專利名稱：具有均勻分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN基LED,尤其涉及具有均勻分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法。
背景技術(shù)：
作為一種新型的發(fā)光元件，LED的相關(guān)制造工藝備受關(guān)注。改善LED的發(fā)光 效率是該領(lǐng)域內(nèi)的一個重要研究課題。在LED內(nèi)被激發(fā)的光會沿著各個方向呈散射狀傳播。因為LED結(jié)構(gòu)材料的折 射率較大，因此光的最大出射角度(即離開LED材料層進(jìn)入空氣的最大角度)較 小。因此，當(dāng)光的傳播方向和LED的表面的法線方向的夾角較大時，這部分光就 會由于全反射而繼續(xù)留在器件內(nèi)。這是導(dǎo)致傳統(tǒng)LED的出光效率偏低的原因之一。己有的研究成果對改善LED的出光效率進(jìn)行了很多有益的嘗試。例如，有學(xué)者 指出，通過在GaN基LED的表面形成很多微小的V型坑，其出光效率得到了相 當(dāng)程度的改善。關(guān)于導(dǎo)致這一結(jié)果的原因，有以下解釋對于具有一個平整表面的 大面積的LED而言，大部分發(fā)射光處于橫向引導(dǎo)模式(簡言之即沿橫向傳播)， 從而在其到達(dá)LED的側(cè)邊時由于LED內(nèi)部材料的再吸收作用而消耗掉。如果GaN 基LED的表面有很多高密度的V型坑(如圖1所示，其中光線l表示從表面發(fā)射 的光，光線2和3表示從V型坑的側(cè)邊發(fā)射的光)，那么橫向傳播的光就可以從 V型坑的側(cè)壁發(fā)射出來，從而避免了在LED內(nèi)部的損耗。顯然，這對于改善出光 效率是有益的。通常采用一種兩階段生長方法(也稱之為緩沖層技術(shù))來形成具有高密度V型 微坑的GaN模板。簡而言之，在低溫條件下形成緩沖層并進(jìn)行退火之后，開始高 溫生長。在高溫生長的初始階段，會形成一些彼此分離的GaN小島。在隨后的生 長中這些GaN小島會彼此結(jié)合。如果生長時間足夠長，就可以得到連續(xù)的，表面 平整度非常好的GaN外延層。如果在GaN外延層完全平整之前停止生長，就可以 得到在表面具有V型坑GaN層。 然而，如圖2a和2b所示，由于高溫生長階段的島狀結(jié)構(gòu)的分布的隨機性，得 到的v型坑的分布也是不規(guī)則的。即使是采用相同的工藝，甚至是在同一批次中 得到的晶片上的V型坑的分布也彼此不同。上述問題會帶來一些麻煩。例如，通常希望利用電介質(zhì)層將這些V型坑鈍化(或 者稱之為隔離)，以避免聚集了大量位錯的V型坑成為LED中的漏電通道。但是， 由于V型坑的分布的隨機性，上述目的幾乎是不可能實現(xiàn)的。為了獲得規(guī)則分布的V形微坑，現(xiàn)有技術(shù)中所采用的一種方法是在完成了 LED 的主要工藝之后對GaN層進(jìn)行刻蝕。其方法的大致步驟是采用具有均勻分布的 圖案的掩模，將LED浸入刻蝕劑中，通過控制反應(yīng)條件而得到規(guī)則分布的微坑。但是利用這種刻蝕法獲得微坑仍然有其不足之處。其中一個不可忽視的缺點就 是在腐蝕過程中對LED器件層所造成的不可避免的損傷，這會大大降低器件的光 發(fā)射效率。發(fā)明內(nèi)容針對前述的現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明致力于提供一種新的方法，通過采 用該方法，可以獲得具有規(guī)則分布的V型坑的GaN模板；該模板可用于進(jìn)一步制 作具有高發(fā)光效率的LED。本發(fā)明中所說的模板(template)是一個在LED工藝領(lǐng)域非常常見的概念。通 常，將單一的襯底材料，比如藍(lán)寶石材料稱之為襯底(substrate)，而當(dāng)在襯底上 生長了其它半導(dǎo)體材料層，但尚未進(jìn)行主要的LED功能層外延生長時，則稱之為 模板，以使之與單純的襯底材料相區(qū)別。本發(fā)明提供一種在半導(dǎo)體材料上形成規(guī)則分布的V型坑的方法，包括在第一半導(dǎo)體材料上形成具有規(guī)則分布的籽晶區(qū)域;外延生長第二半導(dǎo)體材料; 通過第二半導(dǎo)體材料的橫向生長而覆蓋籽晶區(qū)域之間的部分非籽晶區(qū)域，從而形成 規(guī)則分布的V型坑?？梢岳镁哂幸?guī)則分布的圖案的光刻掩模，在所述第一半導(dǎo)體材料上選擇性地淀積電介質(zhì)膜，其中未被淀積的區(qū)域成為籽晶區(qū)域。作為另一種可選的方法，可以利用具有規(guī)則分布的圖案的光刻掩模，在第一半 導(dǎo)體材料上選擇性地進(jìn)行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶區(qū)域。