝕的過程中將非籽晶區域的外延生長中間層刻蝕掉。
根據本發明的實施例，所述規則分布的圖案呈六邊形分布。根據本發明的實施例，所述規則分布的圖案可以是圓形，其半徑a在幾pm到 100pm以上，且相鄰圓形的間距b滿足b》2a。根據本發明的另一個實施例，所述規則分布的圖案是六邊形其邊長a在幾pm 到100pm以上，且相鄰六邊形的間距b滿足b》2a。本發明中所採用的半導體材料包括但不限於GaN，本發明中所涉及的襯底包括 但不限於Si、藍寶石、SiC或其它適合所述半導體材料外延生長的襯底。根據本發明的實施例，所述V型坑是通過在所述半導體材料由於橫向生長而完 全平面化之前停止生長而得到的，並且所述V型坑可以是三角形或六邊形的。本發明同時揭示一種生長具有規則分布的V型坑的GaN基LED的方法，其採 用前述的方法在LED工藝過程中形成V型坑。


本申請的附圖用於對於本申請的實施例提供示例性的說明。圖1是根據現有技術的具有V型微坑的GaN基LED可改善其發光原理的示意圖。圖2a和2b是根據現有技術得到的具有不規則的V型坑的GaN的電子顯微 照片。圖3a和圖3b是根據本發明的實施例的掩模的示意圖。圖4是根據本發明的實施例所得到的具有規則分布的V型坑的GaN模板的示意圖。圖5a—5c是根據本發明的第一實施例中的選擇性刻蝕的示意圖。圖6a—6c是根據本發明的第二實施例中的選擇性澱積電介質層的示意圖。
具體實施方式
(實施例1)為了得到具有均勻分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有規則圖案的掩 模在襯底上澱積電介質層。此處所述的規則圖案可以是如圖3a所示的呈六邊形分 布的圓，也可以是如圖3b所示的呈六邊形分布的六邊形，呈其它分布的圖案也可 以被採用。為便於說明，假設本實施例採用的是如圖3a所示的呈六角形分布的六 邊形。此處的襯底可以是Si、 SiC、藍寶石等材料。具體而言，選擇性刻蝕的工藝
包括利用掩模進行選擇性曝光，並經顯影，使得六邊形區域內的光刻膠抗腐蝕， 而周邊區域的光刻膠易被腐蝕。用適當的腐蝕液除去易被腐蝕的部分光刻膠，保留 六邊形區域內的光刻膠(如圖5a所示)。接下來進行常規的刻蝕工藝刻蝕至一定 深度(如圖5b所示)，再用脫膠工藝去除光刻膠即可(如圖5c所示)。上述的選擇性刻蝕工藝完成之後，在襯底上得到和掩模圖案一致的，彼此分離 的六邊形區域。該六邊形區域在下文中將被稱之為籽晶區域。由於籽晶區域沒有被 刻蝕，因此其表面要比非籽晶區域的表面高。接下來開始GaN的外延生長工藝。GaN在籽晶區域和非籽晶區域都會進行生 長。但由於籽晶區域的表面比非籽晶區域的表面高，籽晶區域內的較高的GaN還 會進行橫向生長。可以理解，由於橫向生長的進行，籽晶區域內的GaN島的面積 會越來越大，並超出籽晶區域的範圍。這一生長如果持續地進行下去，那麼最終會 得到平面化的GaN層，而如果在其平面化之前的適當時機停止生長，則可以得到 如圖4所示的規則分布的V型坑。此處得到的V型坑是三角形的，本領域技術人 員應該理解，通過採用不同分布的掩模，可以得到的V型坑並不限於三角形，也 可以是六邊形，或者其它形狀。(實施例2)為了得到具有均勻分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有規則圖案的掩 模在襯底上進行選擇性地刻蝕。此處所述的規則圖案可以是如圖3a所示的呈六邊 形分布的圓，也可以是如圖3b所示的呈六邊形分布的六邊形，呈其它分布的圖案 也可以被採用。為便於說明，假設本實施例採用的是如圖3a所示的呈六角形分布 的六邊形。此處的襯底可以是Si、 SiC、藍寶石等材料。具體而言，選擇性澱積電 介質層的工藝包括首先進行常規的電介質澱積工藝(如圖6a所示)，然後在電 介質層上塗光刻膠，利用掩模進行選擇性曝光，並經顯影，使得六邊形區域內的光 刻膠易被腐蝕，而周邊區域的光刻膠抗腐蝕。