專利名稱：具多重環帶結構分布圖形的襯底及其制法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及應用于GaN等半導體材料生長領域的一種襯底結構，尤其涉及一種可有效控制和降低GaN材料生長時位錯集中并提高LED發光效率的LED微納米襯底結構。
背景技術：
發光二極管(LED)是一種可以將電能轉化為光能并具有二極管特性的電子器件。 近年來，隨著GaN基藍光、綠光和紫外光LED技術飛速發展，LED已經大量應用于交通指示、 裝飾照明和LCD背光等領域。即使是在普通照明領域，LED也具有替代傳統照明光源的巨大潛力和趨勢。作為新一代光源，LED具有體積小、重量輕、節能、環保、綠色健康和長壽命等優點。LED的發光效率、可靠性和成本是決定LED能否取代傳統照明光源的幾個關鍵因素。如果不能實現高可靠、長壽命的LED光源，即使光效再好，高昂的維護成本必然限制其應用。LED的發光效率由內量子效率和取光效率兩種效率轉換形式進行表述。內量子效率主要取決于外延材料的質量及外延層的結構，取光效率則取決于襯底、芯片結構及封裝技術。由于GaN材料與常用襯底材料藍寶石或者Si之間的晶格失配較大，導致在藍寶石或者Si襯底上生長-的GaN晶體具有較高的位錯密度，造成載流子泄漏和非輻射復合中心增多等不良影響，使得器件內量子效率下降，同時也降低了 LED的可靠性。另一方面由于GaN 材料折射率高于藍寶石襯底、空氣以及外部封裝樹脂，有源區產生的光子有70%在GaN層上下兩個界面處發生多次全反射，降低了器件的取光效率，光在多次反射過程中也被電極和有源區材料吸收并產生大量熱量，影響了器件工作的穩定性。為了提高GaN基LED的內量子效率和取光效率，解決辦法之一是在外延生長制備 LED芯片的GaN材料之前，先在Si或者藍寶石襯底上制備微納米結構，改變襯底上GaN材料的外延生長過程，抑制材料中位錯的向上延伸，提高器件內量子效率。同時合理的微納米結構能使原本在臨界角范圍外的光線通過微納米結構的反射重新進入到臨界角內出射到芯片外部，提高了取光效率。目前，在Si或者藍寶石襯底上制備的微納米圖形的結構基本是相互孤立的凸起點，這些孤立的凸起點的結構形狀為半球形、圓錐、三角棱錐、多面棱錐等，單元結構之間為平面，如圖1所示，為圓錐狀結構的藍寶石圖形襯底的SEM照片。含有上述結構的Si或者藍寶石襯底，為了獲得最佳取光效率，需要微納米結構具有一定的刻蝕深度。如果能夠設計一種圖形結構，使得在獲得高取光效率的同時降低對刻蝕深度的要求，不僅能夠降低圖形襯底的制作成本，還能夠縮短外延生長時間，進而提高生產效率，降低LED成本，促進LED照明技術的普及推廣。此外，孤立凸起結構在外延時易在凸起結構頂點區域產生位錯集中，局部形成高密度位錯缺陷區或空洞，產生降低LED在大電流驅動下的內量子效率、降低器件的抗靜電擊穿能力和降低器件可靠性、壽命的問題。
發明內容
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鑒于上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提出一種具多重環帶結構分布圖形的襯底及其制法與應用，解決外延生長GaN等晶體材料時的位錯集中的現象，提高外延晶體的質量，提高器件的抗靜電擊穿性能。本發明的目的，將通過以下技術方案得以實現具多重環帶結構分布圖形的襯底，其特征在于所述襯底的圖形由陣列排布的復數個多重環帶單胞組成，其中每一個所述多重環帶單胞包含復數個由大到小相嵌套的環形凸起脊，相鄰兩個環形凸起脊之間由平面或曲面連接，環帶結構中心為凸起或凹陷結構。進一步的，上述具多重環帶結構分布圖形的襯底，其中陣列排布方式可以為四方排列、六方排列或者蜂窩排列中的任何一種，相鄰多重環帶單胞之間由平面或曲面連接，且其單胞中心間距介于0. 