专利名称：硅衬底GaN基LED结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及LED (Light Emitting Diode，发光二极管)制造领域，更具体的说是涉及一种Si (硅)衬底氮化镓GaN基LED结构及其制作方法。
背景技术：
随着进入21世纪以来节能环保这一新兴概念也在LED (Light Emitting Diode，发光二极管)行业开始升温。而以GaN(氮化镓)基LED为基础器件的白光LED技术也得到了迅猛发展。以GaN蓝光LED芯片作为激发源的白光LED单灯光源效率已达到130流明/瓦以上，远远超过了普通节能灯的光效，LED技术已开始全面进入通用照明市场。随着GaN基 LED应用范围的进一步扩大，对LED器件发光效率的要求也越来越高，各种新的外延方法、 新的芯片制作工艺、新的器件结构不断推陈出新，或者是提升现有结构的利用效率，以此来达到不断提升GaN LED出光效率和出光特性的目的。目前，在现有技术中能够用于GaN基LED器件其外延的主流衬底材料主要为蓝宝石(A1203)。但是，由于蓝宝石材质不导电且硬度过高，在加工的过程中进行取材、切割、研磨等工艺使难度较大、效率较低，且由于蓝宝石作为衬底时要求表面光洁度在纳米级以上， 所以研磨时难度更大。因此，在利用蓝宝石作为衬底时，由于制作工艺过程较为复杂及难度较大，成本高，而且在由于蓝宝石衬底的加工特性不良，通常是平面的衬底应用，因而蓝宝石衬底上生长平面GaN LED结构后，由于GaN材料的折射率远高于空气，GaN材料与空气界面的全反射效应严重地影响了出光特性，从而使得LED的出光分布不均勻，降低LED的出光效率，进而影响LED的出光品质。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Si (硅)衬底GaN基LED结构及其制作方法，以克服现有技术中使用蓝宝石衬底加工难度大，成本高，而且只能制作平整地衬底，使得生长的 GaN LED外延结构为平面结构，进而GaN材料与空气界面的全反射效应严重恶化LED出光特性的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种硅Si衬底氮化镓GaN基发光二极管LED结构，包括Si衬底，衬底表面为Si的非(111)系晶面；曝露于所述非(111)系晶面表面，与所述非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面；生长于所述(111)系晶面的GaN基LED外延结构。优选地，所述非(111)系晶面包括(100)系晶面；所述(100)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为45度。优选地，所述非(111)系晶面包括(110)系晶面；
所述(110)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为90度。优选地，所述Si衬底包括绝缘或高掺杂导电的Si。优选地，包括两个以上的所述(111)系晶面呈相交结构。或，所述(111)系晶面之间不相交。优选地，还包括设置于所述非(111)系晶面表面上的集成电路；优选地，还包括生长于不相交的所述(111)系晶面之间的所述非(111)系晶面表面上的GaN基LED外延结构。优选地，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括由氮化铝AlN或GaN中的任意一种或两种的交错结合构成的半导体缓冲层；至少一层N型ΑΙ^ρ^Ν材料构成的第一半导体层，其中，0彡χ彡1， 0 ^ y ^ 1 ；至少一对GaNAny^vyN量子阱结构构成的光发射层，其中，0 ^y ^ 1 ；至少一层P型Aldr^GiimN材料构成的第二半导体层，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1。优选地，所述第一半导体层由至少两层N型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中， 0彡χ彡1，0彡y彡1，且每层为不同χ与y的组分；所述第二半导体层由至少两层P型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1， 1，且每层为不同χ与y的组分。优选地，所述第一半导体层、所述光发射层和所述第二半导体层的厚度总范围为 1 10微米。优选地，所述Si衬底GaN基LED结构和/或集成电路构成的GaN基LED器件为单颗芯片；或者，所述Si衬底GaN基LED结构和/或集成电路构成的GaN基LED器件阵列， 所述阵列为一维阵列或二维阵列。