专利解密：三安光电结合氮化镓改良LED衬底缺陷

氮化镓作为第三代半导体产业的核心材料，其产业链包括衬底、外延片、器件制造等环节，目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在美、欧、日等国，虽然我国企业尚未进入供给端第1梯队，但国内相关企业在氮化镓的应用上已经开展了深度布局。 

氮化镓基LED由于其高效的发光效率，目前已经广泛的应用在背光、照明、景观等各个光源领域。从技术角度看，进一步提高LED芯片的发光效率仍然是当前行业发展的重点。发光效率主要有两个效率决定：第1个是电子空穴在有源区的辐射复合效率，即通常说的内量子效率；第2个是光的提取效率。

现有成熟的蓝光 LED 材料的主流技术是制作在蓝宝石衬底上。通常采用干蚀刻或湿蚀刻的方式形成图形化蓝宝石衬底，其中干蚀刻是由物理轰击形成图形，制作过程中图形侧壁会受到损伤，后续外延材在侧壁形成缺陷中心（如上图所示），其一方面会增加材料中的缺陷密度，降低内量子效率；另一方面，侧壁处缺陷晶体存在吸收中心，会吸收器件发出的光，降低光的提取效率。

为了解决上述问题，三安光电申请了一项名为“氮化物半导体元件及其制作方法”的发明专利（申请号：PCT/CN2018/078653），申请人为厦门三安光电有限公司。本发明提供了一种改善蓝宝石图形侧壁缺陷的氮化物半导体元件及其制作方法。

上图显示了一种改善蓝宝石图形衬底侧壁处的外延缺陷的半导体元件的制作方法，主要包括步骤S100至S300。

首先，针对提供的蓝宝石衬底100（左图是蓝宝石衬底示意图），采用物理刻蚀方法在衬底的上表面形成一系列的凹陷或凸起的图形110，120位该图形侧壁。

接着，将前述经干法蚀刻处理的蓝宝石衬底100放入物理气相沉积设备中，通入氮气、氩气、氧气等气体，打开直流脉冲电源之后，开始生长AlxGa（1-x）N薄膜。然后再关闭直流电源并打开射频电源，对图形侧壁生长的质量较差的AlxGa（1-x）N膜进行冲击，如图4所示。不断重复这一冲击过程，最终可获得3-100nm的沉积 AlxGa（1-x）N层。AlxGa（1-x）N层生长时采用多次等离子体刻蚀处理，侧壁有缺陷的AlxGa（1-x）N已经基本被去除。

最后将生长AlxGa（1-x）N层后的图形蓝宝石衬底放入MOCVD（金属有机物化学气相沉淀）系统中，沉积氮化镓基半导体叠层。经过一系列的升温、通气、退火、降温、升温操作之后，可以得到构成氮化物发光二极管外延结构。

上图是采用上述方法形成的LED外延结构的TEM照片，与图1所示的常规外延结构的TEM图片对比，可以看到该方法有效改善了蓝宝石图形侧壁缺陷。

三安光电提出的上述制作方法形成的LED结构中，有效去除图形衬底侧壁处的晶体缺陷，显著提高了LED中量子阱的发光效率；同时得益于彻底消除侧壁处的缺陷晶体，极大降低了缺陷处的光吸收现象，提高了LED芯片的出光效率。通过使用本结构，LED芯片亮度可提升3~5％。

随着第三代半导体产业的发展，三安光电更加注重新材料的研发与应用，并着重于砷化镓、氮化镓、碳化硅等半导体新材料为核心主业。针对氮化镓的产业发展，国内诸如三安光电等多家公司都已经开始了深度布局，有望逐步实现进口替代。