3 μ m 20 μ m。進一步的，上述具多重環帶結構分布圖形的襯底，其中所述多重環帶單胞總體尺寸為0.2μπι 18μπι，包含1 400個、同心的環形凸起脊，相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為0. 1 μ m 9 μ m，且所述環形凸起脊的軸截面為梯形，或頂點與底邊兩個端點之間由兩條曲線連接的曲邊形。進一步的，上述具多重環帶結構分布圖形的襯底，其中曲邊形的頂角為20° 160°，底邊長度為0. 1 9 μ m，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0. 15 4μ m。上述具多重環帶結構分布圖形的襯底的制備方法，包括以下步驟步驟一清洗將濃硫酸和雙氧水的混合溶液清洗藍寶石襯底，用去離子水沖洗干凈，吹干并進行脫水烘焙；步驟二 光刻在步驟一中清洗后的藍寶石襯底上涂覆光刻膠，進行前烘，然后在紫外光下進行曝光，顯影；步驟三刻蝕以BCl3An2作為刻蝕劑，利用ICP刻蝕技術對步驟二中得到的藍寶石襯底進行刻蝕；步驟四去膠將步驟三中刻蝕完的藍寶石圖形襯底依次用丙酮、乙醇超聲處理， 用去離子水沖洗干凈并吹干，即得所需圖形的襯底。本發明適用于制備發光二極管和用于生長GaN基外延材料，可以將外延生長時的位錯缺陷分布在環形頂部上，消除了外延生長過程中的位錯集中，避免出現局部高位錯密度缺陷區，提高了 LED器件的抗靜電擊穿能力和壽命。此外，采用本發明提出的環帶結構在降低刻蝕深度要求的同時還可以獲更高的取光效率，降低了圖形襯底的制作成本，減小外延生長時間，提高生產效率，降低LED成本，促進LED照明技術的普及推廣。
圖1是現有技術中具有圓錐狀結構的藍寶石圖形襯底結構的電鏡照片；圖2是本發明一較佳實施例1的結構示意圖；圖3a是本發明一較佳實施例1的多重環帶單胞結構的示意圖；圖北是本發明一較佳實施例1的多重環帶單胞結構的剖視圖；圖4是本發明一較佳實施例4的結構示意圖。
具體實施方式
本發明為改善外延生長晶體和LED器件性能，針對襯底結構深入研究，提出了一種具多重環帶結構分布圖形的襯底，該襯底的圖形由陣列排布的復數個多重環帶單胞組成，其中每一個多重環帶單胞包含復數個由大到小相嵌套的環形凸起脊，相鄰兩個環形凸起脊之間由平面或曲面連接，環帶結構中心為凸起或凹陷結構。從細化的參數結構來看①、相鄰多重環帶單胞之間由平面或曲面連接，且其單胞中心間距介于0.3μπι 20 μ m0②、多重環帶單胞總體尺寸為0. 2μπι 18 μ m，包含1 400個、同心的環形凸起脊，相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為0. 1 μ m 9 μ m，且所述環形凸起脊的軸截面為梯形，或頂點與底邊兩個端點之間由兩條曲線連接的曲邊形。該曲邊形的頂角為20° 160°，底邊長度為0. Ιμπι 9μπι，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0. 15μπι 4μπι。以下便結合實施例附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳述，以使本發明技術方案更易于理解、掌握。實施例1如圖2所示，本實施例的圖形襯底由復數個六方排列的多重環帶單胞結構組成， 相鄰多重環帶單胞結構之間由平面結構連接，且相鄰多重環帶單胞結構中心之間的間距為 0. 5 μ m 5 μ m，如圖3a和圖北所示，每一多重環帶單胞結構包含2個同心的環形凸起脊， 且其總體尺寸為0. 