一种硅Si衬底氮化镓GaN基发光二极管LED的制作方法，包括在作为衬底的硅Si的非(111)系晶面上掩膜；基于掩膜，利用选择性腐蚀液对所述非(111)系晶面进行刻蚀，获取曝露于所述非(111)系晶面表面外，与所述非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面；并在所述(111)系晶面上生长GaN基LED外延结构。优选地，所述选择性腐蚀液包括KOH, NaOH, LiOH, NH40H, TMAH, EDP, N<CH3>40H, <CH3>3N<CH2CH20H>0H, KOH :isopropyl alcohol, NaOH :isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iso-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 :C6H4<0H>2 或 CsOH。优选地，所述掩膜包括条形掩膜；所述条形掩膜宽度的范围为5 μ m 1500 μ m ；掩膜间距的范围为5μπι 1500μπι ；所述条形掩膜边长方向平行于Si的<110>系晶向。优选地，所述掩膜包括方形掩膜；所述方形掩膜宽度的范围为5μπι 1500μπι;
掩膜间距的范围为5 μ m 1500 μ m ；所述方形掩膜边长方向平行于Si的<110>系晶向。优选地，当所述非(111)系晶面为(100)系晶面时，所述(100)系晶面与所述 (111)系晶面所呈预设角度为45度；当所述非(111)系晶面为(110)系晶面，所述(110)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为90度。优选地，在所述(111)系晶面上生长GaN基LED外延结构之后，还包括在所述掩膜的区域内的所述非(111)系晶面表面上制作的集成电路。优选地，生长GaN基LED外延结构的具体过程包括按照对应晶面刻蚀所述(111)系晶面；基于所述GaN LED结构淀积由氮化铝AlN或GaN中的任意一种或两种的交错结合构成的半导体缓冲层；淀积至少一层N型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第一半导体层于所述半导体缓冲层上，其中，0 ^ χ ^ 1,0 ^ y ^ 1 ；淀积至少一对GaNAny^vyN量子阱结构构成的光发射层于所述第一半导体层上， 其中，0 ^ y ^ 1 ；淀积至少一层P型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第二半导体层于所述光发射层上，其中，0 ^ χ ^ 1,0 ^ y ^ I0优选地，所述第一半导体层由至少两层N型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中， 0彡χ彡1，0彡y彡1，且每层为不同χ与y的组分；所述第二半导体层由至少两层P型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1， 1，且每层为不同χ与y的组分。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种Si (硅)衬底GaN 基LED及其制作方法。通过利用硅Si作为衬底，并基于曝露于作为衬底表面的M的非 (111)系晶面表面外的(111)系晶面，生成GaN基LED外延结构。通过基于Si自身的加工特性好、导电且导热性好的优点，利用其作为衬底并通过本发明的器件机构及制作方法，使得在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上，其具有更大的发光面积，在各个方向上的出射光更加均勻，进一步根据衬底具有不同倾斜角度的表面且相交，使得其上GaN基LED外延结构出光受界面全反射效果的影响被减弱，可提升LED 的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本发明实施例中公开的Si的晶体结构；图2为本发明实施例一公开的(100)系晶面Si衬底上GaN基LED结构示意图；图3为本发明实施例公开的GaN基LED外延结构的示意图4为本发明实施例公开的条形掩膜示意图；图5为本发明实施例公开的GaN基LED光强曲线；图6为现有技术中的GaN基LED光强曲线；图7为本发明实施例二公开的(110)系晶面Si衬底上GaN基LED结构示意图；图8为本发明实施例二公开的方形掩膜示意图；图9为本发明实施例三公开的(100)系晶面Si衬底上GaN基LED结构示意图；图10为本发明实施例三公开的(100)系晶面Si衬底上GaN基LED阵列结构示意图；图11为本发明实施例四公开的(110)系晶面Si衬底上GaN基LED结构示意图；图12为本发明实施例四公开的(110)系晶面Si衬底上GaN基LED阵列结构示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。