图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。     

LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用。采用感应耦合等离子体(ICP)技术对涂覆有光刻胶阵列图案的蓝宝石衬底进行刻蚀。通过研究及优化不同ICP刻蚀工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响,分别成功制备出蒙古包形和圆锥形图形化蓝宝石衬底片,并在其表面完成InGaN/GaN多量子阱外延及芯片工艺。借助光致发光和电致发光等手段测试其LED器件的光电学性能。实验结果发现圆锥形的图形化蓝宝石衬底拥有更强的光功率和更窄的半峰宽,说明这种形貌的衬底在GaN外延时有效减少了晶格失配造成的缺陷,提高了晶体质量,从而更有效地增加LED出光效率。     

LED蓝宝石图形化衬底的研究进展及发展趋势

图形化蓝宝石衬底作为GaN基LED照明外延衬底材料,由于其能降低GaN外延薄膜的线位错密度和提高LED的光萃取效率的显著性能在近几年来引起国内外许多科研机构和厂商的广泛兴趣。从衬底的制备工艺、图形尺寸角度出发,综述了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。     

腔室状态对图形化蓝宝石衬底刻蚀工艺的影响

图形化蓝宝石衬底是近年来针对高度发光二极管的应用要求发展起来的一种新技术。通过利用自主研制的工业化感性耦合等离子体刻蚀机对图形化蓝宝石衬底的刻蚀工艺进行了研究。采用光学发射光谱仪和扫描电镜研究了PSS生产过程中腔室状态的变化对蓝宝石的刻蚀速率、选择比和图形形貌的影响。研究结果表明:随着反应腔累积放电时间的增加,刻蚀速率呈现下降趋势,选择比呈先上升然后下降的趋势。该趋势由反应腔室内表面上的沉积物所引起。     

图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展

蓝宝石衬底作为发光二极管最常用的衬底,经过不断发展,在克服其与GaN间晶格失配和热膨胀失配问题上,研究人员不断提出解决方案。近期发展起来的图形化衬底技术,除了能减少生长在蓝宝石衬底上GaN之间的差排缺陷,提高磊晶质量以解决失配问题,更能提高LED的出光效率。从衬底图形的形状、尺寸、制备工艺出发,回顾了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,详细介绍了近年来关于图形化衬底技术与其他技术在提高LED性能方面的结合,总结了图形化蓝宝石衬底应用于大尺寸芯片的优势,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。     

图形化蓝宝石衬底结构对GaN基LED发光性能的影响

为了研究图形化蓝宝石衬底(PSS)的结构和形貌对GaN基发光二极管(LED)光学性能的影响,对PSS的制备工艺和参数进 行了调控,从而 形成具有不同填充因子的蒙古包形PSS(HPSS)和金字塔形PSS(TPSS)两种衬底,用于生长 和制备蓝光LED 芯片。通过对TPSS-LED的光学性能测试和分析得到,随着PSS填充因子的增大, LED的 光输出功 率也增大;进而比较具有相同填充因子的HPSS和TPSS的光学性能表明,HPSS明显优于TPSS。 因此, PSS填充因子的增大,能够提高LED的光输出功率;优化PSS的结构可以改善LED中光出射途径 ,从而更有效提高LED的光发射效率。     

碳化硅ICP刻蚀的掩膜材料北大核心

SiC材料由于具有非常强的化学稳定性与机械硬度,不能用酸或碱性溶液对其进行腐蚀,在MEMS制备工艺中,通常采用干法刻蚀来制备SiC结构。针对干法刻蚀中遇到的问题,比较了光刻胶、Al和Ni等多种掩膜材料对SiC刻蚀的影响以及SiC与掩膜材料的选择比。实验证明,光刻胶作为掩膜,与SiC的选择比约为1.67,并且得到的台阶垂直度较差。Al与SiC的选择比约为7,但是致密性差,并且有微掩膜效应。金属Ni与SiC的选择比约为20,并且得到的台阶比较垂直且刻蚀形貌良好。最后,使用Ni作为掩膜材料对SiC压阻式加速度传感器的背腔和压敏电阻进行了电感耦合等离子体(ICP)刻蚀。     

基于BCl3感应耦合等离子体的蓝宝石光滑表面刻蚀

利用Ar/BCl3、Cl2/BCl3和SF6/BCl3感应耦合等离子体(ICP),研究了蓝宝石(Al2O3)材料的干法刻蚀特性.实验表明,优化BCl3含量(80%),可以提高对Al2O3衬底的刻蚀速率;在BCl3刻蚀气体中加入20%的Ar气可以在高刻蚀速率下同时获得优于未刻蚀Al2O3衬底表面的光滑刻蚀表面和较好的刻蚀侧壁,原子力显微镜(AFM)分析得到最优刻蚀平整度为0.039 nm,俄歇电子能谱(AES)分析其归一化Al/O原子比为0.94.     

基于胶体球掩模板法制备图形化蓝宝石衬底

制备并研究了纳米级图形化蓝宝石衬底.采用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积 SiO2薄膜,利用自组装方法在SiO2薄膜上制备单层聚苯乙烯(PS)胶体球阵列,利用感应耦合等离子体干法刻蚀将周期性PS胶体球的图形转移到SiO2薄膜上,通过湿法腐蚀制备了纳米级图形化蓝宝石衬底.利用扫描电子显微镜对胶体球掩膜、SiO2纳米柱掩膜和图形化蓝宝石衬底结构进行了观察,研究了湿法腐蚀蓝宝石衬底的中间产物对刻蚀的影响,分析了腐蚀温度和腐蚀时间对蓝宝石衬底的影响.结果表明,湿法腐蚀的中间产物会降低蓝宝石衬底的刻蚀速率.蓝宝石衬底的腐蚀速率随着腐蚀温度的升高而加快;在同一腐蚀温度下,随着腐蚀时间的增加,图形尺寸进一步减小.     

