專利名稱：一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法。該方法可以有效地將襯底正面圖形化和反面二維亞波長光柵結(jié)合起來，較大程度地提高AlGaN基UV-LED內(nèi)量子效率和光的出射率，從而極大地提高了 UV-LED的發(fā)光效率。
背景技術(shù)：
紫外發(fā)光二極管(UV-LED)是一種在電流驅(qū)動下發(fā)射紫外波段的半導體器件。研究、開發(fā)該類器件成為當前寬禁帶半導體光電子器件領(lǐng)域的一個焦點，也是利用寬禁帶半導體材料實現(xiàn)紫外光源的一個研究熱點。目前，常用的紫外光源有汞燈、氙燈、熒光燈。但是這些燈體積大、工作電壓高而且不是很環(huán)保，從而使用起來不是很方便。與之相反，鋁鎵氮(AlGaN)基UV-LED是一種半導體固體光源，它體積小、質(zhì)量輕、壽命長、效率高、工作電壓低。因而在國防科技、計算機數(shù)據(jù)存儲、生物醫(yī)療、防偽鑒定、環(huán)境監(jiān)測及公共衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。高鋁(Al)組分的AlGaN材料是制備深紫外波段的發(fā)光器件的一種重要的材料，在軍民兩用市場中有著重要的作用。在民用方面，UV-LED光源在照明、殺毒、醫(yī)療、印刷、高密度的信息存儲方面有著重要的應(yīng)用。近十多年以來，有關(guān)UV-LED的報道不斷出現(xiàn)，特別是自2005年美國南卡羅萊州立大學M.Khan等人采用脈沖原子層金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)及超晶格之后，UV-LED的發(fā)光波長不斷地向著短波方向移動。2006年，日本NTT公司的YoshitakaTaniyasu等人報道了發(fā)光波長為210nm的基于AlN的UV-LED。此后，人們通過調(diào)節(jié)Al組分，得到了發(fā)光波長在230nm-280nm UV-LED0雖然人們通過調(diào)節(jié)Al組分，可以實現(xiàn)從210-400nm波段的UV-LED，但是隨著Al組分的提高，從材料生長到器件制備方面的難度也相應(yīng)地提高了。2IOnm的UV-LED在40mA直流電的驅(qū)動下，發(fā)光功率只有0.02mff,其外量子效率低于10_5%。因此，提高發(fā)光效率及功率成為UV-LED的一個發(fā)展目標。AlGaN基UV-LED是一種寬禁帶的電光轉(zhuǎn)換器件。其轉(zhuǎn)換過程包括三步驟構(gòu)成，首先是電子和空穴注入到有源區(qū)，其次是電子和空穴在有源區(qū)輻射復(fù)合發(fā)光，最后是光從器件表面射出。要獲得高的發(fā)光效率，就必須有足夠的電子和空穴在電場的作用下漂移到有源區(qū)中進行輻射復(fù)合，而且輻射復(fù)合的光要盡可能地出射到器件表面。然而，由于藍寶石與外延層的晶格失配帶引入的位錯，成為電子或空穴的陷阱中心或者是非輻射中心，從而導致內(nèi)量子效率的降低。有些團隊采用在圖形化襯底或圖形化AlN上外延UV-LED的方法，以期通過控制緩沖層(Buffer)的生長來獲得好的晶體質(zhì)量。2008年，Amano等人報道了在氮化鋁(AlN) Buffer上刻蝕出條形圖案，再側(cè)向外延的方法，將UV-LED的發(fā)光效率提高了27倍(同未采用圖形化的相比)。但是這種UV-LED —般是采用正面發(fā)光的封裝方法，從而難以避免因藍寶石低的導熱性能而帶來的問題。而且正面的P型氮化鎵(GaN)對紫外光有強烈的吸收作用，使得正面出光的效率較低。為此，許多專家采用倒裝(filp-chip)結(jié)構(gòu)的UV-LED。但是藍寶石襯底的折射率Γ .8)比空氣中的大，光容易在此界面形成全反射，不容易出射，從而導致光的提取率下降，發(fā)光功率不高。為了提高AlGaN基UV-LED的光提取效率，人們也進行了多方面的研究，例如采用表面粗化處理、表面鍍布拉格光柵、利用光子晶體等方法。但是表面粗化處理只是通過提高光在界面處的散射來提高光的提取效率，其作用不是很明顯，而且出射光比較發(fā)散。表面鍍布拉格光柵雖然可以提高光的出射，但是這種膜系的設(shè)計受到材料折射率的限制，而且鍍上的薄膜容易磨損和脫落，并且對散熱不利。光子晶體是基于光子帶隙來導光的，可以提高光的提取率，但是制備成本比較高，大多數(shù)出射光是偏振相關(guān)的，而且也存在磨損和脫落這一缺點。所以發(fā)展一種既能有效地提高AlGaN材料晶體質(zhì)量又能提高光提取效率的方法在UV-LED研發(fā)過程中勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是在于解決上述的UV-LED制備過程中晶體質(zhì)量差及光提取率低的問題，提出一種采用雙面圖形化藍寶石襯底來提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其步驟:步驟1:在藍寶石襯底上沉積一層二氧化硅膜；步驟2:利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列，其圖形單元為矩形；
