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1、(10)申请公布号 CN 103022277 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103022277 A *CN103022277A* (21)申请号 201110290769.8 (22)申请日 2011.09.27 H01L 33/00(2010.01) (71)申请人 大连美明外延片科技有限公司 地址 116025 辽宁省大连市高新园区高能街 1 号 (72)发明人 肖志国 孙英博 武胜利 唐勇 李倩影 薛念亮 刘伟 闫晓红 (54) 发明名称 一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方 法 (57) 摘要 本发明提供一种采用图形化衬底的发光二极 管的制备方法， 其采用飞秒激。
2、光器对衬底以扫描 烧蚀的方式制备出纳米级准周期性结构， 普通的 激光烧蚀方法仅在表面烧蚀出激光光斑大小的 坑， 本发明的烧蚀方法能在光斑内形成若干图形 ； 以制备的图形化衬底为模板， 使用金属有机气相 化学沉淀系统生长外延片 ； 以制备的图形化衬底 外延片进行芯片制备。 本发明实现了高亮度、 高稳 定性芯片的制备， 具有与干法制备图形化衬底的 方法相比工艺简单和成本低廉的优势。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种采用图形。
3、化衬底的发光二极管的制备方法包括以下步骤 ： (1) 清洗衬底 ； (2) 采用激光烧蚀的方式在衬底表面烧蚀出纳米级准周期性结构 ； (3) 采用金属有机化学气相沉积方法进行外延层生长， 外延层包括 N 型层、 多量子阱层 和 P 型层 ； (4) 采用光刻和刻蚀方法在外延层一侧进行刻蚀直到 N 型层裸露， 形成 Mesa 平台 ； (5) 在 P 型层上沉积透明导电层， 其厚度在 100-3000nm ； (6) 在前一步骤得到的结构上制备电极， 厚度在 1500-2000nm ； (7) 沉积 SiO2保护层， 厚度在 200-350nm ； (8) 将晶圆减薄到 100-200m 厚， 。
4、切割成分立芯片 ； 其特征在于， 步骤 (2) 所述激光烧灼为采用飞秒激光器进行的激光扫描烧蚀， 激光脉 宽为 30-150fs， 激光能量密度控制在 0.05-0.9mJ/cm2， 重复频率为 1-20000Hz， 扫描速度为 0.1-1mm/s。 2. 如权利要求 1 所述的一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法， 其特征在于所 述衬底为蓝宝石、 碳化硅或硅。 3. 如权利要求 1 所述的一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法， 其特征在于所 述纳米级准周期性结构为蒙古包形、 类圆锥形或类圆柱形。 4. 如权利要求 1 所述的一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法， 其特征在于 步骤。
5、 (2) 所述烧灼过程中衬底置于水中或者气体环境中， 所述气体包括空气、 六氟化硫、 氢 气、 氧气或氮气。 5. 如权利要求 1 所述的一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法， 其特征在于透 明导电层材料为氧化铟锡、 氧化锌或金。 6. 如权利要求 1 所述的一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法， 其特征在于电 极材料为铝、 铝 / 金、 镍 / 金、 钛 / 金、 铬 / 金、 铬 / 铂 / 金、 镍 / 银 / 镍 / 金。 权 利 要 求 书 CN 103022277 A 2 1/4 页 3 一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体光电器件。
6、领域， 尤其涉及一种采用图形化衬底的发光二极管的 制备方法。 背景技术 0002 发光二极管 (LED) 是一种具有较高电光转换效率的半导体发光器件。目前以氮化 镓 (GaN) 材料为代表的 III-V 族化合物是蓝绿光 LED 的重要材料体系。因其具有寿命长、 体积小、 耐冲击、 不易损坏、 安全环保、 使用电压低、 晶粒可回收、 无荧光灯水银污染等优点， 以及在交通信号灯、 笔记本背光源、 大型 LED 显示器、 背景灯、 路灯、 日光灯、 汽车指示灯等 众多领域中的广泛应用促进了 LED 研发和商用器件的快速发展。目前较低的量子效率是限 制 LED 行业发展的重要因素之一， 其主要原因有。
