【专利解密】上海芯元基新型GaN生长衬底助力LED芯片发展

[嘉德点评]上海芯元科技半导体有限公司提出的氮化镓基复合衬底技术，结合企业自身的发光二极管芯片技术，可以大大提高发光二极管的发光效率，大大降低高端发光二极管芯片的生产成本，改善现有发光二极管的产业链结构，同时该技术可以推广到氮化镓功率器件和微透镜领域。

据微网新闻报道，半导体市场预测，到2022年，氮化镓功率器件的市场规模将达到64亿元。与此同时，国内氮化镓产业也在快速发展，涌现出一批优秀企业。不久前，上海芯半导体公司在“芯力与云路演平台”上举办了一场项目路演，展示薄膜结构的氮化镓外延器件，可广泛应用于低端和高端的发光二极管芯片行业。

随着近年来半导体照明的发展，其应用领域也迅速扩大。为了提高发光二极管的发光效率和质量，许多企业都投入了大量人力物力研发生长基板技术。目前，主流衬底技术路线有蓝宝石技术路线、硅衬底技术路线、碳化硅衬底技术路线、氮化镓同质衬底技术、复合衬底技术等。然而，这些衬底技术中的一些具有难以后续外延生长的问题。在低温生长条件下，多晶沉积在二氧化硅薄膜层或DBR薄膜层的表面，在高温条件下，氮化镓难以沉积，外延工艺条件苛刻，难以大规模生产。其中一些需要在二氧化硅薄膜结构上制作微观图案。沉积条件非常苛刻，晶体质量不高。因此，为了对发光二极管的应用提出更高的要求，有必要继续改进和挖掘衬底技术，有效提高氮化镓基外延层和发光二极管外延结构的晶体质量，提高各种发光二极管的性能指标。

在这种情况下，上海芯基半导体有限公司提出了题为“复合衬底、半导体器件及其制造方法”的发明专利(申请号:201910169196。x)2019年3月6日。申请人是上海芯基半导体技术有限公司

本专利主要介绍了一种复合衬底的制备技术，用于解决现有技术中发光二极管外延窗口污染和外延层晶体质量差的问题。

图1复合衬底的制备方法

图1示出了该专利中提出的复合衬底的制备方法的工艺流程。首先，提供生长衬底，所述材料可以是氧化铝、碳化硅、硅、氧化锌或氮化镓等。然后在生长衬底的上表面形成一层金属或金属氧化物的保护层，以保护生长衬底表面的晶体免受腐蚀气体或聚合物的腐蚀和污染，为后续的外延生长提供一个干净平整的生长窗口，还起到连接生长衬底表面的半导体介质膜层的作用。在步骤3中，需要在保护层的上表面上形成半导体介质膜层，如二氧化硅层和氮化硅层。半导体器件中半导体电介质的每个膜层之间的折射率差以及电介质膜层和氮化镓层之间的折射率差可以提高半导体器件的光提取率。

图2介质膜层和凸点结构示意图

在图1的步骤4中，半导体介电膜层13通过光刻和干蚀刻工艺形成图案，以在保护层的上表面上形成周期性间隔的凸起，保护层12的部分暴露在凸起之间，如图2所示。在步骤5中，通过湿法蚀刻工艺去除暴露在凸起之间的保护层12，以在生长衬底的表面上形成周期性间隔的凸起结构13’。凸起结构包括保护层或保护层上的半导体介电薄膜层，位于生长衬底上的凸起结构可以使复合衬底表面形成的外延层横向生长，具有更好的晶体质量。

在该专利提出的上述工艺的制造过程中，外延生长窗口受到保护。在刻蚀过程中，衬底表面容易被气体或聚合物腐蚀和污染，难以清洗。衬底表面的晶体被破坏，不利于后续外延生长，难以形成高质量的外延层。本专利中保护层的添加不会影响衬底表面，为后续外延层提供了干净平整的生长窗口，有利于衬底的外延生长，实现了工业化大生产。

以上是上海SMIC半导体有限公司提出的氮化镓基复合衬底技术，结合企业自身的发光二极管芯片技术，可以大大提高发光二极管的发光效率，大大降低高端发光二极管芯片的生产成本，改善现有发光二极管的产业链结构，打破国际垄断格局，同时该技术可以推广到氮化镓功率器件和微透镜领域。

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