ICP技术在化合物半导体器件制备中的应用

介绍了ICP刻蚀工艺技术原理和在化合物半导体器件制备中的应用,包括ICP刻蚀技术中的低温等离子体的形成机理、等离子体与固体表面的相互作用等,并对影响ICP刻蚀结果的因素进行了分析.研究了不同的工艺气体配比、腔体工作压力、ICP源功率和射频源功率对刻蚀的影响,并初步得到了一种稳定、刻蚀表面清洁光滑、图形轮廓良好、均匀性较好和刻蚀速率较高的干法刻蚀工艺.     

GaN基LED的图形衬底优化研究

设计了方形和阶梯状两大类的图形化蓝宝石衬底(PSS), 使用Crosslight公司的工艺软件CSuprem建立了三维的方形和阶梯状两类图形衬底GaN LED器件, 然后使用APSYS软件模拟计算出它们的光电特性。并且对方形图形衬底的刻蚀深度进行了优化, 通过对模拟结果的比较得到刻蚀深度与边长的比值为0.4时, 这种方形图形衬底GaN LED的光提取效率最高, 且比平面衬底提高了20.13%。对阶梯状图形衬底的阶梯层数进行了比较, 发现随着阶梯层数的增加, 光提取效率也随着增加, 阶梯状层数为5时, 光提取效率比平面衬底提高了30.03%。并对方形PSS LED进行了实验验证。     

GaN外延用蓝宝石衬底的图形化研究进展

因蓝宝石具有良好的稳定性能,且其生产技术成熟,是目前异质外延GaN应用最广泛的衬底材料之一.采用图形化蓝宝石衬底技术可以降低GaN外延层材料的位错密度,提高LED的内量子效率,同时提高LED出光效率提高,近年来引起了国内外的广泛关注.概述了图形化蓝宝石衬底的研究进展,包括图形化蓝宝石衬底的制备工艺、图形尺寸、图形形状及图形化蓝宝石衬底的作用机理;详细介绍了凹槽状、圆孔状、圆锥形、梯形和半球状5种图形形状,并分析了GaN材料在不同图形形状的图形化蓝宝石衬底上的生长机理及不同图形形状对GaN基LED器件性能的影响.对图形化蓝宝石衬底技术的研究方向进行了展望,提出了亟待研究和解决的问题.     

图形蓝宝石衬底GaN基发光二极管的研制

采用抗刻蚀性光刻胶作为掩膜,并利用光刻技术制作周期性结构,进行ICP干法刻蚀C面(0001)蓝宝石制作图形蓝宝石衬底(PSS);然后,在PSS上进行MOCVD制作GaN基发光二极管(LED)外延片;最终,进行芯片制造和测试。PSS的基本结构为圆孔,直径为3μm,间隔为2μm,深度为864 nm,呈六角形分布。与同批生长的普通蓝宝石衬底(CSS)GaN基LED芯片相比,PSS芯片的光强和光通量比CSS分别提高57.32%和28.33%(20 mA),并可减小芯片的反向漏电流,且未影响芯片的波长分布和电压特性。     

Growth and Characterizations of GaN-Based LEDs Grown on Wet-Etched Stripe-Patterned Sapphire Substrates

The material and electrical properties of GaN-based light-emitting diodes (LEDs) grown on wet-etched stripe-patterned substrates were investigated. Footprint-like patterns, located directly above the inclined groove sidewalls, were found on the as-grown LED surface. Cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) showed that ‘tumor’-like structures with poor crystal quality were initiated on the inclined sidewalls, seeding dislocation bundles in the subsequently grown crystal. The high dislocation density slowed down the growth above the inclined sidewall, resulting in the uneven morphology. The fabricated devices showed over 30% enhancement in light output power as a result of improvements in both internal and extraction efficiencies.     

6H-SiC体材料在SF_6/O_2混合气体中的ICP刻蚀

采用SF6/O2作为刻蚀气体,对单晶6H-SiC材料的感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺进行了研究。分析了ICP功率、偏置电压、气体混合比等工艺参数对刻蚀速率和刻蚀质量的影响。结果表明,刻蚀速率随着ICP功率及偏置电压的增大而提高,刻蚀表面质量随偏置电压及O2的含量的增大而降低,而ICP功率的变化对刻蚀质量影响不大。混合气体中O2含量为20%时刻蚀速率达到最大值,同时加入氧气后形成易于充电的SiFxOy中间层,从而促进了微沟槽的形成。     

图形化蓝宝石衬底形貌对GaN基LED出光性能的影响

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用.通过干法刻蚀和湿法腐蚀制备了不同规格和形状的蓝宝石衬底图形,并进行外延生长、芯片制备和封装验证,采用扫描电子显微镜(SEM)和3D轮廓仪进行形貌表征,研究了不同规格和形状的衬底图形对LED芯片出光性能影响,并与外购锥形衬底(PSSZ2)进行对比.结果表明,在20 mA工作电流下,PSSZ2的LED光通量为8.33 lm.采用类三角锥和盾形衬底的LED光通量分别为7.83 lm和7.67 lm,分别比PSSZ2衬底低6.00％和7.92％.对锥形形貌进行优化,采用高1.69 μm、直径2.62 μm、间距0.42 μm的锥形衬底(PSSZ3)的LED光通量为8.67 lm,比PSSZ2衬底高4.08％,优化的PSSZ3能有效地提高LED出光性能.