由背景技术可知，现有技术中在制作以GaN(氮化镓)基LED(Light Emitting Diode,发光二极管)为基础器件的白光LED时，利用蓝宝石作为衬底时，由于制作工艺过程较为复杂及难度较大，成本高，而且在由于蓝宝石衬底的加工特性不良，通常是平面的衬底应用，因而蓝宝石衬底上生长平面GaN LED结构后，由于GaN材料得折射率远高于空气，GaN 材料与空气界面的全反射效应严重地影响了出光特性，从而使得LED的出光分布不均勻， 降低LED的出光效率，进而影响LED的出光品质。因此，本发明实施例提供了一种基于导电、导热性好，以及加工特性好的Si(硅) 作为衬底。利用其作为衬底并通过本发明的器件机构及制作方法，使得在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上，其具有更大的发光面积，而且在各个方向上的出射光更加均勻，进一步根据衬底具有不同倾斜角度的表面且相交，使得其上GaN基LED外延结构出光受界面全反射效果的影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。其中，在本发明中作为衬底的S i的晶体结构为立方相的闪锌矿结构， 为方便对本发明中给出的各个实施例进行描述，如图1所示，定义晶面晶向沿 <111><ιΤι><ΤιΤ><Τιι><ιΤι><ιΤΤ><ΤΤΤ><ΤΤι> 等晶向的晶面
为(111)系晶面，对应的晶面作为衬底表面的Si衬底为(111)系晶面Si衬底，相应晶向为<111>系晶向；定义其它晶向的晶面为非(111)系晶面，相应晶面作为衬底表面的Si衬底为非(111)系晶面Si衬底，其中，如晶面晶向沿 <001 ><00T><010><οTο>< 100><T00>等晶向的晶面为(ιοο)系晶面，对应晶面作为衬底表面的Si衬底为(100)系晶面Si衬底，相应晶向为<100>系晶向；而如晶面晶向沿 <110><TTo><no><Tio><oil><oil><101><ToT><011> <0丁1"><1"01><101">等晶向的晶面为(no)系晶面，对应晶面作为衬底表面的Si衬底为(110)系晶面Si衬底，相应晶向为<110>系晶向。基于上述Si的立方晶体的晶面结构，本发明实施例的核心为在Si的非(111)系晶面衬底上曝露出与衬底表面倾斜相交Si的(111)系晶面，然后在曝露出来的Si的(111) 系晶面上生长GaN基LED的外延结构。其中，利用Si作为衬底，其中衬底表面为Si的非
(111)系晶面；曝露于所述非(111)系晶面表面，与所述非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面；生长于所述(111)系晶面的GaN基LED外延结构。根据不同Si 的非(111)系晶面作为衬底的具体结构通过以下实施例进行说明。实施例一如图2所示，Si衬底的表面为Si的(100)系晶面，即所述非(111)系晶面为(100) 系晶面。其中所述Si衬底可以为绝缘或高掺杂导电的Si。在该Si衬底的(100)系晶面1上进行掩膜，该掩膜可以是条形掩膜、矩形、平行四边形，也可以是方形掩膜，在本发明公开的该实施例一中使用的是如图4所示的条形掩膜 8，该条形掩膜8的宽度为20微米，掩膜间距为20微米，且该条形掩膜的边长方向平行于Si 衬底<110>系晶向。需要说明的是，对于掩膜的宽度与间距本发明并不仅限于此。基于该条形掩膜8，通过使用对Si的(111)系晶面2具有选择腐蚀作用的腐蚀液将Si衬底的(111)系晶面2腐蚀暴露出来，曝露出来的(111)系晶面2至少有两个，且各个(111)系晶面之间可以相交也可以不相交。在腐蚀的过程中按照一定角度进行，使其与衬底表面(100)系晶面1呈预设角度， 该预设角度在本发明所公开的该实施例中为45度角。除去掩膜后，针对暴露出来的具有一定的角度的Si衬底的(111)系晶面2，在其上即在倾斜的(111)系晶面2上生长GaN基LED的外延结构3。具体的生长技术一般包括选择外延和横向外延生长等。