[发明专利]一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法。该方法可以有效地提高GaN基LED材料的内量子发光效率和光提取效率。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。氮化镓(GaN)基LED作为固态光源一经出现便以其高效、长寿命、环保等优点，被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的第二次革命，成为国际上半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。但目前GaN基LED进入通用照明领域，在技术和成本上还面临诸多难题，需进一步提高LED的内量子发光效率和光提取效率。

目前蓝宝石衬底是氮化物进行异质外延生长最为常用的衬底之一。由于蓝宝石衬底和氮化物外延层间存在很大晶格常数失配和热膨胀系数差异，因此氮化物外延层中存在很大的残余应力和诸多晶体缺陷，影响了材料的晶体质量，限制了器件光电性能的进一步提高。同时，GaN和空气间存在较大的折射率的差异，光的出射角很小，绝大部分被全反射又回到LED器件内部，这既降低了光的提取效率又增加了散热难度，影响了LED器件的稳定性。采用图形化蓝宝石衬底技术可以缓解异质外延生长中蓝宝石衬底和氮化物外延层由于晶格失配引起的应力，使之得到有效的弛豫，大大降低氮化物材料中的位错密度，提高器件的内量子效率。同时，为了提高GaN基LED的光提取效率，人们也进行了多方面的研究，如采用粗化表面方法、采用光子晶体结构等。为了更有效地提高LED的发光效率，发展成本低、易于实现的蓝宝石衬底图形化技术和高光提取效率的器件结构势在必行。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，这种方法可以有效地降低GaN基LED材料中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高LED的内量子发光效率，由于采用了特定衬底的处理方法其表面的V形坑阵列结构能有效地增强GaN基LED的光提取效率。本图形化蓝宝石衬底技术还具有工艺简单、成本低以及能避免晶体损伤等优点。

本发明提供一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅膜；

步骤2：利用光刻技术制备出光刻胶图形阵列，其图形单元为圆形；

步骤3：以光刻胶图形阵列作掩膜，利用氢氟酸+氟化氨+H₂O混合液，刻蚀出具有图形结构的二氧化硅膜；

步骤4：以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；

步骤5：利用氢氟酸溶液去掉残余的二氧化硅膜，并将蓝宝石衬底清洗干净；

步骤6：继续用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底，形成横截面为三角形的金字塔结构；

步骤7：利用有机化学气相沉积方法在图形蓝宝石衬底上生长低温成核层；

步骤8：在低温成核层上继续升高温度生长n型掺杂的GaN层，控制生长条件，生长出低位错密度且表面具有V形坑阵列结构；

步骤9：在具有V形坑阵列结构的n型GaN层上继续生长LED结构材料所需的多量子阱层和p型材料层，并使最终的表面仍具有V形坑阵列结构。

其中所述的二氧化硅膜的厚度为20纳米-2微米。

其中所述的圆形的光刻胶图形阵列，图形单元的尺寸和间距为0.5微米-10微米。

其中所述的硫酸和磷酸混合液体积比为1∶3-3∶1。

其中所述的湿法刻蚀的温度在320℃-520℃之间，刻蚀的时间为30秒-30分钟。

其中所述的用硫酸和磷酸混合液湿法刻蚀蓝宝石衬底的时间为30s到5min。

其中所述的生长低温成核层的生长温度为400℃到600℃。

其中所述的低温成核层的厚度为10纳米到100纳米；