專利名稱：一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高藍(lán)寶石圖形襯底上生長(zhǎng)GaN外延層均勻性的方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于GaN基發(fā)光二極管(GaN-LED)來(lái)說(shuō)，襯底材料的翹曲問(wèn)題以及生長(zhǎng)外延層的均勻性是廣大人們關(guān)注的對(duì)象；目前常用襯底材料有藍(lán)寶石、Si、SiC。通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)首先，藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，適合高溫生長(zhǎng)環(huán)境中；第三，藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。因此，大多都以藍(lán)寶石作為襯底制備GaN基LED。但使 用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問(wèn)題，由于晶格失配和熱應(yīng)力失配，襯底本身翹曲比較明顯，生長(zhǎng)GaN后外延層易裂，影響芯片的制作，給后續(xù)的器件加工造成困難。針對(duì)藍(lán)寶石襯底的晶格失配和熱應(yīng)力失配問(wèn)題，目前多采用藍(lán)寶石圖形襯底技術(shù)(PSS)，一方面PSS可以解決由于藍(lán)寶石與GaN之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，以a面為例，藍(lán)寶石襯底晶格常數(shù)3. 18，熱膨脹系數(shù)7. 5 X KT6IT1, GaN晶格常數(shù)O. 47，熱膨脹系數(shù)5. 59 X ΙΟ^Γ1 ;同時(shí)PSS微型圖形結(jié)構(gòu)改變了 GaN的生長(zhǎng)過(guò)程，能夠抑制缺陷向外延表面延伸，降低了外延的缺陷密度。另一方面，外延GaN與藍(lán)寶石襯底的折射率和空氣的折射率存在差距，GaN材料的折射率2. 4高于藍(lán)寶石襯底折射率I. 7和空氣的折射率I. 0，從GaN有源區(qū)發(fā)出的光到達(dá)藍(lán)寶石襯底，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，即發(fā)生全反射，經(jīng)GaN材料傳播，到GaN與空氣的界面，GaN折射率也大于空氣的折射率，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，同樣會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，這樣多次全反射導(dǎo)致GaN有源區(qū)發(fā)出的光在藍(lán)寶石和空氣之間經(jīng)過(guò)多次折射而被材料吸收，降低了光的提取效率，PSS圖形結(jié)構(gòu)改變了有源區(qū)發(fā)出光的傳播路線，減小了入射角，減少全反射的機(jī)會(huì)，增加出光機(jī)會(huì)，使更多的光經(jīng)PSS結(jié)構(gòu)作用反射出來(lái)，提高了光提取效率。雖然PSS技術(shù)提高了光提取效率，但是卻沒(méi)有減少生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，生長(zhǎng)外延層的均勻性并未能因此有所提高。中國(guó)專利文件CN1294649公開(kāi)了一種濕法腐蝕藍(lán)寶石圖形襯底的方法，包括在藍(lán)寶石C面上蒸鍍二氧化硅掩膜層，通過(guò)光刻技術(shù)刻成條形，然后腐蝕液濕法腐蝕該襯底，最后去除掩膜，得到藍(lán)寶石圖形襯底。采用直接形成圖形的襯底生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)GaN基時(shí)，穿透位錯(cuò)方向由垂直轉(zhuǎn)為水平，從而減小GaN基外延層位錯(cuò)密度，提高外延層晶體質(zhì)量。但是該方法不能事先釋放應(yīng)力，GaN生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使之翹曲，生長(zhǎng)后外延片的均勻性也比較差。此外，使用濕法刻蝕得到二氧化硅的掩膜圖形，由于立體感(尺寸)很小，濕法腐蝕的方法很難控制圖形的尺寸，而干法刻蝕的成本很高，不利于批量化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種提高藍(lán)寶石平板襯底或圖形襯底氮化鎵外延層均勻性的方法。
