[发明专利]一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法。

背景技术

GaN基高亮度发光二极管（LED）是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点，当前GaN材料主要是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石的价格昂贵，使得GaN基发光二极管的成本降不下来，也难以实现大尺寸的蓝宝石衬底上生长。而硅（Si）材料由于其价格低廉，电学性能良好，易导热，以硅衬底代替蓝宝石衬底成为当前研究的热点。 

但是由于硅材料与氮化镓材料之间晶格失配和热失配大，导致大量的位错产生，并且很容易出现裂纹。高的位错密度与裂纹影响了器件的性能以及良品率。因此，对硅衬底的表面进行设计，提高GaN材料和器件的性能成为当前研究和产业关注的热点。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有硅衬底作为生长GaN外延片的缺陷，提供一种生长GaN基LED的硅图形衬底及其制备方法，并进一步对衬底的图形尺寸进行精确的限定，解决在硅（111）面上生长GaN外延片位错密度大、容易龟裂的技术难题，具体技术方案如下。

一种生长GaN基LED的硅图形衬底，所述硅图形衬底的硅（111）面衬底上刻蚀有周期性排列的矩形区域，每个矩形区域覆盖一层SiO₂掩膜，且在每个矩形区域的该层SiO₂掩膜中心光刻出Si表面。

进一步研究得到的方案中，所述矩形图形尺寸为100μm×100μm～5000μm×5000μm；矩形区域之间的间隔为10μm～15μm，间隔深度为5μm～20μm。由于矩形区域之间间隔宽度和深度设计，使得GaN外延片生长时只在每个区域形成连续的矩形薄膜或器件结构，矩形薄膜或器件结构之间不连续，形成周期性排列。因此，每一个矩形区域可以直接作为一个器件芯片单元。这种不连续的区域的划分能使硅材料与GaN外延片之间的应力局限在单个矩形区域内，从而降低裂纹，提高良品率。

进一步研究得到的方案中，在每个矩形区域内的SiO₂掩膜中心还刻出小于P型电极尺寸且满足上述尺寸的Si表面，单个所述Si表面图形尺寸为10μm×10μm～300μm×300μm。该图形尺寸使得GaN首先在每个矩形区域中刻出的Si表面生长，然后再侧向生长，最后在每个矩形区域生长出与LED芯片尺寸一致的外延结构。因为SiO₂掩膜阻挡GaN与Si衬底接触，减少因两者晶格失配和热失配引起的高密度位错等缺陷，从而明显提高GaN材料和LED外延片质量，提高LED性能。特别是，制备LED器件时，镀P型电极前，可用绝缘掩膜遮挡每个矩形区域图案中心刻出Si表面图形区域，因而降低电流在芯片高密度缺陷区域的流通，减少电子的非辐射复合，提高LED性能。

 

本发明的生长GaN基LED的硅图形衬底的制备方法，包括以下步骤：

（1）蒸镀二氧化硅掩模层：在硅（111）衬底上蒸镀一层50nm～300nm二氧化硅掩模层；

（2）清洗：使用丙酮溶液对经步骤（1）处理的硅片进行超声3~5分钟，清洗后使用异丙醇超声3~5分钟，再用去离子水漂洗，最后用氮气吹干后烘干；

（3）光刻：在经步骤（2）处理的硅片上光刻出周期排列的矩形图案； 

（4）湿法刻蚀：经步骤（3）处理得到的衬底放进腐蚀液中腐蚀10~30秒钟，腐蚀出尺寸为100μm×100μm～5000μm×5000μm的矩形图案，矩形图形之间的间隔为10μm～15μm，间隔深度为5μm～20μm，取出衬底，用去离子水清洗干净；

（5）光刻：在经步骤（4）处理得到的矩形图案的SiO₂掩膜中心刻出Si表面图形，Si表面图形尺寸为10μm×10μm～300μm×300μm；

（6）清洗：将步骤（5）得到的衬底置进行清洗去除残留的腐蚀液即得所述硅图形衬底。

进一步的，步骤（4）所述腐蚀液是硝酸与氢氟酸的水溶液，硝酸、氢氟酸、水的质量比例优选为45：15：15。

进一步的，步骤（6）所述清洗是在清洗机内用去离子水清洗5分钟。

在本发明的硅图形衬底上生长的GaN基LED外延片，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、n型层、量子阱层和p型层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：