需要说明的是，上述可选择的腐蚀液包括K0H，NaOH, LiOH, CsOH, NH40H, TMAH, EDP, N(CH3)40H, (CH3)3N(CH2CH20H)OH, KOH isopropyl alcohol, NaOH isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iso-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 C6H4(0H)2等腐蚀液。在本发明所公开的实施例一中所采用的是44%浓度的KOH腐蚀液。 在利用腐蚀液进行腐蚀时，基于该44%浓度的KOH腐蚀液在115度的温度下对(100)系晶面1进行腐蚀，获取具有45度倾斜度的(111)系晶面2。然后利用MOCVD设备，采用选择外延技术在Si衬底(111)系晶面2上生长如附图3所示的GaN基LED的外延结构，另外，当曝露的(111)系晶面2中存在两两不相交的(111)系晶面2，可以在不相交的(111)系晶面2之间的(100)系晶面表面上，通过横向外延技术生长如附图3所示的 GaN基LED外延结构。即如需要可以通过横向外延技术在(111)系晶面之间的(100)系晶面上生长GaN基LED的外延结构，此时(100)系晶面上的Si02掩模不去除。如图3所示，该GaN基LED的外延结构依次由下至上主要包括半导体缓冲层4、 第一半导体层5、光发射层6和第二半导体层7。其中，半导体缓冲层4由氮化铝AlN或GaN中的任意一种或两种的交错结合构成。第一半导体层5至少由一层N型Aldr^GiinN材料构成，其中，0彡χ彡1， 0 ^ y ^ I0光发射层6至少由一对GaNAny^vyN量子阱结构构成，其中，0彡y彡1。
第二半导体层7至少由一层P型ΑΙ^ρ^Ν材料构成的，其中，0彡χ彡1， 0 ^ y ^ I0需要说明的是，当该第一半导体层5由至少两层N型ΑΙ^ρ^Ν材料构成时，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1，且每层为不同χ与y的组分。当该第二半导体层7由至少两层P型AlxIny(iai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1， 1，且每层为不同χ与y的组分。其中，所述第一半导体层5、所述光发射层6和所述第二半导体层7的厚度总范围为1 10微米。通过上述本发明公开的Si衬底GaN基LED结构构成的GaN基LED器件可以为单颗芯片，也可以为GaN基LED阵列，且该阵列可以为一维阵列，也可以为二维阵列，本发明对此并不进行限定。基于上述本发明实施例一公开的Si衬底GaN基LED结构，在芯片制作完成后，整个器件的出光特性可以提升40%左右，而且芯片出射光光强曲线9相比于普通GaN LED结构的光强曲线10更加均勻，如附图5和附图6所示。因此，通过上述本发明公开的利用Si 作为衬底，在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上， 使其具有更大的发光面积，在各个方向上的出射光更加均勻，且根据衬底的倾斜角度不同具有界面，使得GaN基LED外延结构对出光的全反射效果受界面影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。另外，由于Si的成本相较于现有技术中的蓝宝石材质低很多，因此，更进一步的降低了整个LED器件的制作成本。实施例二如图7所示，Si衬底的表面为Si的(110)系晶面，即所述非(111)系晶面为(110) 系晶面11。其中所述Si衬底可以为绝缘或高掺杂导电的Si。在该Si衬底的(110)系晶面11上进行掩膜，该掩膜可以是条形掩膜、矩形、平行四边形，也可以是方形掩膜，在本发明公开的该实施例二中使用的是如图4所示的条形掩膜8，该条形掩膜8的宽度为20微米，掩膜间距为20微米，且该条形掩膜8的边长方向平行于Si衬底<110>系晶向。需要说明的是，对于掩膜的宽度与间距本发明并不仅限于此。基于该条形掩膜8，通过使用对Si的(111)系晶面2具有选择腐蚀作用的腐蚀液将Si衬底的(111)系晶面2腐蚀暴露出来，且曝露出来的(111)系晶面2至少有两个，且各个(111)系晶面之间不相交。在腐蚀的过程中按照一定角度进行，使其与衬底表面(110)系晶面11呈预设角度，该预设角度在本发明所公开的该实施例中为90度角。保留掩模，针对暴露出来的具有一定的角度的Si衬底的(111)系晶面2，在其上即在倾斜的(111)系晶面2上生长GaN基LED的外延结构3。具体的生长技术一般包括横向外延生长和选择外延生长等。需要说明的是，上述可选择的腐蚀液包括K0H，NaOH, LiOH, CsOH, NH40H, TMAH, EDP, N(CH3)40H, (CH3)3N(CH2CH20H)OH, KOH isopropyl alcohol, NaOH isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iso-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 C6H4(0H)2等腐蚀液。