專利名稱：用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長等優(yōu)點，在交通指示、戶外全色顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管可能實現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)照明，引起人類照明史的革命，從而逐漸成為目前電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。為了獲得高亮度的LED，關(guān)鍵要提高器件的內(nèi)量子效率和外量子效率。目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、襯底材料以及空氣之間的折射率差別較大，導(dǎo)致有源區(qū)產(chǎn)生的光在不同折射率材料界面發(fā)生全反射而不能導(dǎo)出芯片。目前已經(jīng)提出了幾種提高芯片光提取效率的方法，主要包括改變芯片的幾何外形，減少光在芯片內(nèi)部的傳播路程，降低光的吸收損耗，如采用倒金字塔結(jié)構(gòu)；控制和改變自發(fā)輻射，通常采用諧振腔或光子晶體等結(jié)構(gòu)；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半導(dǎo)體和空氣界面發(fā)生漫射，增加其投射的機會等。由于發(fā)光二極管芯片的襯底對芯片的發(fā)光效率有很大的影響，為減少發(fā)光二極管芯片的界面反射及內(nèi)部吸收，可制備具有凸形微結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片襯底，該微結(jié)構(gòu)還可有效改善外延生長的缺陷。中國專利公開號為 CN101325237，
公開日為2008年12月17日，名稱為“一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法”的申請案公開了一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法，該方法包括制備襯底，在該襯底的上表面上形成多個凹凸微結(jié)構(gòu)；在該襯底的上表面上形成緩沖圖案層，該緩沖圖案層具有多個分別與襯底上的所述凹凸微結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的凹凸微結(jié)構(gòu)；在該緩沖圖案層上形成η型半導(dǎo)體層；在該η型半導(dǎo)體層的一部分上形成發(fā)光層；在該發(fā)光層上形成ρ型半導(dǎo)體層；以及在該 η型半導(dǎo)體的另一部分和ρ型半導(dǎo)體層上分別形成η電極和P電極。該發(fā)明可以提高發(fā)光二極管芯片的發(fā)光效率。這種具有凹凸微結(jié)構(gòu)的襯底簡稱圖形化襯底，其制作方式通常是在藍寶石襯底上做周期性的光刻膠圖形，再用ICP刻蝕技術(shù)(增強耦合等離子體)將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到藍寶石襯底上，即得到藍寶石圖形襯底。ICP刻蝕系統(tǒng)主要由四部分組成溫度控制系統(tǒng)、氣路部分、能量產(chǎn)生系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。如圖1所示ICP設(shè)備腔體結(jié)構(gòu)示意圖，刻蝕氣體由腔室上方引入到等離子體腔室，其流量由質(zhì)量流量計控制。有兩套自動匹配網(wǎng)絡(luò)控制的射頻源， 第一套ICP射頻源控制等離子體的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)等離子體密度；第二套偏壓射頻源控制等離子體轟擊刻蝕表面的能量?？涛g生成物從基板兩邊由高效率的渦輪真空泵抽走。基板溫控系統(tǒng)可以對基片的溫度進行控制，滿足不同基片溫度下刻蝕的需要。藍寶石圖形襯底技術(shù)被LED市場驗證是一種最具實用性的提升亮度的技術(shù)，目前此種技術(shù)已被大部分LED芯片廠家所采用。但是，由于藍寶石圖形襯底表面具有凹凸微結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致LED芯片在外延生長的過程中出現(xiàn)大量的缺陷從而大大的降低LED芯片的發(fā)光效率。如何在圖形襯底表面生長出高質(zhì)量的外延層LED芯片領(lǐng)域研究工作者的研究對象。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中LED芯片外延生長出現(xiàn)大量缺陷的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟1)提供一半導(dǎo)體襯底， 對所述半導(dǎo)體襯底進行第一次刻蝕，以在其表面形成多個凸起微結(jié)構(gòu)，且各該凸起微結(jié)構(gòu)之間具有間隙平臺；2)進行第二次刻蝕，以在各該凸起微結(jié)構(gòu)的表面形成粗糙紋理。