图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展_周仕忠

趋势与展望

櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶DOI：10.3969/j.issn.1003－353x.2012.06.002

Trendsand

Outlook

图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展

周仕忠，林志霆，王海燕，李国强

（华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640）

摘要：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。

关键词：蓝宝石；图形化衬底；发光二极管（LED）；GaN；制备工艺中图分类号：TN304.2文献标识码：A文章编号：1003－353X（2012）06－0417－08

ResearchprogressofPatternedSapphireSubstrateforGaN-Based

Light-EmittingDiodes

ZhouShizhong，LinZhiting，WangHaiyan，LiGuoqiang

（SchoolofMaterialScienceandEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China）

Abstract：Nowadays，thepatternedsapphiresubstratetechnologyisusedasafundamentaltechnologytoovercomethematerialstressthattheresultsfromacombinationoflatticemismatchandthermalexpansioncoefficientmismatch，andachieveshighefficiencylightemittingdiodes（LED）．ThisarticlebrieflyreviewsrecentdevelopmentofpatternedsapphiresubstrateforGaN-basedLEDs．Itstarts

withanintroductiontotheepitaxialgrowthofGaNonsapphiresubstrateandanumberofnewtechnologiestocreateLEDswithenhancedperformance．Theinfluencesofuniformedshapedpattern，nanosizedpatternandthepatternfabricatingmethod，i.e．dry-orwet-etchingmethodsonthelight

extractionefficiencyofLEDsarepresented．ItisdemonstratedthatacombinationofpatternedsubstratewithothertechnologiesisabletoimprovetheperformanceofLEDs．Thefuturedirectionsinthisarea，likethepossibilityofappliancetolarge-sizechips，designandoptimizationofnano-scalepatterns，as

wellastocombineopticalsimulations，arementioned．

Keywords：sapphire；patternedsubstrate；lightemittingdiode（LED）；GaN；preparationtechnology

EEACC：2520D

0引言

从近红外区、可见光到近紫外区，在光电子器件方

［1］

面有着广泛的应用前景。目前市面上GaN基LED的衬底材料主要有蓝宝石［2］（Al2O3）、Si［3－4］

［5－6］

。与SiC和Si相比，蓝宝石的生产技术和SiC

成熟、稳定性佳，能够运用在高温生长过程中，并

GaN是直接带隙结构材料，禁带宽度可通过与其他III族氮化物形成固溶体，使其从0.7（InN）到3.39（GaN），再到6.2eV（AlN）之间连续变化，对应于1771～200nm波长的发光区，覆盖了

mail：msgli@scut．edu．cn通信作者：李国强，E-June2012

且机械强度高，易于处理。但由于它与GaN之间

存在晶格失配（失配率约为16%）和热应力失配

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－6

和5.59×10/K），造成GaN外延层在生长过程中产生大量缺陷；与此同时，GaN与空气间存在全反射现象，又大大削弱了LED的外量子效率。针对这两方面的难题，研究人员不断提出解决方案，

［7］［8］

陆续开发了缓冲层技术、横向外延技术来改

［9］

善GaN生长质量；以及布拉格反射层、光子晶［10－11］

、表面粗化［12－13］和倒装芯片技术［14］来提体

高LED的出光率。然而，这些方法只能单方面改善晶体质量或提高出光效率。与此相对应，近期发展起来的图形化衬底技术则显示了很好的优势。该技术是在蓝宝石衬底上做出具有细微图形结构的图形化蓝宝石衬底（patternedsapphiresubstrate，PSS），然后外延生长GaN。一方面，它能通过降低外延层应力，改善晶体生长性能；另一方面，还能提高LED出射光的接触面逸出角，从而提高出光效率。近年来该技术得到相关领域科学家们的高度关注。

［15－16］

1图形化蓝宝石衬底的研究进展

I．Akasaki等人［7］首次通过引入AlN缓冲层获

GaN，在蓝宝石上异质外延制备出第一支蓝紫得p-光LED后，关于蓝宝石衬底GaN基LED的研究就没有间断过。从最初的蓝宝石衬底发展到现在的图形化蓝宝石衬底，蓝宝石衬底LED的性能不断提高。而近年来随着科技的进步和理论研究的深入，图形化蓝宝石衬底技术更是得到蓬勃发展。1.1图形尺寸从微米级向纳米级发展