在本发明所公开的实施例一中所采用的是44%浓度的KOH腐蚀液。在利用腐蚀液进行腐蚀时，基于该44%浓度的KOH腐蚀液在115度的温度下对<110>系晶面11进行腐蚀，获取具有90度倾斜度的(111)系晶面2。然后再利用MOCVD设备，采用选择外延技术在Si衬底(111)系晶面2上生长如附图3所示的GaN基LED的外延结构。另外，本实施例二中曝露的(111)系晶面2两两不相交，因而在不相交的(111)系晶面2之间的(110)系晶面11表面上，应用横向外延技术生长如附图3所示的GaN基LED 外延结构。即如需要可以通过横向外延技术在(111)系晶面之间的(110)系晶面上生长 GaN基LED的外延结构。通过上述本发明公开的Si衬底GaN基LED结构构成的GaN基LED器件可以为单颗芯片，也可以为GaN基LED阵列，且该阵列可以为一维阵列，也可以为二维阵列，本发明对此并不进行限定。基于上述本发明实施例二公开的Si衬底GaN基LED结构，在芯片制作完成后，整个器件的出光特性可以提升40%左右，而且芯片出射光光强曲线9相比于普通GaN LED结构的光强曲线10更加均勻，如附图5和附图6所示。因此，通过上述本发明公开的利用Si 作为衬底，在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上， 使其具有更大的发光面积，在各个方向上的出射光更加均勻，且根据衬底的倾斜角度不同具有界面，使得GaN基LED外延结构对出光的全反射效果受界面影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。另外，由于Si的成本相较于现有技术中的蓝宝石材质低很多，因此，更进一步的降低了整个LED器件的制作成本。实施例三在上述本发明公开的实施例的基础上，如图9所示，针对Si衬底的表面为Si的 (100)系晶面1，在该Si衬底的(100)系晶面1上进行掩膜，该掩膜为如图8所示方形掩膜 12，该方形掩膜12的宽度为100微米，掩膜间距为440微米，且该方形掩膜12的边长方向平行于Si衬底<110>系晶向。需要说明的是，对于掩膜的宽度与间距本发明并不仅限于此。基于该方形掩膜12，通过使用对Si的(111)系晶面2具有选择腐蚀作用的腐蚀液将Si衬底的(111)系晶面2腐蚀暴露出来，曝露出来的(111)系晶面2至少有两个，且各个(111)系晶面之间可以相交也可以不相交。在腐蚀的过程中按照一定角度进行，使其与衬底表面(100)系晶面1呈预设角度， 该预设角度在本发明所公开的该实施例中为45度角。需要说明的是，上述可选择的腐蚀液包括K0H，NaOH, LiOH, CsOH, NH40H, TMAH, EDP, N(CH3)40H, (CH3)3N(CH2CH20H)OH, KOH isopropyl alcohol, NaOH isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iso-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 C6H4(0H)2等腐蚀液。在本发明所公开的实施例一中所采用的是44%浓度的KOH腐蚀液。 在利用腐蚀液进行腐蚀时，基于该44%浓度的KOH腐蚀液在115度的温度下对(100)系晶面1进行腐蚀，获取具有45度倾斜度的(111)系晶面2。然后再利用MOCVD设备，采用选择外延技术在Si衬底(111)系晶面2上生长如附图3所示的GaN基LED的外延结构。在外延结构生长完成后在掩膜区域内的所述非(111)系晶面，即(100)系晶面1的表面上制作集成电路(驱动集成电路)13，然后再制作完成GaN基LED芯片器件。另外，本实施例中，在(111)系晶面上选择生长GaN LED结构时，还可以通过横向外延技术将GaN LED结构生长到非(111)系晶面上，即本实施例中(100)系晶面上，只需在 (100)系晶面上留出集成电路制作所需的面积即可。其中，针对本发明该实施例所公开的结构，具体制作集成电路13的过程中，将Si 衬底(111)系晶面2曝露出来，其刻蚀深度为200微米，在刻蚀完成后应用MOCVD设备在Si 衬底(111)系晶面2上选择生长如附图3所示的GaN LED结构3，并通过横向外延技术在 (100)系晶面掩模区域中心70微米边长的方形区域外生长同样的GaN LED结构3，生长完成后在掩模区域的中心50微米边长的方形区域内制作集成电路13。