7、两点， 其一是外延层、 衬底材料以及空气之 间折射率相差较大， 导致发光区产生的光在不同折射率材料截面发生全反射而不能导出芯 片 ； 其二是蓝宝石与 GaN 晶格失配较大， 导致外延晶体缺陷密度较大， 内量子效率低。 0003 目前已经提出了几种可以提高芯片量子效率的方法， 主要包括 ： 改变芯片的几何 外形， 减少光在芯片内部的光程， 降低光的吸收损耗， 如倒金字塔结构 ； 控制和改变自发辐 射， 一般采用谐振腔或光子晶体等结构 ； 采用表面粗化的方法， 使光在粗糙的半导体和空气 截面发生漫反射， 增加其射出的机会等。 0004 为了提高器件的内量子效率， 现在比较多采用图形化衬底的方法实现。
8、。在衬底 上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构的特定规则的图案， 使 GaN 材料由纵向外延 变为横向外延， 从而有效减少 GaN 外延材料的缺陷密度， 减小有源区的非辐射性复合。另 外， 图形化衬底增强了光在 GaN 和衬底界面的散射， 从而增加了光从芯片内部出射的概 率。专利 ZL200410038260.4 中介绍了一种湿法刻蚀实现衬底图形化的方法 ； 专利申请 201010263069.5中介绍了采用等离子体刻蚀方法实现衬底图形化。 然而无论是湿法刻蚀还 是干法刻蚀， 基本都会涉及到沉积、 光刻、 刻蚀、 去胶等步骤， 过程复杂， 无形当中为制作效 果引入了多个影响因素， 如曝光后图。
9、形效果、 保护膜质量等， 以上因素都会影响制作出的准 周期性图形的质量， 且电感耦合等离子体刻蚀机成本较高。 0005 采用激光扫描烧蚀的方法制备图形化衬底不仅可以简化制作过程， 还可以降低生 产成本。鉴于此， 我们提供了一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法。采用飞秒激 光器在衬底表面制作衬底图形， 这种方法不同于普通的激光烧蚀。普通的激光烧蚀仅仅是 在物质表面轰击出激光光斑大小的坑状表面， 且周期均在 1m 以上。本方法可以制备的图 形周期可以小于 1m， 增加表面图形数量， 进一步减少缺陷密度， 且提高外量子效率。 发明内容 0006 本发明提供了一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方。
10、法。 采用飞秒激光直接 在衬底上进行扫描烧蚀， 在衬底表面形成纳米级准周期性结构， 并在该衬底上生长外延层、 制备芯片。这种结构可以提高发光二极管的内量子效率和外量子效率， 从而提高芯片发光 说 明 书 CN 103022277 A 3 2/4 页 4 效率。 0007 一种采用图形化衬底的发光二极管的制备方法包括以下步骤 ： 0008 (1) 清洗衬底 ； 0009 (2) 采用激光烧蚀的方式在衬底表面烧蚀出纳米级准周期性结构 ； 0010 (3) 采用金属有机化学气相沉积方法进行外延层生长， 外延层包括 N 型层、 多量子 阱层和 P 型层 ； 0011 (4) 采用光刻和刻蚀方法在外延层。
11、一侧进行刻蚀直到 N 型层裸露， 形成 Mesa 平 台 ； 0012 (5) 在 P 型层上沉积透明导电层， 其厚度在 100-3000nm ； 0013 (6) 在前一步骤得到的结构上制备电极， 厚度在 1500-2000nm ； 0014 (7) 沉积 SiO2保护层， 厚度在 200-350nm ； 0015 (8) 将晶圆减薄到 100-200m 厚， 切割成分立芯片 ； 0016 其中步骤 (2) 所述激光烧灼为采用飞秒激光器进行的激光扫描烧蚀， 激光脉宽 为 30-150fs， 激光能量密度控制在 0.05-0.9mJ/cm2， 重复频率为 1-20000Hz， 扫描速度为 0.。
12、1-1mm/s。 0017 所述衬底为蓝宝石、 碳化硅或硅。 0018 所述纳米级准周期结构为蒙古包形、 类圆锥形或类圆柱形。 0019 步骤 (2) 所述烧灼过程中衬底置于水中或者气体环境中， 所述气体包括空气、 六 氟化硫、 氢气、 氧气或氮气。 0020 透明导电层材料为氧化铟锡、 氧化锌或金。 0021 电极材料为铝、 铝 / 金、 镍 / 金、 钛 / 金、 铬 / 金、 铬 / 铂 / 金、 镍 / 银 / 镍 / 金。 0022 本发明创新之处在于采用飞秒激光直接在衬底上制作纳米级准周期性图形结构， 这种方法与湿法、 干法刻蚀工艺方法相比工艺简单， 与以往的激光加工方法相比图形尺。
13、寸 更小。 且由于采用激光直接进行扫描烧蚀， 避免了常规的制作方法在进行沉积、 光刻、 刻蚀、 去胶等过程中引入的影响因素。本方法不仅简化了制作过程还降低了生产成本， 在衬底上 形成了准周期性纳米结构， 该微结构可以有效地减少截面反射、 减少内部吸收、 改善外延生 长缺陷， 这些方法可以进一步提高发光二极管的内量子效率和外量子效率， 从而提高芯片 发光效率。 附图说明 0023 图 1 飞秒激光制备纳米级准周期性结构示意图 0024 图 2 蓝宝石衬底纳米级准周期性结构完成后的示意图 0025 图 3 完成生长后的外延片示意图 0026 图 4Mesa 平台完成后的示意图 0027 图 5 透。