在本發(fā)明的制備方法中，所述凸起微結(jié)構(gòu)為錐體狀微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述錐體狀微結(jié)構(gòu)為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的制備方法中，各該凸起微結(jié)構(gòu)呈周期性排列。在本發(fā)明的制備方法中，所述第二次刻蝕步驟采用干法刻蝕設(shè)備進行刻蝕。優(yōu)選地，所述干法刻蝕設(shè)備采用氣體作為刻蝕氣體。所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 100%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 100%， 刻蝕壓力為0. 1 0. 5pa，氣體流量為50 200sccm，處理時間為5 15分鐘，優(yōu)選地，所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 50%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 80%，刻蝕壓力為0. 2 0. 5pa，氣體流量為50 150sccm，處理時間為5 10分鐘。本發(fā)明還提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于所述圖形襯底的表面形成有多個凸起微結(jié)構(gòu)，各該凸起微結(jié)構(gòu)之間具有間隙平臺，且各該凸起微結(jié)構(gòu)的表面具有粗糙紋理。在本發(fā)明的圖形襯底中，所述凸起微結(jié)構(gòu)為錐體狀微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述錐體狀微結(jié)構(gòu)為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)。各該凸起微結(jié)構(gòu)呈周期性排列。如上所述，本發(fā)明的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法，具有以下有益效果通過對藍寶石襯底進行第一次刻蝕，以在其表面形成周期排列的凸起微結(jié)構(gòu)及間隙平臺，然后基于藍寶石各晶向具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)特點，用氟基離子將刻蝕好的圖形襯底做表面處理，由于圖形襯底上凸起微結(jié)構(gòu)與間隙平臺的化學(xué)性質(zhì)不同， 利用氟基離子腐蝕速率不一樣的差別，合理的設(shè)定刻蝕參數(shù)，可以將處于氟基離子中凸起微結(jié)構(gòu)的表面腐蝕出粗糙面，而凸起微結(jié)構(gòu)之間的間隙平臺則不受影響，這樣的被經(jīng)過表面處理后的圖形襯底在長外延的時候，凸起微結(jié)構(gòu)表面由于被腐蝕成粗糙面，外延生長的時候由于沒有生長平臺將不成核，而凸起微結(jié)構(gòu)之間由于有較大的平臺，促成在凸起微結(jié)構(gòu)之間的空隙上垂直方向成核，通過這樣生長出的外延層，晶體缺陷明顯減少，提高了晶體質(zhì)量，從而達到提高芯片亮度的目的。


圖1顯示為ICP設(shè)備腔體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明的制備方法步驟1)中所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3顯示為本發(fā)明的制備方法步驟2)中所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 圖5顯示為在本發(fā)明的制備方法所制備的圖形襯底上外延層生長過程的效果圖。元件標號說明11半導(dǎo)體襯底12凸起微結(jié)構(gòu)13間隙平臺121粗糙紋理21外延層
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖2至圖3。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。實施例1請參閱圖2 圖5，如圖所示，本發(fā)明提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，所述方法至少包括以下步驟請參閱圖2，如圖所示，首先進行步驟1)，提供一半導(dǎo)體襯底11，對所述半導(dǎo)體襯底11進行第一次刻蝕，以在其表面形成多個凸起微結(jié)構(gòu)12，且各該凸起微結(jié)構(gòu)之間具有間隙平臺13。在本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底11選用藍寶石襯底，所述第一次刻蝕在ICP刻蝕設(shè)備中進行，在具體的實施過程中，將表面做有周期性排列的光刻膠圖形的藍寶石襯底裝入ICP刻蝕設(shè)備中，采用BCl3氣體作為刻蝕氣體或BCl3和Cl2混合氣體作為刻蝕氣體， 根據(jù)需要采用適當?shù)腎CP刻蝕設(shè)備的RF射頻源功率與偏壓射頻源功率，合適的刻蝕壓力與 He冷溫度對所述的藍寶石襯底進行刻蝕，以在其表面形成周期性排列的錐體狀微結(jié)構(gòu)12， 其中，所述的錐體狀微結(jié)構(gòu)12為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)。