通过上述本发明公开的Si衬底GaN基LED结构构成的GaN基LED器件可以为单颗芯片，也可以为GaN基LED阵列，且该阵列可以为一维阵列，也可以为二维阵列，本发明对此并不进行限定。例如，在进行最后的芯片分割过程中应用金刚石切割机将GaN基LED芯片分割开来，可以构成单颗器件如图9所示，或者构成GaN基LED阵列，如图10所示，图9 和图10为针对非(111)系晶面为(100)系晶面1时构成的器件和阵列。基于上述本发明实施例三公开的Si衬底GaN基LED结构，在芯片制作完成后，整个器件的出光特性可以提升40%左右，而且芯片出射光光强曲线9相比于普通GaN LED结构的光强曲线10更加均勻，如附图5和附图6所示。因此，通过上述本发明公开的利用Si 作为衬底，在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上， 使其具有更大的发光面积，在各个方向上的出射光更加均勻，且根据衬底的倾斜角度不同具有界面，使得GaN基LED外延结构对出光的全反射效果受界面影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。另外，由于Si的成本相较于现有技术中的蓝宝石材质低很多，因此，更进一步的降低了整个LED器件的制作成本。实施例四在上述本发明所公开的实施例的基础上，如图11所示，针对Si衬底的表面为Si 的(110)系晶面，即所述非(111)系晶面为(110)系晶面11。其中所述Si衬底可以为绝缘或高掺杂导电的Si。在该Si衬底的(110)系晶面11上进行掩膜，该掩膜可以是条形掩膜、矩形、平行四边形，也可以是方形掩膜，在本发明所公开的实施例四中使用的是如图8所示的方形掩膜12，该方形掩膜12的宽度为300微米，掩膜间距为200微米，且该方形掩膜12的边长方向平行于Si衬底<110>系晶向。需要说明的是，对于掩膜的宽度与间距本发明并不仅限于此。基于该方形掩膜，通过使用对Si的(111)系晶面2具有选择腐蚀作用的腐蚀液将 Si衬底的(111)系晶面2腐蚀暴露出来，且曝露出来的(111)系晶面2至少有两个，且各个 (111)系晶面之间不相交。在腐蚀的过程中按照一定角度进行，使其与衬底表面(110)系晶面11呈预设角度，该预设角度在本发明所公开的该实施例中为90度角。需要说明的是，上述可选择的腐蚀液包括K0H，NaOH, LiOH, CsOH, NH40H, TMAH, EDP, N(CH3)40H, (CH3)3N(CH2CH20H)OH, KOH isopropyl alcohol, NaOH isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iSo-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 C6H4(0H)2等腐蚀液。在本发明所公开的实施例一中所采用的是44%浓度的KOH腐蚀液。在利用腐蚀液进行腐蚀时，基于该44%浓度的KOH腐蚀液在115度的温度下对(100)系晶面1进行腐蚀，获取具有90度倾斜度的(111)系晶面2。然后在利用MOCVD设备，采用选择外延技术在Si衬底(111)系晶面2上生长如附图3所示的GaN基LED的外延结构，在外延结构生长完成后在掩膜区域内的所述非(111)系晶面，即(110)系晶面1的表面上制作集成电路(驱动集成电路)13，然后再制作完成GaN基LED芯片器件。另外，本实施例中，在(111)系晶面上选择生长GaN LED结构时，还可以通过横向外延技术将GaN LED结构生长到非(111)系晶面上，即本实施例中(110)系晶面上，只需在 (110)系晶面上留出集成电路制作所需的面积即可。其中，针对本发明该实施例所公开的结构，具体制作集成电路13的过程中，将Si 衬底(111)系晶面2曝露出来，其刻蚀深度为200微米，应用MOCVD设备在Si衬底(111) 系晶面2上选择生长如附图3所示的GaN LED结构3，并通过横向外延技术在(110)系晶面掩模区域中心70微米边长的方形区域外生长同样的GaN LED结构3，生长完成后在掩模区域的中心50微米边长的方形区域内制作集成电路13。通过上述本发明公开的Si衬底GaN基LED结构构成的GaN基LED器件可以为单颗芯片，也可以为GaN基LED阵列，且该阵列可以为一维阵列，也可以为二维阵列，本发明对此并不进行限定。例如，在进行最后的芯片分割过程中应用金刚石切割机将GaN基LED芯片分割开来，可以构成单颗器件如图11所示，或者构成GaN基LED阵列，如图12所示，图11 和图12为针对非(111)系晶面为(110)系晶面11时构成的器件和阵列。