[发明专利]一种图形化衬底

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种用于生长GaN外延片的图形化衬底。

背景技术

以GaN以及InGaN， AlGaN为主的Ⅲ/Ⅴ氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9～6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器，发光二极管等等光电子器件的最优选材料。

由于GaN 单晶制备困难，又很难找到与GaN 晶格匹配的材料，通常氮化物光电子器件都是制备在蓝宝石衬底上。而蓝宝石与GaN 材料晶格常数相差约15 % ，热膨胀系数和化学性质也相差较大。大的失配使在蓝宝石衬底上生长的氮化物外延层缺陷密度较大，这些缺陷会向后向相邻窗口漫延，从而使InGaN 有源区的缺陷密度增大，据报道在10⁹ cm^～ 2～10¹² cm^～2数量级。线缺陷的存在为Mg 的扩散提供路径，同时增大了电子从多量子阱泄漏的几率，从而影响器件的寿命和发光效率。当发光波长为410nm 时，GaN 材料和蓝宝石之间光的全反射角arctan(2154/ 1179) 为44.8°，这使得有源区产生近90 %的光被限制在器件内，经多次反射而被吸收，这样即增加了LED 的发热量，也使其发光亮度减弱。因此，如何在基于蓝宝石衬底的基础上提高器件生长质量成为了制约LED器件发展的关键问题。

为了减少缺陷密度，增大光提取效率，提高发光二极管的亮度及可靠性，延长其寿命，研究人员采用了各种办法。其中，侧向外延技术是较为成功的一种，它被认为是降低位错密度，提高生长GaN晶体质量的有效手段。

图1是侧向外延所需形成的材料结构，如图1所示，侧向外延需使用制备成如下结构的衬底。蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上的2～10微米的GaN层，以及长在GaN层上的100～500nm厚，5～10微米宽的SiO₂薄膜条。在这样的GaN/SiO₂间或的表面上再使用MOCVD生长厚膜GaN材料。

使用侧向外延技术，SiO₂条之下的GaN层中的位错会被SiO₂条遮挡，从而不会达到样品表面，只有SiO₂条之间的位错有机会透过SiO₂条穿透到样品表面，如图2所示，图2是侧向外延位错减少的生长示意图与生长厚SEM图片。因此，其应用减少了外延生长GaN 材料的位错密度，有效提高了GaN 材料的晶体质量和器件性能。但是侧向外延技术主要是针对生长厚膜GaN（超过20微米厚）时所使用的技术，在蓝绿光LED外延应用中，由于其需要2～10微米的GaN层，而LED外延片中GaN一共厚度只有3～5微米，因此，其并不适用于LED外延。

近年来，图形化衬底（Patterned Structure Substrates）技术逐渐流行起来。

图形化衬底主要结构如图3所示，在蓝宝石衬底表面上，利用光刻与干法刻蚀技术形成遍布一个个圆锥形蓝宝石突起的图形化蓝宝石表面。圆锥形突起的底面半径尺寸在3.0微米到5微米之间，高度在1.0微米到1.5微米之间。圆锥中轴线之间的距离在4～6微米之间。

然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延，图形化的界面改变了GaN材料的生长过程。表面的图形为GaN生长提供了多种生长晶向的选择，而GaN沿图形表面生长速率不同，从而达到了使晶格失配位错在衬底生长区发生弯曲并合拢，有效的抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率； PSS衬底技术以其简单的工艺，成为了各大LED生产研发企业开发高亮度大功率LED器件的首选衬底材料。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种图形化衬底产品，本发明利用异质材料（异于蓝宝石和GaN的材料）制备周期性图形，代替传统图形化衬底表面刻蚀形成的蓝宝石图形；或该异质材料与蓝宝石按一定比例分层共同构成蓝宝石表面的周期性图形。该异质材料的特点是可以在蓝宝石衬底上利用生长或溅射、沉积的方式形成薄膜。该材料具备抗高温的特点，可以在800度以上的高温生长时不分解，可以以单晶体材料的形式存在。其折射率与GaN相比有较大差别。该材料如SiO₂，Si₃N₄，SiC，Si，ZnO，GaAs系列材料等材料。

为达上述目的，本发明的一种图形化衬底，采用以下的技术方案：