随着图形衬底思路的提出，图形的设计成为了衬底制备的关键环节。其中，图形尺寸也经过了多次设计。研究初期，由于工艺水平的限制以及参考

［17－19］

，通过对指标较少，图形尺寸主要为微米级

图案的直径、间距和深度等要素进行探讨，研究各数据的变化趋势对衬底上GaN外延质量及LED出

［18］

光效率的影响。H．Y.Shin等人在蓝宝石衬底上进行电感耦合等离子体（inductivecoupledplasma，ICP）刻蚀，形成间距2.5μm、高1.5μm的半球形图案。在此图形衬底上进行金属有机化合物化学气相沉淀（metalorganicchemicalvapordeposition，MOCVD）外延生长，生成的GaN具有较高的质量，腐蚀坑密度（etchpitdensity，EPD）可降低

7－2［19］

至10cm。此外，D.S.Wuu等人探讨了图形深度对LED性能的影响。他们通过干法刻蚀在蓝宝石衬底上制备不同深度的图形（以直径为3μm418半导体技术第37卷第6期

的圆孔为基本图案，深度由0.5～1.5μm等间距增大），再采用MOCVD法生长GaN，最后对芯片进行光学测试，其中以最大深度的图形蓝宝石衬底制得的GaN基LED最为理想，其外量子效率达到14.1%，光强比普通LED提高约63%。

科技的发展使微米级图形衬底LED的制备技术日趋成熟，但碍于高功率LED的市场需求，进一步提高LED出光效率亟待解决。由于纳米级的图案难以用干刻或者湿刻制备，纳米压印刻蚀技术（nanoimprintlithography，NIL）的出现无疑为图形尺寸的缩小化提供可能，成为图形尺寸向纳米级发

［20－21］

。展的关键

H．W．Huang等人［20］利用纳米压印技术制备纳米图案蓝宝石衬底（nanopatternedsapphiresubstrate，NPSS），选用直径为240nm的圆孔图案，图形间隔450nm，深165nm，呈六角形分布。利用MOCVD技术分别在普通蓝宝石衬底和图形蓝宝石衬底上外延生长GaN，制作出LED。测试结果显示，纳米级图形蓝宝石衬底LED芯片的光强和出光率比普通蓝宝石衬底的分别提高了67%和38%。但并非图形尺寸越小，LED的性能就越好，图形尺寸和LED性能间的关系仍然需要权衡。Y.K.Su等人［22－23］分别在蓝宝石衬底上制造出纳米级圆孔图案NPSS（直径为450nm，间距为50nm，深度为150nm）和微米级圆孔图案PSS（PSS-2μm：直径为2μm，间距为2μm，深度为1.5μm；PSS-3μm：直径为3μm，间距为3μm，

深度为1.5μm），GaN生长采用MOCVD法。扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）照片显示，随着图案间距的减小，当间距小于2μm时，在GaN和蓝宝石界面会出现由于GaN生长来不及愈合而产生的空洞。从它们各自的EPD（NPSS为3.5×108cm－2；PSS-2μm为1×

3μm为1×108cm－2）和串联电阻108cm－2；PSS-（三者的串联电阻依次为20.4，15.7和15.5Ω）

来看，空洞对GaN的质量影响不大，反而图形缩小会造成外延层更多的位错。三者的输出功率依次为10.27，9.53和9.27mW。在这方面，图形尺寸的缩小又显示出更好的出光效率，这主要是有赖于尺寸缩小增大了单位面积上图案的数量，加强了光子的反射效应。由此可见，图形尺寸和LED性能的优化还需要进一步研究。

1.2图形形状从简单向优化发展

衬底图案对LED光学性能的提高体现为两方

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周仕忠等：图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展

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［24－26］［27－28］

、锥形［29］，再到目的长条形到六角形

［30－32］

，图案的演变使LED光前使用较多的半球形

学性能不断提高。定性来说，复杂图形相对简单图形，曲面图形相对平面图形来说对光的提取有更为显著的影响。

长条形的衬底图案是多条等间距的凹槽，槽宽一般为1.5～3μm，而间距则是4～5μm，槽的深

［25］

度则在几十纳米到1.5μm。根据C．C.Pan等人的研究，凹槽的深度对LED的发光效率有较大的影响：槽深度在0.9μm以下的范围内，随着深度的增大，LED的发光效率变大。原因有二：一方面，深度增加使得散射/反射效应加强；另一方面，深度的增加强化了侧向外延效应。但是，深度的增加同时也会降低GaN磊晶的速度。另外，该研究组还探究了在不同晶向上刻蚀沟槽的情况，结果表明，在（1100）蓝宝石晶向上刻蚀沟槽能有较大的发光效率，这解决了“线形”图案的取向问题。