用適當的腐蝕液除去易被腐蝕的部分 光刻膠，暴露出部分電介質層(如圖6b所示)。接下來用適當的腐蝕液對電介質 層進行選擇性腐蝕，將沒有被光刻膠所保護的電介質層腐蝕掉。最後用傳統的脫膠 工藝將光刻膠剝離，留下未被腐蝕的電介質層(如圖6c所示)。採用掩模的選擇性澱積工藝完成之後，在襯底上得到和掩模圖案一致的，彼此 分離的六邊形區域。該六邊形區域在下文中將被稱之為籽晶區域。由於籽晶區域內 沒有澱積電介質，因此襯底(或者已經生長了中間層的襯底)得以在籽晶區域的窗
口中暴露出來。而在非籽晶區域中，襯底則被電介質層所覆蓋。接下來開始GaN的外延生長工藝。由於非籽晶區域被電介質所覆蓋，GaN不 會在其表面生長。因此GaN僅僅在籽晶區域內開始生長。GaN的生長同時包括了 縱向生長和橫向生長，即GaN的厚度增加的同時其覆蓋區域也在變大。可以理解， 由於橫向生長的進行，GaN島的面積會越來越大，超出籽晶區域的範圍，最終彼 此結合。這一生長如果持續地進行下去，那麼最終會得到平面化的GaN層，而如 果在其平面化之前的適當時機停止生長，則可以得到如圖4所示的規則分布的V型坑。此處得到的V型坑是三角形的，本領域技術人員應該理解，通過採用不同 分布的掩模，可以得到的V型坑並不限於三角形，也可以是六邊形，或者其它形狀。本發明的第一和第二實施例中採用了六邊形分布的六邊形圖案，如圖3b所示， 六邊形的邊長a的取值範圍幾pm以上，優選地，其取值範圍在幾(im到100im之 間。而六邊形圖案之間的間距，即虛線所標識的大的六邊形的邊長b則滿足b》2a。 當採用六邊形分布的圓形圖案時，如圖3a所示，圓的半徑a的取值範圍幾pm到 10(^m以上。而六邊形圖案之間的間距，即虛線所標識的大的六邊形的邊長b則 滿足b》2a。當然，本發明所釆用的圖像的形狀及其分布，及其相關尺寸的數據並 不限於此。本發明著重於介紹一種形成規則分布的V型坑的模板，並利用這種模板製作 LED的工藝。本領域技術人員應該理解，本發明的實施例中主要介紹了實現本發 明的關鍵工藝。當利用本發明的方法製作LED時，那些眾所周知的中間步驟及細 節同樣可以選擇性地應用於本發明中。比如，本發明的實施例中沒有提及中間層的 生長。通常，為了克服外延生長中的晶格失配問題，可以先在襯底上生長一定厚度 的中間層，然後再利用具有規則圖案的掩模在襯底上進行選擇性刻蝕。中間層的材 料可根據襯底層和外延層的不同而不同，例如，當採用Si襯底時，可以用A1N作 為中間層。值得指出的是，在本發明圖5a—5c所示的實施例中，如果先生長中間 層再進行刻蝕，並且將六邊形區域周圍的中間層都刻蝕掉，那麼GaN僅僅在保留 有中間層的區域生長，直至其橫向生長使得無中間層的區域"癒合"。再有，本發 明的實施例中的工藝是直接做在襯底上的，但是也可以首先在襯底上生長一定厚度 的GaN，然後再開始本發明的工藝。相對於本領域內的傳統技術而言，本發明至少包括以下顯著的優點。
至同一批次不同晶片所得到的產品品質的一致性。而且，由於微坑的隨機性分布， 想要採用電介質將其進行隔離幾乎是不可能的。採用本發明的方法，由於坑的位置 是預先設計好的，產品品質的一致性得以保證。並且，由於V型坑的分布是規則 的，其開口大小，間距等數據也是己知的，可以藉此方便地設計一種與V型坑分 布相匹配的掩模，將電介質選擇性地澱積到V型坑之間。相對於另一種形成V型微坑的方法，即在預先生長好的LED結構上進行選擇 性刻蝕以形成微坑，本發明在LED結構(GaN層)生長之後沒有刻蝕工藝，避免 了刻蝕對於LED結構的損傷。這使得發光效率得以改善。以上介紹的是具有規則分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法。但本領 域技術人員應該理解，本發明亦可以應用於其它需要形成規則分布的坑的領域。 在不背離本發明的精神和範圍的前提下，本發明的各種修改和變化都應該落入本發 明的範圍之內。