術(shù)語(yǔ)解釋MOCVD :金屬有機(jī)物氣相沉積。GaN-LED GaN 基發(fā)光二極管。PSS 圖形Patterned sapphire substrate 藍(lán)寶石圖形襯底。濕法刻蝕是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進(jìn)行腐蝕的技術(shù)。本領(lǐng)域常用硫酸與磷酸的混合溶液，在250-300°C 進(jìn)行腐蝕。干法刻蝕使用ICP (感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)進(jìn)行刻蝕。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，包括以下步驟(I)利用激光劃片機(jī)對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行激光劃片，用激光在藍(lán)寶石襯底正面或者背面上劃出O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形，制得藍(lán)寶石平板襯底。(2)在所得藍(lán)寶石平板襯底上采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層。用于制備LED。上述方法中步驟(I)中所述正方形圖形尺寸優(yōu)選IOmil X IOmil 30mil X30mil。上述方法中步驟⑴中所述激光劃片，劃痕深度優(yōu)選2μπι ΙΟμπκ寬度優(yōu)選O. 5 μ m 5 μ m0上述方法以實(shí)施例I的藍(lán)寶石襯底正面劃片為具體優(yōu)選方案。一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，包括以下步驟I)利用激光劃片機(jī)對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行激光劃片，用激光在藍(lán)寶石襯底正面或者背面上劃出O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形，制得藍(lán)寶石平板襯底。2)在步驟I)藍(lán)寶石平板襯底正面上，蒸鍍一層IOOnm 500nm的SiN或SiO2掩膜；如圖2。在掩膜層上涂一層光刻膠，利用光刻膠將光刻板設(shè)計(jì)的圖形，轉(zhuǎn)移到O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，顯影后，剝離掉光刻膠上的掩膜，保留圖形上的掩膜，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形，如圖3 ；3)將步驟2)制得的襯底進(jìn)行刻蝕，得到有掩膜層的藍(lán)寶石圖形襯底；再利用氫氟酸溶液腐蝕去除掩膜，沖洗、甩干，得到激光劃片過(guò)的藍(lán)寶石圖形襯底；在該激光劃片過(guò)的藍(lán)寶石圖形襯底上采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層，用于制備LED。正面激光劃片制備的藍(lán)寶石圖形襯底如圖4所示；背面激光劃片制備的藍(lán)寶石圖形襯底，如圖5所示。上述方法中步驟I)中所述激光劃片，劃痕深度2μπι ΙΟμπκ寬度O. 5μπι 3 μ m0上述方法中步驟I)中所述正方形圖形尺寸優(yōu)選IOmilX IOmil 30milX30mil。上述方法中步驟2)中所述掩膜圖形為圓形，直徑為2μπι 3μπι。上述方法中步驟3)中所述的清洗是先分別在丙酮、乙醇中各超聲lOmin，再用去離子水沖洗。上述方法中步驟2)中所述的刻蝕按現(xiàn)有技術(shù)，濕法刻蝕或干法刻蝕均可。上述方法以實(shí)施例2、4為具體優(yōu)選方案。在上述激光劃片過(guò)的藍(lán)寶石平板襯底或圖形襯底上用MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層，由于激光劃片將藍(lán)寶石襯底應(yīng)力釋放，減少生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高GaN外延層的均勻性。