步驟3:以光刻膠圖形陣列作掩膜，利用氫氟酸、氟化氨與水的混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅薄膜；步 驟4:以具有圖形的二氧化硅薄膜作為掩模板，利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍寶石襯底，將圖形刻蝕到藍寶石襯底上；步驟5:利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化硅膜，并用去離子水將藍寶石襯底清洗干凈；步驟6:利用金屬有機物化學氣相沉積法，在圖形化的藍寶石襯底上生長低溫成核層，再升高溫度及變換III/ V比的方法獲得高溫AlN緩沖層；步驟7:利用脈沖式原子層外延的方法，再生長一層高溫AlN層；步驟8:在高溫AlN層上生長η型摻雜的AlGaN ;步驟9:在η型AlGaN上外延出所需的多量子阱層和P型AlGaN電子阻擋層及P型AlGaN和ρ型GaN層；步驟10:利用標準的納米壓印工藝，在藍寶石襯底背面再刻蝕出對稱的矩形圖案。其中所述的二氧化硅膜的厚度為50納米-2.5微米。其中所述的光刻膠圖形陣列為矩形，圖形單元的尺寸和間距為0.2微米-1微米。其中所用的硫酸和磷酸混合體積比為1: 3。其中所述的刻蝕溫度在350° C-450。C，刻蝕時間為30秒-20分鐘。生長低溫AlN層時，氣壓為40torr，生長溫度為570° C到720° C，厚度為50nm。其中所述的低溫AlN層的厚度為50nm，高溫層的厚度為1.5Mm，脈沖式外延的厚度為lOOnm。其中所述的多量子阱層為AlxGahNAlyGanN,發(fā)射波長為280nm。其中所述的藍寶石背面的對稱式二維矩形圖形深度為430nm-630nm，正方形的邊長為80nm-160nm,—個周期距離為200nm。本發(fā)明提供一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，這種方法可以有效地降低AlGaN基UV-LED中的應(yīng)力及位錯密度，獲得高質(zhì)量的、表面原子級平整的AlN模板，進而得到高質(zhì)量的AlGaN外延層，從而提高UV-LED的內(nèi)量子效率。此外由于襯底的反面被刻蝕了對稱的正方形圖案的亞波長光柵，從而能夠增加光的透射，得到非偏振光。本圖形化藍寶石襯底技術(shù)還具有工藝簡單、成本低以及能夠增強散熱和避免晶體損傷等優(yōu)點。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)正面有特定方向的圖形，可以控制AlN Buffer的生長，從而可以降低Buffer層中因晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力及缺陷，得到高質(zhì)量、表面原子級平整的AlN層；(2)該襯底正面的圖形呈三菱錐形，使得外延其上的材料的折射率在AlN折射率與藍寶石折射率之間連續(xù)變化，從而使得光在AlN和藍寶石界面處的反射降低；(3)在襯底反面刻蝕的是亞波長光柵。該光柵周期比發(fā)射的紫外光波長要小，通過合理地設(shè)計刻蝕厚度及占空比，可以實現(xiàn)O級衍射峰的增強，不出現(xiàn)其他級次的衍射光，從而實現(xiàn)光的增透。通過理論計算，這種光柵的透射率可以達到99%以上；(4)該亞波長光柵是對稱的矩形圖形光柵，從而可以避免一般非對稱亞波長光柵所帶來的雙折射效應(yīng)，出射的光仍然是非偏振光；
(5)該襯底反面是刻蝕的微結(jié)構(gòu),有利于散熱。


圖1是藍寶石襯底光刻圖形后的結(jié)構(gòu)截面示意 圖2是以光刻膠陣列3為掩模板,利用氫氟酸、氟化氨和水的混合液刻蝕二氧化硅膜2之后的截面示意 圖3是利用刻蝕之后的二氧化硅膜作為掩模板，用硫酸和磷酸混合(體積比為3:1)濕法沿(10-10)方向(一種晶面方向)刻蝕藍寶石襯底1，將圖形轉(zhuǎn)移到藍寶石襯底后的剖面示意 圖4是稀氫氟酸出去殘留的二氧化硅膜1，并將藍寶石清洗干凈后的剖面示意 圖5是繼續(xù)用硫酸和磷酸的混合液刻蝕藍寶石襯底1，形成截面為三角形的結(jié)構(gòu)； 圖6是在藍寶石襯底上外延低溫AlN成核層及高溫AlN之后形成的平整的表面；