与一条条的条形图案不同，后来出现的六角形图案是一种二维图案的密排布（规格一般是底面边长为2～4.5μm，高度为1～2μm，间隔为2～3μm）。S.Suihkonen等人［28］的实验证明：更加“凹凸不平”的六角形图案不仅增强反射/散射效应，而且相对复杂的图形分布更有利于侧向外延，提高磊晶质量。因此，后来对图案的研究趋向于密排布。具有尖锥状凸起结构的锥形图案也是如此（高度一般为1～2μm，间隔为2～3μm，底宽为2～3μm），其斜角对LED的出光有较大的影响。J.H.Cheng等人［29］报道过，锥形图案会导致较大的位错。为了减少位错，应该采取较小的斜面角，但是小斜面角会削弱图形对光的反射/散射效应，因此需要寻求一个平衡点。该研究组设置了多组对照组，得出最佳的斜角为31.6°。

针对锥形图案凸起结构的缺陷，后来出现的半球形图案对其进行了修正，得到了很好的LED性能，沿用至今。基本规格为：直径4～6μm，高度1～2μm，间隔3～4μm。J.CHO等人［30］、J．H.LEE等人［31］以及S．Kissinger等人［32］的研究表明：没有尖角的半球形图案，能较大限度地减小应力，降低缺陷；另外，半球体的密排布对侧向磊晶

June2012

的影响更明显，磊晶质量会显著提高。在提高光提取率方面，半球面相对于其他几种图案的多平面体结构来说，对光的发散能力更强。但碍于半球形图案较难制作，又会降低半球形图案的实际性能。1.3图形制备工艺的进展

目前图形衬底的制备分为干法刻蚀和湿法腐

［33－34］

。蚀。广泛应用的图形衬底大都是干刻制备的

［35－38］

干刻的成本较高，容易损伤衬底，而湿刻由于成本低、工艺简单、生产效率高、能有效避免衬底损伤问题，成为近期研究的热点。

D.S.Wuu等人［35］报道了在蓝宝石c面通过采用H2SO4和H3PO4的体积比为3∶1的混合液刻蚀出锥形图案。他们在蓝宝石c面上沉积一层SiO2作为掩膜，经光照显影后，将质量分数分别为98%H2SO4和85%H3PO4以3∶1的体积比混合作为腐蚀液，于280℃时对蓝宝石进行刻蚀（刻蚀深度1.5μm，锥形底部直径3μm，间距3μm），GaN生长采用MOCVD。制作出的LED的输出功率为9.35mW，与传统的LED相比提高了25%，EPD

9－28－2

从1.5×10cm降到2.3×10cm，显示了较好的性能。

T.V.Cuong等人［36］用二次刻蚀的方法先对沉积在蓝宝石c面的SiO2掩膜层用H2SO4和H3PO4的混合液（体积比3∶1）在270～280℃下，以180nm/min的刻蚀速率刻蚀6min，除去掩膜层后再刻蚀3min，形成三角锥形图案的湿法刻蚀图形

