專利解密：三安光電結合氮化鎵改良LED襯底缺陷

氮化鎵作為第三代半導體產業的核心材料，其產業鏈包括襯底、外延片、器件制造等環節，目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在美、歐、日等國，雖然我國企業尚未進入供給端第1梯隊，但國內相關企業在氮化鎵的應用上已經開展了深度布局。 

氮化鎵基LED由于其高效的發光效率，目前已經廣泛的應用在背光、照明、景觀等各個光源領域。從技術角度看，進一步提高LED芯片的發光效率仍然是當前行業發展的重點。發光效率主要有兩個效率決定：第1個是電子空穴在有源區的輻射復合效率，即通常說的內量子效率；第2個是光的提取效率。

現有成熟的藍光 LED 材料的主流技術是制作在藍寶石襯底上。通常采用干蝕刻或濕蝕刻的方式形成圖形化藍寶石襯底，其中干蝕刻是由物理轟擊形成圖形，制作過程中圖形側壁會受到損傷，后續外延材在側壁形成缺陷中心（如上圖所示），其一方面會增加材料中的缺陷密度，降低內量子效率；另一方面，側壁處缺陷晶體存在吸收中心，會吸收器件發出的光，降低光的提取效率。

為了解決上述問題，三安光電申請了一項名為“氮化物半導體元件及其制作方法”的發明專利（申請號：PCT/CN2018/078653），申請人為廈門三安光電有限公司。本發明提供了一種改善藍寶石圖形側壁缺陷的氮化物半導體元件及其制作方法。

上圖顯示了一種改善藍寶石圖形襯底側壁處的外延缺陷的半導體元件的制作方法，主要包括步驟S100至S300。

首先，針對提供的藍寶石襯底100（左圖是藍寶石襯底示意圖），采用物理刻蝕方法在襯底的上表面形成一系列的凹陷或凸起的圖形110，120位該圖形側壁。

接著，將前述經干法蝕刻處理的藍寶石襯底100放入物理氣相沉積設備中，通入氮氣、氬氣、氧氣等氣體，打開直流脈沖電源之后，開始生長AlxGa（1-x）N薄膜。然后再關閉直流電源并打開射頻電源，對圖形側壁生長的質量較差的AlxGa（1-x）N膜進行沖擊，如圖4所示。不斷重復這一沖擊過程，最終可獲得3-100nm的沉積 AlxGa（1-x）N層。AlxGa（1-x）N層生長時采用多次等離子體刻蝕處理，側壁有缺陷的AlxGa（1-x）N已經基本被去除。

最后將生長AlxGa（1-x）N層后的圖形藍寶石襯底放入MOCVD（金屬有機物化學氣相沉淀）系統中，沉積氮化鎵基半導體疊層。經過一系列的升溫、通氣、退火、降溫、升溫操作之后，可以得到構成氮化物發光二極管外延結構。

上圖是采用上述方法形成的LED外延結構的TEM照片，與圖1所示的常規外延結構的TEM圖片對比，可以看到該方法有效改善了藍寶石圖形側壁缺陷。

三安光電提出的上述制作方法形成的LED結構中，有效去除圖形襯底側壁處的晶體缺陷，顯著提高了LED中量子阱的發光效率；同時得益于徹底消除側壁處的缺陷晶體，極大降低了缺陷處的光吸收現象，提高了LED芯片的出光效率。通過使用本結構，LED芯片亮度可提升3~5％。

隨著第三代半導體產業的發展，三安光電更加注重新材料的研發與應用，并著重于砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等半導體新材料為核心主業。針對氮化鎵的產業發展，國內諸如三安光電等多家公司都已經開始了深度布局，有望逐步實現進口替代。