圖7是在平整的AlN Buffer層上繼續(xù)外延的η型AlGaN，AlGaN/AlGaN多量子阱及ρ型阻擋層和P型GaN ；
圖8是藍寶石反面刻蝕二維正方形亞波長光柵之后的界面；
圖9是藍寶石反面刻蝕二維正方形亞波長光柵之后的仰視 圖中:1為藍寶石襯底，2為二氧化硅薄膜，3為光刻膠圖形，4為AlN Buffer層，5為η型AlGaN，6為多量子阱，7為電子阻擋層，8為ρ型AlGaN，9為ρ型GaN層，10為空氣間隙。
具體實施例方式請參閱圖1-圖9所示,本發(fā)明包括以下步驟:
步驟1:用化學氣相沉積(CVD)的方法在藍寶石襯底I上沉積一層二氧化硅膜2(如圖1所示)，該二氧化硅的厚度為50納米-1.5微米；
步驟2:利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列3，其圖形單元為矩形；圖形單元間距為0.5微米-1微米；
步驟3:以光刻膠圖形陣列3作掩膜，利用氫氟酸、氟化氨與水的混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅薄膜(如圖2所示)；
步驟4:以具有圖形的二氧化硅薄膜2作為掩模板，利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍寶石襯底1，將圖形刻蝕到藍寶石襯底上(如圖3所示)；該硫酸和磷酸混合體積比為1:3，刻蝕溫度在350-450° C之間，刻蝕時間為30秒-20分鐘；
步驟5:利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化硅膜2，并用去離子水將藍寶石襯底清洗干凈(如圖4所示)；
步驟6:進一步刻蝕，使得圖形截面是三角形，再將襯底清洗干凈，并烘干(如圖5所示)，刻蝕時間為lmin-5min ；
步驟7:利用金屬有機物化學氣相沉積法，先在40torr、570° C_720° C的條件下，在圖形化的藍寶石襯底I上生長低溫AlN成核層，再升高溫度到1100° C，先在III族源與氨氣(NH3)摩爾流量比(V /III)比為120000時，生長900nm AlN;再降低V /III比為30000，生長 700nm AlN ；
步驟8:利用脈沖式原子層外延的方法，再生長一層高溫AlN層4;生長溫度為1050° C，脈沖周期為0.3min, NH3的流量為1500sccm，生長厚度為IOOnm (如圖6所示)；步驟9:在高溫AlN層上生長η型摻雜的AlGaN，在η型AlGaN上外延出所需的多量子阱層和P型電子阻擋層及P型GaN層(如圖7所示)；
步驟10:利用標準的感應(yīng)離子束刻蝕(ICP)工藝，在藍寶石襯底背面再刻蝕出對稱的矩形圖案(如圖8和圖9所示)；藍寶石背面的對稱式二維正方形圖形的深度為430nm-630nm,正方形的邊長為80nm-160nm,—個周期距離為200nm。下面通過具體的實施例進一步地闡述本發(fā)明的技術(shù)特點。

本實施例為一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法。首先在2英寸的c面藍寶石襯底I上采用化學氣相沉積(CVD)技術(shù)沉積200nm的二氧化硅膜2，然后利用常規(guī)光刻技術(shù)制作周期性的光刻膠圖形陳列3，圖形單元為矩形，間距為500nm，光刻后的截面圖如圖1所示；
接著以光刻膠陣列為掩模板，利用氫氟酸、氟化氨與水的混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅薄膜(如圖2所示)；
然后以圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅膜2為掩膜板,利用硫酸和磷酸混合液(體積比為1:3)在450° C下刻蝕c面藍寶石襯底1，時間為10分鐘，其截面圖如圖3所示；
利用稀氫氟酸將殘留的二氧化硅膜2濕法刻蝕去掉，截面如圖4所示；
繼續(xù)用硫酸和磷酸的混合液在450° C的條件下刻蝕圖形化的藍寶石襯底1，使之表面形成三棱柱形狀，其截面如圖5所示；
將已經(jīng)清洗和烘干的圖形化藍寶石襯底放進MOCVD設(shè)備中，在620° C生長AlN成核層，時間為4.4min，再在1100°生長30min的高溫AlN層。最后在1050° C，采用脈沖原子層外延的方法再生長IOOnm的高溫AlN層。截面如圖6所示；