etchingpatternedsapphire化蓝宝石衬底（wet-Substrate，WPSS）。利用衬底图案并优化GaN的生

长时间自发生长出呈六边形微坑结构的GaN层，研究与衬底图案对准的微坑结构对外延层位错密度和LED光提取率的影响，具有微坑结构的LED示意

LED图如图1所示。与传统LED和不具有微坑的PSS-相比，发现其输出功率分别提高了2倍和1.5倍，

EPD从（6～7）×108cm－2降到（2～3）×107cm－2

。

Fig.1

图1具有微坑结构的LED

SchematicdrawingofLEDwithmicropits

随后，不少人对湿法刻蚀的试验条件进行了系

［37］

统的研究。邵慧慧等人分别在250，260和270℃下用H2SO4和H3PO4的混合液对蓝宝石进行15min刻蚀。他们发现随着腐蚀液温度的增加，图

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K.C.Shen等人［39］将ICP刻蚀和湿法刻蚀相结合，对经过湿法刻蚀的蓝宝石衬底用CF4分别进行4，12和16min的ICP刻蚀，采用MOCVD进行GaN生长。SEM显示，随着CF4刻蚀时间的增加，原先顶部具有平台结构的角锥图案（未经过CF4刻蚀），其顶部的平台面积逐渐减小，同时衬底表面的粗糙度不断增大。通过控制CF4的刻蚀时间，能调整GaN在衬底上的生长模式，即从侧面生长到竖直生长的转变（图2）。该方法下生长的GaN外

7－2

延质量大大提高（EPD从4.19×10cm降到9.63×106cm－2），LED输出功率从20.5mW提高到25.6mW

。

［38］

Y.K.Su等人［41］通过实验证实了空气孔的存在对

GaN结晶质量的影响不大。由于空气和GaN的折射率差别较大，空气孔的引入能增加光子在衬底界面的散射几率，将些许较小角度反射的光再次折射，使更多光子到达顶部发射出去，避免被蓝宝石吸收。这是近年来在图形化衬底方面研究的新热点。

E．H．Park等人［42］报道了在半球形图案蓝宝石衬底上制作空气孔（airvoid，AV）的方法。他们采用二步生长法，先在图形化蓝宝石衬底上生长厚度为2μm的GaN层（衬底图案为半球形，底部宽3μm，高1.5μm；空气孔：六边形，底部宽3.5μm，高1.7μm），随后在280℃下用H3PO4和H2SO4的混合液腐蚀15s，接着继续生长厚度为1.5μm的GaN以得到平整的GaN层，制作过程如

LED的出光效率比不具图3所示。结果表明，AV-LED提高了16%，输出功率提空气孔结构的PSS-高了12%。但由于制作过程涉及二步生长GaN以

及工艺操作欠佳可能导致的过度腐蚀现象，会对GaN的生长质量造成影响，降低AV-LED工作的可

［43－44］

靠性。针对上述的不足，N.M.Lin等人采用了全新的制作方法。他们先在半球形图形衬底上用

MOCVD制作出LED样品，在样品上沉积厚度为2000nmSiO2作为掩膜，利用半导体泵浦固体激光器从表面打出一条通向衬底的通道，随后在220℃下用H3PO4和H2SO4的混合液沿着通道进行腐蚀，之后用ICP法将SiO2除去，得到具有空气孔结构的LED。从输出功率的数据看，AV-LED比不具空气LED略有提高，分别为6.5，孔结构的PSS-6.1mW，同时他们发现，随着腐蚀时间的增加（5～20min），空气孔高度增大（2.68～3.6μm），

输出功率也不断提高（6.5～6.8mW）。1.4.2

图形衬底与光子晶体相结合

图2

随着ICP刻蚀时间增加PSSs上GaN的生长模式Fig.2GaNgrowthmodeonPSSsasafuctionof

theLCPetchingtime

1.4图形衬底与其他技术的结合

利用图形化衬底技术无疑对GaN的生长质量和LED的性能有很好的改善，各方面的研究数据都有力地证明了这点。自图形化衬底技术被广为研究以来，科研人员不断将该技术与其他技术结合，力图将LED的出光效率进一步提升。1.4.1图形衬底与空气孔相结合

随着研究人员对GaN在图形衬底上横向生长

［40］

模式认识的加深，W．K．Wang等人发现因GaN在生长过程中的横/纵向生长速率不同导致其在蓝宝石衬底界面处来不及愈合产生的空气孔的现象。420半导体技术第37卷第6期