所述第一半導(dǎo)體材料可以包括襯底和形成于襯底上的外延生長中間層，并且在 所述選擇性刻蝕的過程中將非籽晶區(qū)域的外延生長中間層刻蝕掉。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述規(guī)則分布的圖案呈六邊形分布。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述規(guī)則分布的圖案可以是圓形，其半徑a在幾pm到 100pm以上，且相鄰圓形的間距b滿足b》2a。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所述規(guī)則分布的圖案是六邊形其邊長a在幾pm 到100pm以上，且相鄰六邊形的間距b滿足b》2a。本發(fā)明中所采用的半導(dǎo)體材料包括但不限于GaN，本發(fā)明中所涉及的襯底包括 但不限于Si、藍(lán)寶石、SiC或其它適合所述半導(dǎo)體材料外延生長的襯底。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述V型坑是通過在所述半導(dǎo)體材料由于橫向生長而完 全平面化之前停止生長而得到的，并且所述V型坑可以是三角形或六邊形的。本發(fā)明同時揭示一種生長具有規(guī)則分布的V型坑的GaN基LED的方法，其采 用前述的方法在LED工藝過程中形成V型坑。


本申請的附圖用于對于本申請的實施例提供示例性的說明。圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有V型微坑的GaN基LED可改善其發(fā)光原理的示意圖。圖2a和2b是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)得到的具有不規(guī)則的V型坑的GaN的電子顯微 照片。圖3a和圖3b是根據(jù)本發(fā)明的實施例的掩模的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例所得到的具有規(guī)則分布的V型坑的GaN模板的示意圖。圖5a—5c是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中的選擇性刻蝕的示意圖。圖6a—6c是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中的選擇性淀積電介質(zhì)層的示意圖。
具體實施方式
(實施例1)為了得到具有均勻分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有規(guī)則圖案的掩 模在襯底上淀積電介質(zhì)層。此處所述的規(guī)則圖案可以是如圖3a所示的呈六邊形分 布的圓，也可以是如圖3b所示的呈六邊形分布的六邊形，呈其它分布的圖案也可 以被采用。為便于說明，假設(shè)本實施例采用的是如圖3a所示的呈六角形分布的六 邊形。此處的襯底可以是Si、 SiC、藍(lán)寶石等材料。具體而言，選擇性刻蝕的工藝
包括利用掩模進(jìn)行選擇性曝光，并經(jīng)顯影，使得六邊形區(qū)域內(nèi)的光刻膠抗腐蝕， 而周邊區(qū)域的光刻膠易被腐蝕。用適當(dāng)?shù)母g液除去易被腐蝕的部分光刻膠，保留 六邊形區(qū)域內(nèi)的光刻膠(如圖5a所示)。接下來進(jìn)行常規(guī)的刻蝕工藝刻蝕至一定 深度(如圖5b所示)，再用脫膠工藝去除光刻膠即可(如圖5c所示)。上述的選擇性刻蝕工藝完成之后，在襯底上得到和掩模圖案一致的，彼此分離 的六邊形區(qū)域。該六邊形區(qū)域在下文中將被稱之為籽晶區(qū)域。由于籽晶區(qū)域沒有被 刻蝕，因此其表面要比非籽晶區(qū)域的表面高。接下來開始GaN的外延生長工藝。GaN在籽晶區(qū)域和非籽晶區(qū)域都會進(jìn)行生 長。但由于籽晶區(qū)域的表面比非籽晶區(qū)域的表面高，籽晶區(qū)域內(nèi)的較高的GaN還 會進(jìn)行橫向生長?？梢岳斫猓捎跈M向生長的進(jìn)行，籽晶區(qū)域內(nèi)的GaN島的面積 會越來越大，并超出籽晶區(qū)域的范圍。這一生長如果持續(xù)地進(jìn)行下去，那么最終會 得到平面化的GaN層，而如果在其平面化之前的適當(dāng)時機停止生長，則可以得到 如圖4所示的規(guī)則分布的V型坑。此處得到的V型坑是三角形的，本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)該理解，通過采用不同分布的掩模，可以得到的V型坑并不限于三角形，也 可以是六邊形，或者其它形狀。(實施例2)為了得到具有均勻分布的V型坑的GaN基LED，首先利用具有規(guī)則圖案的掩 模在襯底上進(jìn)行選擇性地刻蝕。此處所述的規(guī)則圖案可以是如圖3a所示的呈六邊 形分布的圓，也可以是如圖3b所示的呈六邊形分布的六邊形，呈其它分布的圖案 也可以被采用。