權利要求
1. 一種在半導體材料上形成規則分布的V型坑模板的方法，包括 在第一半導體材料上形成具有規則分布的籽晶區域；外延生長第二半導體材料；通過第二半導體材料的橫向生長而覆蓋籽晶區域之間的部分非籽晶區域，從而 形成規則分布的V型坑。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述形成模板的步驟還包括 利用具有規則分布的圖案的光刻掩模，在所述第一半導體材料上選擇性地澱積電介質膜，其中未被澱積的區域成為籽晶區域。
3. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述形成模板的步驟還包括-利用具有規則分布的圖案的光刻掩模，在第一半導體材料上選擇性地進行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶區域。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述第一半導體材料包括襯底和 形成於襯底上的外延生長中間層，並且在所述選擇性刻蝕的過程中將非籽晶區域的 外延生長中間層刻蝕掉。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述具有規則分布的V型坑是通過在所述第二半導體材料由於橫向生長而完 全平面化之前停止外延生長而得到的。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於-所述規則分布為正六邊形分布。
7. 如權利要求6所述的方法，其特徵在於-所述規則分布的圖案是圓形，所述圓形的半徑a在幾fam至i」10(Him以上，且相 鄰圓形的間距b滿足b^2a。
8. 如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述規則分布的圖案是六邊形，所述六邊形的邊長a在幾nm到100nm以上， 且相鄰六邊形的間距b滿足b》2a。
9. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於 所述第二半導體材料是GaN。
10. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於-所述V型坑是三角形或六邊形的。
11. 一種製造具有規則分布的V型坑的GaN基LED的方法，其特徵在於 採用如權利要求1一10所述的方法，在LED工藝過程中形成具有規則分布的V型坑的模板。
12. —種GaN基LED，包括形成於規則分布的籽晶區域上的具有規則分布的V型坑的模板； 形成於該模板上的半導體外延材料。
全文摘要
一種在半導體外延層上形成規則分布的V型坑，並在具有規則分布的V型坑的半導體層上製作半導體發光二極體的方法。該方法包括在襯底上形成具有規則分布的籽晶區域的模板；在模板上外延生長半導體材料；通過控制外延生長過程中的橫向生長速度使外延層覆蓋籽晶區域之間的非籽晶區域，同時在外延層上形成規則分布的V型坑。其中，可以利用具有規則分布的圖案的掩模，在襯底上選擇性地澱積電介質膜，其中未被澱積的區域成為籽晶層；作為另一種可選的方法，可以利用有規則分布的圖案的掩模，在襯底上選擇性地進行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶層。
文檔編號H01L33/00GK101145589SQ20061003103
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月12日 優先權日2006年9月12日
發明者周家華 申請人:上海宇體光電有限公司