基于上述本发明实施例四公开的Si衬底GaN基LED结构，在芯片制作完成后，整个器件的出光特性可以提升40%左右，而且芯片出射光光强曲线9相比于普通GaN LED结构的光强曲线10更加均勻，如附图5和附图6所示。因此，通过上述本发明公开的利用Si 作为衬底，在相同的器件尺寸下，将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上， 使其具有更大的发光面积，在各个方向上的出射光更加均勻，且根据衬底的倾斜角度不同具有界面，使得GaN基LED外延结构对出光的全反射效果受界面影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均勻性，从而得到更佳的出光品质。另外，由于Si的成本相较于现有技术中的蓝宝石材质低很多，因此，更进一步的降低了整个LED器件的制作成本。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种硅Si衬底氮化镓GaN基发光二极管LED结构，其特征在于，包括 Si衬底，衬底表面为Si的非(111)系晶面；曝露于所述非(111)系晶面表面，与所述非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面；生长于所述(111)系晶面的GaN基LED外延结构。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述非(111)系晶面包括(100)系晶面； 所述(100)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为45度。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述非(111)系晶面包括(110)系晶面； 所述(110)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为90度。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述Si衬底包括绝缘或高掺杂导电的Si。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的结构，其特征在于，包括两个以上的所述 (111)系晶面呈相交结构。或，所述(111)系晶面之间不相交。
6.根据权利要求1 4中任意一项所述的结构，其特征在于，还包括设置于所述非 (111)系晶面表面上的集成电路；
7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，还包括生长于不相交的所述(111)系晶面之间的所述非(111)系晶面表面上的GaN基LED外延结构。
8.根据权利要求1 4、7中任意一项所述的结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括由氮化铝AlN或GaN中的任意一种或两种的交错结合构成的半导体缓冲层； 至少一层N型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第一半导体层，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1 ； 至少一对GaN/lnyGai_yN量子阱结构构成的光发射层，其中，0 ^ y ^ 1 ； 至少一层P型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第二半导体层，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述第一半导体层由至少两层N型 AlJny(}ai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1，且每层为不同χ与y的组分；所述第二半导体层由至少两层P型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1， 且每层为不同χ与y的组分。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述第一半导体层、所述光发射层和所述第二半导体层的厚度总范围为1 10微米。
11.根据权利要求1 7所述的结构，其特征在于，所述Si衬底GaN基LED结构和/或集成电路构成的GaN基LED器件为单颗芯片；或者，所述Si衬底GaN基LED结构和/或集成电路构成的GaN基LED器件阵列，所述阵列为一维阵列或二维阵列。
