[发明专利]蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置。

背景技术

发光二极管(LED)因为其能量转换效率高、寿命长而被广泛地用于 各种照明设备、灯饰(illumination)、电子设备等中。能够发出可见光的 LED主要用AlGaInN(之后以GaN代表之)或由AlGaInP构成的III-V族 化合物半导体材料制作。GaN在发绿光、蓝光以及紫外光的LED中使用； AlGaInP在发红光、橙光以及黄光的LED中使用。

现在，从成本、质量等角度考虑，让GaN晶体在蓝宝石(Al₂O₃)衬 底上生长。但是，使之在蓝宝石衬底上生长的GaN层，因为蓝宝石晶格 和GaN晶格之间的晶格不匹配，在GaN的结晶过程中会出现起高密度非 发光再结合中心之作用的螺型穿透错位，结果便出现了光输出(外量子效 率)减少，耐久寿命降低，漏电流增加等现象。

在蓝色域的波长下，GaN的折射率约为2.4，蓝宝石衬底的折射率约 为1.8，GaN和蓝宝石衬底的折射率差大，从InGaN/GaN多量子阱层发出 的光的大约70％受全反射的限制被关在包括多量子阱层的GaN层中，该 大约70％的光在GaN层中进行传播的过程中被多量子阱层自己吸收或者 被电极等吸收，最终被转换成热。也就是说，出现以下现象，即由于折射 率差产生全反射，受该全反射的限制导致LED的光提取效率大幅度下降。

为减少这样的螺型穿透错位并为提高光提取效率，事先对蓝宝石衬底 的让GaN层生长的面进行蚀刻，形成凹凸，制作所谓的已被图案化的蓝 宝石衬底(PSS)，再利用该PSS让GaN层和AlGaN层生长。上述技术 已有公开(例如专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许公报第3595277号公报

发明内容

-发明要解决的技术问题-

然而，专利文献1中所公开的现有PSS，是在多条平行槽规则排列在 蓝宝石衬底的一面上而成，或者由拱顶型、圆柱状、四棱柱或六角形等几 何图形组成的图案设置在蓝宝石衬底的一面上而成。

为制作这样的规则图案，一般情况下，需要制作图案已被设计好不会 导致内量子效率下降的光掩膜，使用高价的曝光装置进行很多工序，或者 制作模具，使用纳米压印装置进行很多工序，这将成为LED元件制造成 本升高的主要原因。

周期性图案会产生光提取效率对方向的依赖性，从LED元件发出的 光的配光性具有各向异性。也就是说，在图案的周期排列与GaN层中的 光的传播方向正交的情况下，从LED元件表面提取光的光提取效率提高； 在周期排列与GaN层中的光的传播方向平行的情况下，光提取效率大致 和普通的平表面蓝宝石衬底一样大。

这样一来，就现有技术下的具有规则图案的PSS而言，制造成本就 有可能升高。而且，由于光提取效率的各向异性，从LED元件发出的光 的配光性就各向异性，而有碍于将该LED元件用在需要高效率且均匀发 光的照明、电子设备等中。

本发明正是为解决上述问题而完成的，其目的在于：提供一种简单且 廉价地制造蓝宝石衬底的方法，用该蓝宝石衬底制作的半导体装置，LED 元件的配光性的各向异性少、光提取效率高。

-用以解决技术问题的技术方案-

为解决上述问题，本发明中的蓝宝石衬底的制造方法包括以下工序， 工序A，将金属蒸镀在蓝宝石薄板的一面上；工序B，在所述工序A之后， 对所述蓝宝石薄板进行热处理以使所述金属成为微粒状态；以及工序C， 以所述微粒状态的金属为掩膜对所述蓝宝石薄板的所述一面进行蚀刻。

在所述工序A中，能够使所述金属的厚度在1nm以上20nm以下。

在所述工序C中，能够在所述一面形成多个凸起，多个所述凸起设 置在所述一面的随机位置上且各个所述凸起具有从底部朝向顶部越来越 细的形状，能够使所述凸起的顶部的平面的面积在0μm²以上0.05μm²以 下。

能够使所述凸起的底面的长径在100nm以上1μm以下，短径在50nm 以上0.5μm以下，能够以1×10⁶个/cm²以上5×10¹⁰个/cm²以下的密度布 置所述凸起。

能够使所述凸起的侧面为曲面。