請參閱圖3，如圖所示，然后進行步驟2、，對步驟1)完成后所得結(jié)構(gòu)進行第二次刻蝕，以在各該凸起微結(jié)構(gòu)12的表面形成粗糙紋理121?；谒{寶石各晶向具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)特點，用氟基離子將刻蝕好的圖形襯底做表面處理，由于圖形襯底上凸起微結(jié)構(gòu)與間隙平臺的化學(xué)性質(zhì)不同，利用氟基離子腐蝕速率不一樣的差別，合理的設(shè)定刻蝕參數(shù)，可以將處于氟基離子中凸起微結(jié)構(gòu)的表面腐蝕出粗糙面，而凸起微結(jié)構(gòu)之間的間隙平臺則不受影響。在本實施例中，所述第二次刻蝕步驟采用干法刻蝕設(shè)備進行刻蝕。在具體的實施過程中，所述干法刻蝕設(shè)備采用Si^6或CF4氣體作為刻蝕氣體。所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 100%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 100%，刻蝕壓力為0. 1 0. 5pa，氣體流量為50 200sccm，處理時間為5 15 分鐘，所述粗糙紋理為周期性排列的納米級的金字塔凸起或者是周期性排列的納米級錐體狀結(jié)構(gòu)。請參閱圖3，如圖所示，本發(fā)明還提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于所述圖形襯底11的表面形成有多個凸起微結(jié)構(gòu)12，各該凸起微結(jié)構(gòu)12之間具有間隙平臺13，且各該凸起微結(jié)構(gòu)12的表面具有粗糙紋理121。在本實施例中，各該凸起微結(jié)構(gòu)呈周期性排列。所述凸起微結(jié)構(gòu)12為錐體狀微結(jié)構(gòu)。其中，所述錐體狀微結(jié)構(gòu)為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)，所述粗糙紋理為周期性排列的納米級的金字塔凸起或者是周期性排列的納米級錐體狀結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的藍寶石圖形襯底上生長外延層的過程中，由于藍寶石圖形襯底表面具有凹凸微結(jié)構(gòu)，在生長外延層的過程中，間隙平臺與凸起微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上會同時生長外延晶體，這會導(dǎo)致LED芯片在外延生長的過程中出現(xiàn)大量的缺陷，如位錯缺陷，從而大大的降低 LED芯片的發(fā)光效率。圖4 圖5為在本發(fā)明的制備方法所制備的圖形襯底上外延層生長過程的效果圖。如圖所示，采用本發(fā)明的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底生長外延層，在生長前期，凸起微結(jié)構(gòu)表面由于被腐蝕成粗糙面，外延生長的時候由于沒有生長平臺將不成核，而凸起微結(jié)構(gòu)之間由于有較大的平臺，促成在凸起微結(jié)構(gòu)之間的空隙上垂直方向成核，如圖4所示，外延層21在所述平臺垂直方向上首先會生長到一定高度，然后所述外延層21才會開始往橫向方向生長，最后形成平整的外延層21，如圖5所示。通過這樣生長出的外延層，晶體缺陷明顯減少，提高了晶體質(zhì)量，從而達到提高芯片亮度的目的實施例2請參閱圖2 圖5，如圖所示，所述用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法的基本的實施步驟如實施例1，所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 50%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 80%，刻蝕壓力為0. 2 0. 5pa，氣體流量為50 150sccm，處理時間為5 10分鐘。請參閱圖3，如圖所示，所述用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的結(jié)構(gòu)如實施例1所示。通過本發(fā)明的處理工藝，可以制作出高質(zhì)量的圖形化藍寶石襯底，提高LED芯片光提取效率。通過圖形表面處理后，亮度可以提高10%，如下表所示。