為便于說明，假設(shè)本實施例采用的是如圖3a所示的呈六角形分布 的六邊形。此處的襯底可以是Si、 SiC、藍(lán)寶石等材料。具體而言，選擇性淀積電 介質(zhì)層的工藝包括首先進(jìn)行常規(guī)的電介質(zhì)淀積工藝(如圖6a所示)，然后在電 介質(zhì)層上涂光刻膠，利用掩模進(jìn)行選擇性曝光，并經(jīng)顯影，使得六邊形區(qū)域內(nèi)的光 刻膠易被腐蝕，而周邊區(qū)域的光刻膠抗腐蝕。用適當(dāng)?shù)母g液除去易被腐蝕的部分 光刻膠，暴露出部分電介質(zhì)層(如圖6b所示)。接下來用適當(dāng)?shù)母g液對電介質(zhì) 層進(jìn)行選擇性腐蝕，將沒有被光刻膠所保護(hù)的電介質(zhì)層腐蝕掉。最后用傳統(tǒng)的脫膠 工藝將光刻膠剝離，留下未被腐蝕的電介質(zhì)層(如圖6c所示)。采用掩模的選擇性淀積工藝完成之后，在襯底上得到和掩模圖案一致的，彼此 分離的六邊形區(qū)域。該六邊形區(qū)域在下文中將被稱之為籽晶區(qū)域。由于籽晶區(qū)域內(nèi) 沒有淀積電介質(zhì)，因此襯底(或者已經(jīng)生長了中間層的襯底)得以在籽晶區(qū)域的窗
口中暴露出來。而在非籽晶區(qū)域中，襯底則被電介質(zhì)層所覆蓋。接下來開始GaN的外延生長工藝。由于非籽晶區(qū)域被電介質(zhì)所覆蓋，GaN不 會在其表面生長。因此GaN僅僅在籽晶區(qū)域內(nèi)開始生長。GaN的生長同時包括了 縱向生長和橫向生長，即GaN的厚度增加的同時其覆蓋區(qū)域也在變大?？梢岳斫猓?由于橫向生長的進(jìn)行，GaN島的面積會越來越大，超出籽晶區(qū)域的范圍，最終彼 此結(jié)合。這一生長如果持續(xù)地進(jìn)行下去，那么最終會得到平面化的GaN層，而如 果在其平面化之前的適當(dāng)時機停止生長，則可以得到如圖4所示的規(guī)則分布的V型坑。此處得到的V型坑是三角形的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，通過采用不同 分布的掩模，可以得到的V型坑并不限于三角形，也可以是六邊形，或者其它形狀。本發(fā)明的第一和第二實施例中采用了六邊形分布的六邊形圖案，如圖3b所示， 六邊形的邊長a的取值范圍幾pm以上，優(yōu)選地，其取值范圍在幾(im到100im之 間。而六邊形圖案之間的間距，即虛線所標(biāo)識的大的六邊形的邊長b則滿足b》2a。 當(dāng)采用六邊形分布的圓形圖案時，如圖3a所示，圓的半徑a的取值范圍幾pm到 10(^m以上。而六邊形圖案之間的間距，即虛線所標(biāo)識的大的六邊形的邊長b則 滿足b》2a。當(dāng)然，本發(fā)明所釆用的圖像的形狀及其分布，及其相關(guān)尺寸的數(shù)據(jù)并 不限于此。本發(fā)明著重于介紹一種形成規(guī)則分布的V型坑的模板，并利用這種模板制作 LED的工藝。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的實施例中主要介紹了實現(xiàn)本發(fā) 明的關(guān)鍵工藝。當(dāng)利用本發(fā)明的方法制作LED時，那些眾所周知的中間步驟及細(xì) 節(jié)同樣可以選擇性地應(yīng)用于本發(fā)明中。比如，本發(fā)明的實施例中沒有提及中間層的 生長。通常，為了克服外延生長中的晶格失配問題，可以先在襯底上生長一定厚度 的中間層，然后再利用具有規(guī)則圖案的掩模在襯底上進(jìn)行選擇性刻蝕。中間層的材 料可根據(jù)襯底層和外延層的不同而不同，例如，當(dāng)采用Si襯底時，可以用A1N作 為中間層。值得指出的是，在本發(fā)明圖5a—5c所示的實施例中，如果先生長中間 層再進(jìn)行刻蝕，并且將六邊形區(qū)域周圍的中間層都刻蝕掉，那么GaN僅僅在保留 有中間層的區(qū)域生長，直至其橫向生長使得無中間層的區(qū)域"愈合"。再有，本發(fā) 明的實施例中的工藝是直接做在襯底上的，但是也可以首先在襯底上生長一定厚度 的GaN，然后再開始本發(fā)明的工藝。相對于本領(lǐng)域內(nèi)的傳統(tǒng)技術(shù)而言，本發(fā)明至少包括以下顯著的優(yōu)點。