图3二步生长GaN制作空气孔结构示意图Fig.3Schematicdrawingoftheair-voidsformationwith

thetwo-stepsGaNgrowth

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［10－11］

来提高LED的出光效率的研究在早期就已经有人报道过。随着图形化衬底技术的发展，特别是

［21－22］

纳米压印技术的出现，研究人员尝试将两种技术相结合，同样得到了不错的出光效率。

H．W．Huang等人［45］探讨过将纳米级图形化衬底技术和SiO2准晶结合起来提高LED出光效率的问题。他们首先用纳米压印技术在蓝宝石衬底上制备出深度182nm、直径455nm的半球形图案。接着采用MOCVD生长GaN，然后在n型GaN中采用和制备纳米图形衬底相同的办法（沉积SiO2层、纳米压印和ICP刻蚀）制作出SiO2准晶结构，最后继续完成量子阱层、p型GaN的沉积，制作出的LED（记作LEDA）如图4所示。其结构自上而下分别为：Cr/Pt/Au电极、铟锡氧化物半导体透明导电膜（indiumtinoxides，ITO）、p型GaN、p型AlGaN、InGaN/GaN多量子阱（multiplequantumwell，MQW）、SiO2准晶（photonicquasi-crystal，

PQC）、n型GaN、未掺杂型GaN（u-dopedGaN，

u-GaN）、蓝宝石衬底。与普通LED相比，其开启电压略有提高（提高了0.07V），但对器件的负面影响不大。在输出功率方面，LEDA足足比LED提高了48%，这得益于图形衬底和SiO2准晶双重改善了GaN的生长质量并将光子反射回顶部以增加出光率，透射电子显微镜（transmissionelectronmicroscope，TEM）中观察到的LEDA外延层生长质量最佳，但关于SiO2准晶在n型GaN位置的权衡还需进一步研究

。

GaN生长模式的可行性，一直是提高LED性能的研究热点。在工艺技术不断发展的情况下，尺寸纳米化的转变势必为图形化蓝宝石衬底在LED的应用注入新的元素。总体上讲，衬底的图形化技术沿着尺寸纳米型、图案优化型、制备工艺成熟型、应用综合型的趋势发展，LED性能的不断提高显示了其广阔的应用前景，尤其是在大功率照明领域。2.1图形化蓝宝石衬底在大尺寸芯片上的应用

橱柜照明、大功率灯杯、路灯照明是当前需求较大的市场，但碍于其通常使用大尺寸芯片，产品技术不成熟，反而增加了成本，目前大尺寸芯片的制造还不占优势。不过随着LED产品性能的提高，市场机遇会很大，目前国内外大厂家也纷纷研发出更高配置的技术设备，像AIXTRON的最新产品G5最大可满足56英寸×2英寸（1英寸=2.54cm）的MOCVD外延；而刻蚀设备方面，国内北方微电

TM

子近期自主研发的ELEDE330LED刻蚀机，用IC工艺更为精密的设计要求来实现LED更高性能的刻蚀工艺，能更大程度提高LED芯片的发光效率。刻蚀设备的不断优化，使得PSS应用于大尺寸芯片生产指日可待。

照明领域对LED芯片的发光效率和可靠性有着很高的要求，芯片尺寸越大，容易导致器件光效降低、热损耗增加、可靠性降低等问题，而图形衬底技术却在改善光效和提高磊晶质量方面有着得天独厚的优势，一方面通过衬底图案改变光路，大大提高出光效率；另一方面通过GaN的横向外延生长，改善GaN的生长质量，降低非辐射复合中心，从而减少载流子注入其中所产生的热量，散热更佳，进而提升LED的可靠性，由此制得的LED芯片流明效率不亚于照明行业巨头科税Cree公司基于SiC衬底几何增强和倒置电极结构的照明用LED芯片产业化水平。况且随着产能释放，业内分析蓝宝石基板价格会下降，相比SiC居高不下的价格成本，采用图

［46］

形化蓝宝石衬底是未来趋势。武汉迪源光电公司基于PSS，通过外延生长、芯片制程等工艺改进制造的高亮度LED芯片，其发光效率产业化水平达104lm/W，能够满足3W的应用市场。芯片规格40mil（1mil=0.0254mm），在0.01mA下有良好的点亮效果，没有暗区；具有良好的可靠性和稳定性，350和700mA下老化1000h，光衰分别为－0.4%和2.8%；正向压降主要分布在3.0～3.4V，光功率主要分布在305～315mW，漏电率为17.39%

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图4具有SiO2准晶的纳米图形蓝宝石衬底LED结构Fig.4SchematicdiagramoftheNPSS-LEDwitha

crystalstructureSiO2photonicquasi-

2

图形化蓝宝石衬底GaN基LED的

总结与展望

图形化衬底技术自发展以来，因其图案设计的多变性、与其他技术相结合的可操作性以及改变

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