12.—种硅Si衬底氮化镓GaN基发光二极管LED的制作方法，其特征在于，包括 在作为衬底的硅Si的非(111)系晶面上掩膜；基于掩膜，利用选择性腐蚀液对所述非(111)系晶面进行刻蚀，获取曝露于所述非 (111)系晶面表面外，与所述非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面； 并在所述(111)系晶面上生长GaN基LED外延结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述选择性腐蚀液包括KOH, NaOH, LiOH, NH40H, TMAH, EDP, N<CH3>40H, <CH3>3N<CH2CH20H>0H, KOH :isopropyl alcohol, NaOH :isopropyl alcohol, NH2(CH2)2NH2:H20, N2H4:H20 iso-2-propyl alcohol, N2H4:H20, N2H4:H20 :C6H4<0H>2 或 CsOH。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述掩膜包括条形掩膜；所述条形掩膜宽度的范围为5 μ m 1500 μ m ；掩膜间距的范围为5 μ m 1500 μ m ；所述条形掩膜边长方向平行于Si的<110>系晶向。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述掩膜包括方形掩膜；所述方形掩膜宽度的范围为5 μ m 1500 μ m ；掩膜间距的范围为5 μ m 1500 μ m ；所述方形掩膜边长方向平行于Si的<110>系晶向。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述非(111)系晶面为(100)系晶面时，所述(100)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为45度；当所述非(111)系晶面为(110)系晶面，所述(110)系晶面与所述(111)系晶面所呈预设角度为90度。
17.根据权利要求12 16中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述(111)系晶面上生长GaN基LED外延结构之后，还包括在所述掩膜的区域内的所述非(111)系晶面表面上制作的集成电路。
18.根据权利要求12 17中任意一项所述的方法，其特征在于，生长GaN基LED外延结构的具体过程包括按照对应晶面刻蚀所述(111)系晶面；基于所述GaN LED结构淀积由氮化铝AlN或GaN中的任意一种或两种的交错结合构成的半导体缓冲层；淀积至少一层N型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第一半导体层于所述半导体缓冲层上，其中，0 ^ χ ^ 1,0 ^ y ^ 1 ；淀积至少一对GaNAny^vyN量子阱结构构成的光发射层于所述第一半导体层上，其中，0 ^ y ^ 1 ；淀积至少一层P型AlxIny(iai_x_yN材料构成的第二半导体层于所述光发射层上，其中， 0彡χ彡1，0彡y彡1。
19.根据权利要求18所述的结构，其特征在于，所述第一半导体层由至少两层N型 AlxIny(iai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1，且每层为不同χ与y的组分；所述第二半导体层由至少两层P型AlxInyGai_x_yN材料构成，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1， 且每层为不同χ与y的组分。
全文摘要
本发明公开了一种硅Si衬底氮化镓GaN基发光二极管LED结构及其制作方法，其结构主要包括Si衬底，衬底表面为Si的非(111)系晶面；曝露于非(111)系晶面表面，与非(111)系晶面呈预设角度的Si的两个以上的(111)系晶面；生长于(111)系晶面的GaN基LED外延结构。本发明通过基于Si的加工特性好、导电且导热性好的优点，利用其作为衬底将GaN基LED外延结构生长于具有一定角度的衬底面上，使其具有更大的发光面积，根据衬底的倾斜角度不同具有界面，使得GaN基LED外延结构对出光的全反射效果受界面影响被减弱，可提升LED的出光效率以及获得更佳的白光均匀性，从而得到更佳的出光品质。
文档编号H01L33/16GK102496665SQ201110418510
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘凯, 孙夕庆 申请人:中微光电子(潍坊)有限公司