本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)良效果如下I、本發(fā)明將藍(lán)寶石襯底用激光劃片，所得的藍(lán)寶石平板襯底可以直接用于MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層，由于激光劃片能將應(yīng)力先釋放，GaN生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生張應(yīng)力，將襯底向外拉伸，從而減小襯底翹曲度。2、本發(fā)明將藍(lán)寶石襯底首先用激光將其劃出正方形圖形，然后通過(guò)藍(lán)寶石圖形襯底技術(shù)制備出例如圓形圖形，然后再生長(zhǎng)GaN外延層，由于藍(lán)寶石襯底大多數(shù)是凹面的，向下翹曲，激光劃片劃過(guò)后，將應(yīng)力先釋放，然后生長(zhǎng)GaN，GaN生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生張應(yīng)力，將襯底向外拉伸，從而減小翹曲度。從而解決了藍(lán)寶石生長(zhǎng)GaN晶格失配，產(chǎn)生應(yīng)力較大，外延層容易裂以及均勻性較差的問(wèn)題。3、本發(fā)明的方法藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)的GaN用于制備LED，可以在制成管芯后原片上直接裂片，減少后續(xù)工藝中的一步裂片工序，節(jié)省時(shí)間，激光劃片過(guò)產(chǎn)生的斜面，可以增加管芯出光。


圖I是通過(guò)激光劃片制備出的藍(lán)寶石襯底的俯視圖。圖中橫、豎直線為激光劃痕。圖2是在激光劃片正方形圖形區(qū)域內(nèi)作出PSS圖形的示意圖。僅以一個(gè)小方格中的圖形示意，是正面看激光劃片區(qū)域中的PSS圖形。圖3是正面激光劃片后制作圖形襯底掩膜。圖4是正面激光劃片后制作出的圖形襯底。圖5是背面激光劃片后在正面按照劃片后區(qū)域內(nèi)制作圖形襯底。正面刻蝕圖形對(duì)應(yīng)著背面激光劃槽的區(qū)域。其中，I、藍(lán)寶石襯底，2、光刻膠(掩膜圖形)，3、Si02薄膜，4、藍(lán)寶石圖形襯底(PSS圖形)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做經(jīng)一步說(shuō)明。實(shí)施例中使用的激光劃片機(jī)為本領(lǐng)域常規(guī)設(shè)備，型號(hào)AS2112，Newwave公司產(chǎn)。實(shí)施例中使用的藍(lán)寶石襯底是臺(tái)灣晶美2英寸襯
。實(shí)施例I :提高藍(lán)寶石平板襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，步驟如下(I)將藍(lán)寶石襯底裝入激光劃片機(jī)中；固定藍(lán)寶石襯底在藍(lán)膜上，通過(guò)真空模式吸附在設(shè)備底座上；通過(guò)激光(I. 3W)將藍(lán)寶石襯底正面或背面劃上IOmilXlOmil的正方形圖形，劃痕深度6μπι，正面劃片示意圖如圖I ;(2)在制得的藍(lán)寶石平板襯底正面通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN外延層，按現(xiàn)有技術(shù)制備LED。實(shí)施例2 提高藍(lán)寶石圖形襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，步驟如下I)將藍(lán)寶石襯底裝入激光劃片機(jī)中；固定藍(lán)寶石襯底在藍(lán)膜上，通過(guò)真空模式吸附在設(shè)備底座上；通過(guò)激光(I. 3W)將藍(lán)寶石襯底正面劃上IOmil X IOmil的正方形圖形，見(jiàn)圖I ;劃痕深度5μπ 、寬度lym;2)在藍(lán)寶石正面上，通過(guò)蒸鍍的方法蒸上一層200nm厚的SiO2掩膜；在掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將光刻圓形圖形，直徑2 μ m，轉(zhuǎn)移到IOmilXlOmil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，利用光刻對(duì)版進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間20秒，顯影60秒后，顯影液為堿性溶液；烘烤30分鐘，腐蝕(或刻蝕)掩膜層，按常規(guī)方法去掉光刻膠，去離子水清洗完，形成規(guī)則的掩膜圖形，見(jiàn)圖3;3)將步驟2)制得的襯底利用現(xiàn)有濕法刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，即在硫酸與磷酸的混合溶液中于250-300°C進(jìn)行刻蝕，刻蝕完成后，利用氫氟酸溶液去除掩膜，通過(guò)丙酮、乙醇，去離子水清洗即得到所需的的藍(lán)寶石圖形襯底，見(jiàn)圖4 ；4)將上述制備好的藍(lán)寶石圖形襯底通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN，用于制備LED。實(shí)施例3: 如實(shí)施例2所述，所不同的是，只在藍(lán)寶石襯底背面劃上IOmilXlOmil的正方形圖形。實(shí)施例4 提高藍(lán)寶石圖形襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，步驟如下I)將藍(lán)寶石襯底裝入激光劃片機(jī)中；固定藍(lán)寶石襯底在藍(lán)膜上，通過(guò)真空模式吸附在設(shè)備底座上；通過(guò)激光(I. 3W)將藍(lán)寶石背面劃上20milX20mil的正方形圖形，劃痕深