4 μ m 4 μ m，相鄰環形凸起脊之間由曲面結構連接，且相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為0.2μπι 2μπι，環帶結構中心為凹陷結構。環形凸起脊的垂直截面為頂點與底邊兩個端點之間各由兩條曲線連接的曲邊形截面結構。所述曲邊形截面的頂角為 20° 160°，底邊長度為0. Iym Ιμπι，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0. Ιμπ! 2 μ m0本實施例的藍寶石圖形襯底微納米結構的制備工藝如下(1)清洗利用濃H2SO4 = HA清洗藍寶石襯底，然后用大量去離子水沖洗干凈、吹干，并進行脫水烘焙；(2)光刻首先在藍寶石襯底上涂覆光刻膠、前烘，然后在紫外光下進行曝光，顯影；(3)刻蝕利用ICP刻蝕技術對步驟O)的藍寶石襯底進行刻蝕，其中選擇Cl基氣體進行刻蝕；(4)去膠將刻蝕完的藍寶石圖形襯底用丙酮、乙醇超聲處理，然后用大量去離子水沖洗干凈并吹干。實施例2與上述實施例相似相鄰多重環帶單胞結構中心之間的間距為1 μ m,每一多重環帶單胞結構包含2個同心的環形凸起脊，且其總體尺寸為4 μ m，相鄰環形凸起脊之間由曲面結構連接，且相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為1 μ m，環帶結構中心為凹陷結構。環形凸起脊的垂直截面為曲邊三角形。所述曲邊三角形截面的頂角為60°，底邊長度為lym，截面頂點與底邊之間的垂直距離為1. 5 μ m。實施例3與上述實施例相似相鄰多重環帶單胞結構中心之間的間距為20 μ m，每一多重環帶單胞結構包含9個同心的環形凸起脊，且其總體尺寸為18 μ m，相鄰環形凸起脊之間由曲面連接，且相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為1 μ m，環帶結構中心為凹陷結構。環形凸起脊的垂直截面為頂點與底邊兩個端點之間各由兩條曲線連接的曲邊形截面結構。所述曲邊形截面的頂角為120°，底邊長度為lym，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0.8μπι。實施例4如圖4所示，本實施例的圖形襯底由復數個六方排列的多重環帶單胞結構組成， 相鄰多重環帶單胞結構之間由平面結構連接，且相鄰多重環帶單胞結構中心之間的間距為 0. 4 μ m 20 μ m，每一多重環帶單胞結構包含1個環形凸起脊和一個中心凸起結構，且其總體尺寸為0. 3 μ m 18 μ m。多重環帶單胞結構中凸起脊與中心凸起結構之間由曲面結構連接，且中心凸起結構頂點與最近鄰環形凸起脊頂點之間的距離為0. 1 μ m 6 μ m。環形凸起脊的垂直截面為頂點與底邊兩個端點之間各由兩條曲線連接的曲邊形截面結構。所述曲邊形截面的頂角為20° 160°，底邊長度為0. Ιμπι 6μπι，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0. 1 μ m 4 μ m。本實施例的藍寶石圖形襯底微納米結構的制備工藝如下(1)清洗利用濃H2SO4 = H2O2清洗藍寶石襯底，然后用大量去離子水沖洗干凈、吹干，并進行脫水烘焙；(2)光刻首先在藍寶石襯底上涂覆光刻膠、前烘，然后在紫外光下進行曝光，顯影；(3)刻蝕利用ICP刻蝕技術對步驟O)的藍寶石襯底進行刻蝕，其中選擇BC13/ C12作為刻蝕劑；(4)去膠將刻蝕完的藍寶石圖形襯底用丙酮、乙醇超聲處理，然后用大量去離子水沖洗干凈并吹干。