14、明导电层完成后的示意图 0028 图 6 电极完成后的示意图 0029 图 7 保护层完成后的示意图 0030 其中 ： 10- 蓝宝石衬底， 11- 纳米级准周期性结构， 20- 外延层， 30-Mesa 平台， 40- 透明导电层， 50- 电极， 60- 保护层， 300- 激光， 301- 三维平移台 说 明 书 CN 103022277 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0031 下面以蓝宝石衬底为例， 结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。 0032 实施例 1 0033 1、 用 H2SO4:H2O2清洗蓝宝石衬底。 0034 2、 将蓝宝石衬底固定在三维平移台上 ； 校正。
15、激光入射方向， 使激光垂直衬底表面 入射， 因为此时的激光形成的等离子体对激光能量吸收效率最高 ； 在衬底表面烧灼出纳米 级准周期性结构， 形状为凸起的类圆锥形 ； 选用的飞秒激光脉宽为 30fs， 能量为 0.05mJ/ cm2， 重复频率为 1KHz， 扫描速度为 0.1mm/s。该过程中衬底位于氮气气氛中。 0035 3、 通过 MOCVD 生长外延层， 包括 N 型层、 多量子阱层和 P 型层。 0036 4、 通过光刻和刻蚀方法在外延层一侧进行刻蚀直到 N 型层裸露， 形成 Mesa 平台， 刻蚀厚度为 2.0m。 0037 5、 在 P 型层上制作 ITO 透明导电层， 厚度为 3。
16、50nm， 蒸镀时通入氧气的流量为 3sccm ； 在 500退火 15 分钟， 退火后透明导电层对 462nm 光的透射率大于 90， 片电阻小 于 20/cm2。 0038 6、 制作铝 / 金电极， 厚度为 1500nm。 0039 7、 沉积厚度为 200nm 的 SiO2保护层。 0040 8、 最后研磨晶圆至 100m 厚， 切割成分立芯片。 0041 实施例 2 0042 1、 用 H2SO4:H2O2清洗蓝宝石衬底。 0043 2、 将蓝宝石衬底固定在三维平移台上 ； 校正激光入射方向， 使激光垂直衬底表面 入射， 因为此时的激光形成的等离子体对激光能量吸收效率最高 ； 在衬底。
17、表面烧灼出纳米 级准周期性结构， 形状为凸起的蒙古包形 ； 选用的飞秒激光脉宽为90fs， 能量为0.5mJ/cm2， 重复频率为 10KHz， 扫描速度为 0.5mm/s。该过程中衬底位于空气中。 0044 3、 通过 MOCVD 生长外延层， 包括 N 型层、 多量子阱层和 P 型层。 0045 4、 通过光刻和刻蚀方法在外延层一侧进行刻蚀直到 N 型层裸露， 形成 Mesa 平台， 刻蚀厚度为 2.0m。 0046 5、 在P型层上制作氧化锌透明导电层， 厚度为3000nm ； 在500退火15分钟， 退火 后透明导电层对 462nm 光的透射率大于 90， 片电阻小于 20/cm2。 。
18、0047 6、 制作镍 / 金电极， 厚度为 1700nm。 0048 7、 沉积厚度为 280nm 的 SiO2保护层。 0049 8、 最后研磨晶圆至 150m 厚， 切割成分立芯片。 0050 实施例 3 0051 1、 用 H2SO4:H2O2清洗蓝宝石衬底。 0052 2、 将蓝宝石衬底固定在三维平移台上 ； 校正激光入射方向， 使激光垂直衬底表面 入射， 因为此时的激光形成的等离子体对激光能量吸收效率最高 ； 在衬底表面烧灼出纳米 级准周期性结构， 形状为凸起的类圆柱形 ； 选用的飞秒激光脉宽为 150fs， 能量为 0.9mJ/ cm2， 重复频率为 20KHz， 扫描速度为 1。
19、mm/s。该过程中衬底位于水中。 0053 3、 通过 MOCVD 生长外延层， 包括 N 型层、 多量子阱层和 P 型层。 说 明 书 CN 103022277 A 5 4/4 页 6 0054 4、 通过光刻和刻蚀方法在外延层一侧进行刻蚀直到 N 型层裸露， 形成 Mesa 平台， 刻蚀厚度为 2.0m。 0055 5、 在 P 型层上制作金透明导电层， 厚度为 100nm ； 在 500退火 15 分钟， 退火后透 明导电层对 462nm 光的透射率大于 90， 片电阻小于 20/cm2。 0056 6、 制作铬 / 铂 / 金电极， 厚度为 2000nm。 0057 7、 沉积厚度为 350nm 的 SiO2保护层。 0058 8、 最后研磨晶圆至 200m 厚， 切割成分立芯片。 说 明 书 CN 103022277 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3图 4 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103022277 A 7 。