VFlVZlIRLOP(mw)WLD沒被處理過的芯片亮度3. 2138. 50. 0318. 2457. 9處理過的芯片亮度3. 2238. 40. 0320. 1457. 8 綜上所述，本發(fā)明用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法，通過對藍寶石襯底進行第一次刻蝕，以在其表面形成周期排列的凸起微結(jié)構(gòu)及間隙平臺，然后基于藍寶石各晶向具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)特點，用氟基離子將刻蝕好的圖形襯底做表面處理，由于圖形襯底上凸起微結(jié)構(gòu)與間隙平臺的化學(xué)性質(zhì)不同，利用氟基離子腐蝕速率不一樣的差別，合理的設(shè)定刻蝕參數(shù)，可以將處于氟基離子中凸起微結(jié)構(gòu)的表面腐蝕出粗糙面，而凸起微結(jié)構(gòu)之間的間隙平臺則不受影響，這樣的被經(jīng)過表面處理后的圖形襯底在長外延的時候，凸起微結(jié)構(gòu)表面由于被腐蝕成粗糙面，外延生長的時候由于沒有生長平臺將不成核，而凸起微結(jié)構(gòu)之間由于有較大的平臺，促成在凸起微結(jié)構(gòu)之間的空隙上垂直方向成核，通過這樣生長出的外延層，晶體缺陷明顯減少，提高了晶體質(zhì)量，從而達到提高芯片亮度的目的。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟1)提供一半導(dǎo)體襯底，對所述半導(dǎo)體襯底進行第一次刻蝕，以在其表面形成多個凸起微結(jié)構(gòu)，且各該凸起微結(jié)構(gòu)之間具有間隙平臺；2)進行第二次刻蝕，以在各該凸起微結(jié)構(gòu)的表面形成粗糙紋理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述凸起微結(jié)構(gòu)為錐體狀微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述錐體狀微結(jié)構(gòu)為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法， 其特征在于各該凸起微結(jié)構(gòu)呈周期性排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述第二次刻蝕步驟采用干法刻蝕設(shè)備進行刻蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述干法刻蝕設(shè)備采用SF6或CF4氣體作為刻蝕氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 100%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 100%，刻蝕壓力為0. 1 0. 5pa，氣體流量為50 200sccm，處理時間為5 15分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底的制備方法，其特征在于所述干法刻蝕設(shè)備中，RF射頻源功率為設(shè)備額定功率的30% 50%之間，偏壓射頻源功率為設(shè)備額定功率的50% 80%，刻蝕壓力為0. 2 0. 5pa，氣體流量為50 150sccm，處理時間為5 10分鐘。
9.一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于所述圖形襯底的表面形成有多個凸起微結(jié)構(gòu)，各該凸起微結(jié)構(gòu)之間具有間隙平臺，且各該凸起微結(jié)構(gòu)的表面具有粗糙紋理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于所述凸起微結(jié)構(gòu)為錐體狀微結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于 所述錐體狀微結(jié)構(gòu)為圓錐狀微結(jié)構(gòu)或多面體錐狀微結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底，其特征在于各該凸起微結(jié)構(gòu)呈周期性排列。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于控制氮化鎵生長成核位置的圖形襯底及其制備方法，通過對藍寶石襯底進行第一次刻蝕，以在其表面形成周期排列的凸起微結(jié)構(gòu)及間隙平臺，然后基于藍寶石各晶向具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)特點，用氟基離子對上述圖形襯底做表面處理，將處于氟基離子中凸起微結(jié)構(gòu)的表面腐蝕出粗糙面，而凸起微結(jié)構(gòu)之間的間隙平臺則不受影響，被經(jīng)過表面處理后的圖形襯底在長外延的時候，凸起微結(jié)構(gòu)表面由于被腐蝕成粗糙面，外延生長的時候由于沒有生長平臺將不成核，而凸起微結(jié)構(gòu)之間由于有較大的平臺，促成在凸起微結(jié)構(gòu)之間的空隙上垂直方向成核，通過這樣生長出的外延層，晶體缺陷明顯減少，提高了晶體質(zhì)量，從而達到提高芯片亮度的目的。
文檔編號H01L33/00GK102437258SQ20111040145
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者張楠, 彭昀鵬, 朱廣敏, 李士濤, 李睿, 汪洋, 袁根如, 邢志剛, 郝茂盛, 陳耀, 陳誠 申請人:上海藍光科技有限公司