在高溫AlN上生長η型AlGaN，10個周期的AlGaN/AlGaN多量子阱，ρ型AlGaN電子阻擋層、P型AlGaN、ρ型GaN。其截面如圖7所示；
最后在藍寶石反面用標準的納米壓印工藝制備出對稱式二維正方形亞波長光柵，圖形的深度為430nm-630nm,正方形的邊長為80nm-160nm,—個周期距離為200nm。截面如圖8所示，仰視圖如圖9所示。上述實例描述了利用雙面圖形化藍寶石襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率的方法。由于正面圖形是用濕法刻蝕的，所以表面比較光滑，對后續(xù)的晶體生長有利。而且在高溫AlN層上還采用脈沖式原子層外延，可以得到很好的AlN表面形貌。此外，背面采用的是納米壓印工藝，可以精確地控制刻蝕的深度和寬度，所以制備亞波長光柵參數(shù)偏離設(shè)計值較小，從而可以很好地實現(xiàn)增透，進而可以進一步地提高AlGaN基UV-LED的發(fā)光效率。
權(quán)利要求
1.一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其步驟:步驟1:在藍寶石襯底上沉積一層二氧化硅膜；步驟2:利用光刻技術(shù)制備出光刻膠圖形陣列，其圖形單元為矩形；步驟3:以光刻膠圖形陣列作掩膜，利用氫氟酸、氟化氨與水的混合液，刻蝕出具有圖形結(jié)構(gòu)的二氧化硅薄膜；步驟4:以具有圖形的二氧化硅薄膜作為掩模板，利用硫酸和磷酸的混合液濕法刻蝕藍寶石襯底，將圖形刻蝕到藍寶石襯底上；步驟5:利用氫氟酸溶液去掉殘余的二氧化硅膜，并用去離子水將藍寶石襯底清洗干凈;步驟6:利用金屬有機物化學氣相沉積法，在圖形化的藍寶石襯底上生長低溫成核層，再升高溫度及變換III/ V比的方法獲得高溫AlN緩沖層；步驟7:利用脈沖式原子層外延的方法，再生長一層高溫AlN層；步驟8:在高溫AlN層上生長η型摻雜的AlGaN ； 步驟9:在η型AlGaN上外延出所需的多量子阱層和P型AlGaN電子阻擋層及P型AlGaN 和 P 型 GaN 層；步驟10:利用標準的納米壓印工藝，在藍寶石襯底背面再刻蝕出對稱的矩形圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的二氧化硅膜的厚度為50納米-2.5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的光刻膠圖形陣列為矩形，圖形單元的尺寸和間距為0.2微米-1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所用的硫酸和磷酸混合體積比為1:3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的刻蝕溫度在350°C -450°C，刻蝕時間為30秒-20分鐘，生長低溫AlN層時，氣壓為40torr，生長溫度為570°C到720°C，厚度為50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的低溫AlN層的厚度為50nm，高溫層的厚度為1.5Mm，脈沖式外延的厚度為 lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的多量子講層為AlxGahNZAlyGapyN,發(fā)射波長為280nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，其特征在于:所述的藍寶石背面的對稱式二維矩形圖形深度為430nm-630nm，正方形的邊長為80nm-160nm,—個周期距離為200nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用雙面圖形化襯底提高AlGaN基UV-LED發(fā)光效率方法，這種方法可以有效地降低AlGaN基LED中的應(yīng)力及位錯密度，獲得高質(zhì)量的、表面原子級平整的AlN模板，進而得到高質(zhì)量的AlGaN外延層，從而提高LED的內(nèi)量子效率。此外由于襯底的反面被刻蝕了對稱的正方形圖案的亞波長光柵，從而能夠增加光的透射，得到非偏振光。本圖形化藍寶石襯底技術(shù)還具有工藝簡單、成本低以及能夠增強散熱和避免晶體損傷等優(yōu)點。
文檔編號H01L33/00GK103094427SQ20131003148
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者田武, 張駿, 吳峰, 戴江南, 陳長清 申請人:華中科技大學