7 μ2 μ m ；2)在藍(lán)寶石正面上，通過(guò)蒸鍍的方法蒸上一層300nm厚的SiN掩膜；在掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將直徑2. 5μπι圓形圖形轉(zhuǎn)移到20milX20mil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，利用光刻對(duì)版進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間20秒，顯影60秒后，顯影液為堿性溶液；烘烤30分鐘，腐蝕(或刻蝕)掩膜層，按常規(guī)方法去掉光刻膠，去離子水清洗完，形成規(guī)則的掩膜圖形；3)將步驟2)制得的襯底利用現(xiàn)有干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，采用BCl3和Cl2氣體刻蝕，刻蝕完成后，利用氫氟酸溶液去除掩膜，通過(guò)丙酮、乙醇，去離子水清洗即得到所需的的藍(lán)寶石圖形襯底，見(jiàn)圖4 ；4)將上述制備好的藍(lán)寶石圖形襯底通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN，用于制備LED。測(cè)試實(shí)施例1-4的藍(lán)寶石圖形襯底氮化鎵外延層，測(cè)試方法采用X-Ray搖擺曲線測(cè)試102半峰寬以及光致發(fā)光譜測(cè)試GaN生長(zhǎng)的均勻性，測(cè)試數(shù)據(jù)列于下表
權(quán)利要求
1.一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，包括以下步驟 (1)利用激光劃片機(jī)對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行激光劃片，用激光在藍(lán)寶石襯底正面或者背面上劃出O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形，制得藍(lán)寶石平板襯底； (2)在所得藍(lán)寶石平板襯底上采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層，用于制備LED。
2.如權(quán)利要求I所述的的方法，其特征在于步驟(I)中所述激光劃片，劃痕深度2ym 10 μ m> 寬度 O. 5ym 3ym。
3.如權(quán)利要求I所述的的方法，其特征在于步驟(I)中所述正方形圖形尺寸為IOmi I X IOmi I 30mi I X 30mi I。
4.一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，包括以下步驟 1)利用激光劃片機(jī)對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行激光劃片，用激光在藍(lán)寶石襯底正面或者背面上劃出O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形，制得藍(lán)寶石平板襯底； 2)在步驟I)藍(lán)寶石平板襯底正面上，蒸鍍一層IOOnm 500nm的SiN或SiO2掩膜；在掩膜層上涂一層光刻膠，利用光刻膠將圖形轉(zhuǎn)移到O. ImilXO. Imil IOOmil X IOOmil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，顯影后，剝離掉光刻膠上的掩膜，保留圖形上的掩膜，用去離子水清洗，形成規(guī)則的掩膜圖形； 3)將步驟2)制得的襯底進(jìn)行刻蝕，得到有掩膜層的藍(lán)寶石圖形襯底；再利用氫氟酸溶液腐蝕去除掩膜，沖洗、甩干，得到激光劃片過(guò)的藍(lán)寶石圖形襯底；在該激光劃片過(guò)的藍(lán)寶石圖形襯底上采用MOCVD法生長(zhǎng)GaN外延層，用于制備LED。
5.如權(quán)利要求4所述的的方法，其特征在于步驟I)中所述激光劃片，劃痕深度2μ m 10 μ m、寬度 O. 5ym 3ym。