適用于制備發光二極管和用于生長GaN基外延材料，較之于傳統孤立凸起結構的 LED圖形襯底外延生長GaN等材料時，先在底部平面區成核，然后GaN材料逐漸向上生長，產生的位錯在凸起結構頂部區域集中，從而導致局部高位錯密度缺陷區和孔洞缺陷的技術不同，可以將外延生長時的位錯缺陷分布在環形頂部上，消除了外延生長過程中的位錯集中， 避免出現局部高位錯密度缺陷區，提高了 LED器件的抗靜電擊穿能力和壽命。此外，采用本發明提出的環帶結構在降低刻蝕深度要求的同時還可以獲更高的取光效率，降低了圖形襯底的制作成本，減小外延生長時間，提高生產效率，降低LED成本，促進LED照明技術的普及推廣。以上僅是本發明的兩個較佳應用范例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。實際上，本領域技術人員經由本發明技術方案之啟示，亦可想到采用上述方案制備具有四方排列和蜂窩排列的環帶結構。但是，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.具多重環帶結構分布圖形的襯底，其特征在于所述襯底的圖形由陣列排布的復數個多重環帶單胞組成，其中每一個所述多重環帶單胞包含復數個由大到小相嵌套的環形凸起脊，相鄰兩個環形凸起脊之間由平面或曲面連接，環帶結構中心為凸起或凹陷結構。
2.根據權利要求1所述的具多重環帶結構分布圖形的襯底，其特征在于相鄰多重環帶單胞之間由平面或曲面連接，且其單胞中心間距介于0. 3 μ m 20 μ m。
3.根據權利要求1所述的具多重環帶結構分布圖形的襯底，其特征在于所述多重環帶單胞總體尺寸為0. 2 μ m 18 μ m，包含1 400個、同心的環形凸起脊，相鄰環形凸起脊頂點之間的距離為0. 1 μ m 9 μ m，且所述環形凸起脊的軸截面為梯形，或頂點與底邊兩個端點之間由兩條曲線連接的曲邊形。
4.根據權利要求3所述的具多重環帶結構分布圖形的襯底，其特征在于曲邊形的頂角為20° 160°，底邊長度為0. 1 9μπι，截面頂點與底邊之間的垂直距離為0. 15 4 μ m0
5.一種權利要求1所述具多重環帶結構分布圖形的襯底的制備方法，其特征在于包括步驟步驟一清洗將濃硫酸和雙氧水的混合溶液清洗藍寶石襯底，用去離子水沖洗干凈， 吹干并進行脫水烘焙；步驟二 光刻在步驟一中清洗后的藍寶石襯底上涂覆光刻膠，進行前烘，然后在紫外光下進行曝光，顯影；步驟三刻蝕以bci3/ci2作為刻蝕劑，利用icp刻蝕技術對步驟二中得到的藍寶石襯底進行刻蝕；步驟四去膠將步驟三中刻蝕完的藍寶石圖形襯底依次用丙酮、乙醇超聲處理，用去離子水沖洗干凈并吹干，即得所需圖形的襯底。
6.權利要求1所述具多重環帶結構分布圖形的襯底的應用，其特征在于制備發光二極管和生長GaN基外延材料時運用所述具環帶結構分布圖形的襯底。
全文摘要
本發明揭示了一種具有多重環帶結構的圖形襯底及其制備方法和應用，所述圖形襯底的圖形由陣列排布的復數個多重環帶單胞結構組成，每一個多重環帶單胞結構包含復數個同心的由大到小嵌套的環形凸起脊，相鄰環形凸起脊之間由平面結構或曲面結構連接，環帶結構中心為凸起或凹陷結構。本發明適用于制備發光二極管和用于生長GaN基外延材料，可以將外延生長時的位錯缺陷分布在環形頂部上，消除了外延生長過程中的位錯集中，避免出現局部高位錯密度缺陷區，提高了LED器件的抗靜電擊穿能力和壽命。此外，環帶結構還可以在獲得高取光效率的同時降低對刻蝕深度的要求，降低圖形襯底的制作成本，減小外延生長時間，提高生產效率和產品的性能，降低LED成本。
文檔編號H01L33/00GK102185069SQ20111008358
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月2日 優先權日2011年4月2日
發明者張寶順, 方運, 楊輝, 王敏銳 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所