至同一批次不同晶片所得到的產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。而且，由于微坑的隨機性分布， 想要采用電介質(zhì)將其進(jìn)行隔離幾乎是不可能的。采用本發(fā)明的方法，由于坑的位置 是預(yù)先設(shè)計好的，產(chǎn)品品質(zhì)的一致性得以保證。并且，由于V型坑的分布是規(guī)則 的，其開口大小，間距等數(shù)據(jù)也是己知的，可以藉此方便地設(shè)計一種與V型坑分 布相匹配的掩模，將電介質(zhì)選擇性地淀積到V型坑之間。相對于另一種形成V型微坑的方法，即在預(yù)先生長好的LED結(jié)構(gòu)上進(jìn)行選擇 性刻蝕以形成微坑，本發(fā)明在LED結(jié)構(gòu)(GaN層)生長之后沒有刻蝕工藝，避免 了刻蝕對于LED結(jié)構(gòu)的損傷。這使得發(fā)光效率得以改善。以上介紹的是具有規(guī)則分布的V型坑的GaN基LED及其生長方法。但本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明亦可以應(yīng)用于其它需要形成規(guī)則分布的坑的領(lǐng)域。 在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明的各種修改和變化都應(yīng)該落入本發(fā) 明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種在半導(dǎo)體材料上形成規(guī)則分布的V型坑模板的方法，包括 在第一半導(dǎo)體材料上形成具有規(guī)則分布的籽晶區(qū)域；外延生長第二半導(dǎo)體材料；通過第二半導(dǎo)體材料的橫向生長而覆蓋籽晶區(qū)域之間的部分非籽晶區(qū)域，從而 形成規(guī)則分布的V型坑。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成模板的步驟還包括 利用具有規(guī)則分布的圖案的光刻掩模，在所述第一半導(dǎo)體材料上選擇性地淀積電介質(zhì)膜，其中未被淀積的區(qū)域成為籽晶區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述形成模板的步驟還包括-利用具有規(guī)則分布的圖案的光刻掩模，在第一半導(dǎo)體材料上選擇性地進(jìn)行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體材料包括襯底和 形成于襯底上的外延生長中間層，并且在所述選擇性刻蝕的過程中將非籽晶區(qū)域的 外延生長中間層刻蝕掉。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述具有規(guī)則分布的V型坑是通過在所述第二半導(dǎo)體材料由于橫向生長而完 全平面化之前停止外延生長而得到的。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于-所述規(guī)則分布為正六邊形分布。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于-所述規(guī)則分布的圖案是圓形，所述圓形的半徑a在幾fam至i」10(Him以上，且相 鄰圓形的間距b滿足b^2a。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述規(guī)則分布的圖案是六邊形，所述六邊形的邊長a在幾nm到100nm以上， 且相鄰六邊形的間距b滿足b》2a。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 所述第二半導(dǎo)體材料是GaN。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于-所述V型坑是三角形或六邊形的。
11. 一種制造具有規(guī)則分布的V型坑的GaN基LED的方法，其特征在于 采用如權(quán)利要求1一10所述的方法，在LED工藝過程中形成具有規(guī)則分布的V型坑的模板。
12. —種GaN基LED，包括形成于規(guī)則分布的籽晶區(qū)域上的具有規(guī)則分布的V型坑的模板； 形成于該模板上的半導(dǎo)體外延材料。
全文摘要
一種在半導(dǎo)體外延層上形成規(guī)則分布的V型坑，并在具有規(guī)則分布的V型坑的半導(dǎo)體層上制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法。該方法包括在襯底上形成具有規(guī)則分布的籽晶區(qū)域的模板；在模板上外延生長半導(dǎo)體材料；通過控制外延生長過程中的橫向生長速度使外延層覆蓋籽晶區(qū)域之間的非籽晶區(qū)域，同時在外延層上形成規(guī)則分布的V型坑。其中，可以利用具有規(guī)則分布的圖案的掩模，在襯底上選擇性地淀積電介質(zhì)膜，其中未被淀積的區(qū)域成為籽晶層；作為另一種可選的方法，可以利用有規(guī)則分布的圖案的掩模，在襯底上選擇性地進(jìn)行刻蝕，其中未被刻蝕的部分成為籽晶層。
文檔編號H01L33/00GK101145589SQ20061003103
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者周家華 申請人:上海宇體光電有限公司