6.如權(quán)利要求4所述的的方法，其特征在于步驟I)中所述正方形圖形尺寸為IOmi I X IOmi I 30mi I X 30mi I。
7.如權(quán)利要求4所述的的方法，其特征在于步驟(3)中所述的清洗是先分別在丙酮、乙醇中各超聲lOmin，再用去離子水沖洗。
8.如權(quán)利要求4所述的的方法，其特征在于步驟如下 1)將藍(lán)寶石襯底裝入激光劃片機(jī)中；固定藍(lán)寶石襯底在藍(lán)膜上，通過(guò)真空模式吸附在設(shè)備底座上；通過(guò)I. 3W激光將藍(lán)寶石襯底正面劃上IOmil X IOmil的正方形圖形，劃痕深度5 μ m> 1 ] I μ m ； 2)在藍(lán)寶石正面上，蒸鍍一層200nm厚的SiO2掩膜；在掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將2μπι圓形圖形轉(zhuǎn)移到IOmilXlOmil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，利用光刻對(duì)版進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間20秒，顯影60秒后，顯影液為堿性溶液；烘烤30分鐘，腐蝕或刻蝕掩膜層，按常規(guī)方法去掉光刻膠，去離子水清洗完，形成規(guī)則的掩膜圖形； 3)將步驟2)制得的襯底利用現(xiàn)有濕法刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕完成后，利用氫氟酸溶液去除掩膜，通過(guò)丙酮、乙醇，去離子水清洗即得到所需的的藍(lán)寶石圖形襯底； 4)將上述制備好的藍(lán)寶石圖形襯底通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN，用于制備LED。
9.如權(quán)利要求4所述的的方法，其特征在于步驟如下 I)將藍(lán)寶石襯底裝入激光劃片機(jī)中；固定藍(lán)寶石襯底在藍(lán)膜上，通過(guò)真空模式吸附在設(shè)備底座上；通過(guò)I. 3W激光將藍(lán)寶石背面劃上20milX20mil的正方形圖形，劃痕深度7 μ m> 1 ] 2 μ m ；2)在藍(lán)寶石正面上，蒸鍍一層300nm厚的SiN掩膜；在掩膜層上涂上一層光刻膠，利用光刻膠將2. 5μπι圓形圖形轉(zhuǎn)移到20milX20mil的正方形圖形區(qū)域掩膜層上，利用光刻對(duì)版進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間20秒，顯影60秒后，顯影液為堿性溶液；烘烤30分鐘，腐蝕或刻蝕掩膜層，按常規(guī)方法去掉光刻膠，去離子水清洗完，形成規(guī)則的掩膜圖形； 3)將步驟2)制得的襯底利用現(xiàn)有干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，采用BCl3和Cl2氣體刻蝕，刻蝕完成后，利用氫氟酸溶液去除掩膜，通過(guò)丙酮、乙醇，去離子水清洗即得到所需的的藍(lán)寶石圖形襯底； 4)將上述制備好的藍(lán)寶石圖形襯底通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN，用于制備LED。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延層均勻性的方法，主要是采用激光在藍(lán)寶石襯底正面或背面激光劃片，劃出0.1mil×0.1mil～100mil×100mil的正方形圖形，然后利用光刻在正方形區(qū)域內(nèi)做出圓形圖形，直徑2μm～3μm，制備出藍(lán)寶石圖形襯底，再通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)GaN-LED，該方法減少GaN生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高了生長(zhǎng)的均勻性。另外，此方法生長(zhǎng)完GaN-LED后，制備出管芯可以直接裂片，減少一步劃片裂片工藝，節(jié)省工藝制備時(shí)間，提高效率。激光劃出的槽面可以增加管芯出光。
文檔編號(hào)B23K26/40GK102856442SQ20111017492
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者邵慧慧, 徐現(xiàn)剛, 曲爽, 王成新, 李樹(shù)強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東華光光電子有限公司