CN101599466A - 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 - Google Patents
一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101599466A CN101599466A CNA2009100410359A CN200910041035A CN101599466A CN 101599466 A CN101599466 A CN 101599466A CN A2009100410359 A CNA2009100410359 A CN A2009100410359A CN 200910041035 A CN200910041035 A CN 200910041035A CN 101599466 A CN101599466 A CN 101599466A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- substrate
- porous
- temperature
- epitaxial growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及半导体发光器件及其制作方法，尤其涉及一种外延生长用的图形衬底及其制作方法，在基板上蒸镀一层Al层；在Al层的上表面，采用阳极氧化的方法，使Al层上部一定厚度的Al转化成多孔图形的Al2O3结构；将上述结构从低温到高温渐变的分段加热方法，加热至1000℃以上且在Al2O3熔点以下的温度，直至非晶的Al2O3转变成单晶Al2O3层，最终形成蓝宝石结构层，从而自下而上形成基板/Al层/具有多孔图形的蓝宝石结构层。此图形结构衬底的制作不须经过掩膜光刻工艺；此衬底具有高反射特性，可有效释放外延层的热应力；在此衬底上外延的生长与传统蓝宝石衬底外延技术相兼容。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件及其制作方法，尤其涉及一种外延生长用的图形衬底及其制作方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料在发光二极管、半导体激光器、探测器，及电子器件方面有着广泛的应用。由于同质的外延衬底制备困难，以氮化镓(GaN)材料为主的III-V族氮化合物一般采用异质外延生长的方法进行制备。衬底材料及其表面特性对于异质外延的GaN等III-V族氮化合物的晶体质量影响很大。目前，由于蓝宝石(Al2O3)和碳化硅(SiC)衬底具有高温稳定性，优良的结构和表面形态等特性，因此它们是III族氮化物异质外延生长的主要衬底材料。Si衬底生长工艺成熟，价格便宜，在Si衬底生长GaN也引起了研究者的关注。但是，由于GaN外延材料与Si衬底之间存在巨大的晶格失配(20％)和热应力失配(56％)，将在GaN外延层中造成高的位错密度并导致GaN膜出现龟裂，因此在Si衬底上得到很高质量的GaN材料比较困难。另一方面，Si在可见光波段有较高的吸光系数，有源层的光进入到较厚的硅衬底中，将被完全吸收掉，降低了器件的出光效率。
晶格的失配和高温退火引起的应力积聚是导致高位错密度和薄膜龟裂的主要原因。为了解决这个问题，人们采用了插入缓冲层、横向过生长、图形衬底等方法，大大提高了异质外延材料的晶体质量。在蓝宝石或Si衬底上制作图形的界面，外延的GaN薄膜产生的热应力局限在图型花纹所形成的细小面积之内，并在此图形花纹上得到无裂痕的材料层，是一种行之有效的方法。Si衬底的光吸收问题可通过衬底剥离或内嵌的反射层等方法解决，但工艺复杂，不能满足大规模生长的需要。
外延用的图形蓝宝石或图形硅衬底发展初期，一般采用微米量级的图形，近年来，阳极氧化铝(anodic aluminum oxide，AAO)技术不断发展和成熟，可制作周期在10～500nm，孔洞为5～400nm的多孔氧化铝结构，并作为等离子刻蚀的掩模板或作为横向过生长的掩膜应用于半导体外延生长中。然而，上述技术的应用，都没有能解决Si衬底的光吸收问题。同时，一些文献和专利公开了非晶氧化铝(Al2O3)在高温下固态转换成单晶氧化铝，即蓝宝石的技术，这为直接利用AAO制作的多孔氧化铝转换成可用于外延生长的蓝宝石衬底提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有亚微米图形的外延生长用的图形衬底及其制作方法。该衬底结构，能有效地避免发光器件有源层光线进入到衬底，并有效地释放异质外延产生的热应力，提高了外延生长的晶体质量和发光器件的出光效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种外延生长用的图形衬底，包括基板，该基板上依次形成有Al层及蓝宝石结构层，该蓝宝石结构层的上表面形成有多孔图形。
该蓝宝石结构层的厚度为100nm～2μm，该Al层的厚度为50nm～5μm。
该蓝宝石结构层上的多孔图形为不规则的、或局部规则的或为周期性的光子晶体图形，且孔径在5～400nm之间。
该基板为Si基板、绝缘体上硅基板、GaAs基板或GaP基板。
一种外延生长用的图形衬底的制作方法，其包括以下步骤：a、在基板上蒸镀一层Al层；b、在Al层的上表面，采用阳极氧化的方法，使Al层上部一定厚度的Al转化成多孔图形的Al2O3结构；c、将上述结构从低温到高温渐变的分段加热方法，加热至1000℃以上且在Al2O3熔点以下的温度，直至非晶的Al2O3转变成单晶Al2O3层，最终形成蓝宝石结构层，完成该衬底的制作。
具有多孔图形的Al2O3结构样品置于空气或氧气或惰性气体环境中，从低温到高温，分段进行加热，在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；随后，在700～900℃温度段加热1到5小时，多晶Al2O3层将晶变为单晶的Al2O3层；最后，在1000℃以上，Al2O3熔点以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的蓝宝石结构层。
具有多孔图形的Al2O3结构样品置于空气或氧气或惰性气体环境中，从低温到高温，分段进行加热，在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；然后，在1000℃以上，2050℃以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的蓝宝石结构层。
该蓝宝石结构层的厚度为100nm～2μm，该Al层的厚度为50nm～5μm。
阳极氧化的电解液使用一预定浓度的低温的硫酸或磷酸或草酸或铬酸溶液；使用H3PO4溶液浸泡或离子束刻蚀样品，进行通孔或扩孔，调节孔洞大小；孔洞的深度与氧化时间成正比。
该多孔图形的Al2O3结构通过一次阳极氧化或者通过二次阳极氧化的方法制备，得到多孔图形，该二次阳极氧化方法为使用一定浓度比的HgCl2或H3PO4或HCl或CuCl2或上述酸的混合，把一次阳极氧化得到的氧化层去掉，留下表面的周期性微孔，重复步骤b，再次进行阳极氧化，得到多孔图形。
步骤b和c之间还包括以下步骤：采用电子束光刻、多光束干涉或离子束刻蚀方法，制作具有周期性图形的硬膜，然后采用压印的方法，在Al层表面形成周期性微孔，得到周期性的光子晶体图形。
与现有技术相比较，本发明的图形结构衬底，形成有高反射率的Al层及单晶Al2O3层，能有效的避免发光器件有源层光线进入到衬底，并有效的释放异质外延产生的热应力，在此衬底上外延的生长与传统蓝宝石衬底外延技术相兼容，提高了外延生长的晶体质量和发光器件的出光效率。本发明的衬底制作方法通过在Al层表面采用阳极氧化方法形成多孔图形，不须经过掩膜光刻工艺，降低了制作工艺难度。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的半导体外延图形衬底的侧面图；
图2是本发明实施例2和实施例3制备的半导体外延图形衬底的侧面图。
上述图中，1为Si基板，2为Al层，3为具有多孔图形结构的单晶Al2O3层
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参照图1，一种外延生长用的图形衬底的侧面示意图，其包括基板1及基板1之上的Al层2，Al层2之上的具有多孔图形结构的蓝宝石结构层3。
其中，基板1可以为Si，也可为SOI基板，也可以为AsGa基板，也可以为GaP基板，也可以为其它可见光吸收较大的基板。
该蓝宝石结构层3的厚度为100nm～2μm，该Al层2的厚度为50nm～5μm。多孔氧化铝的孔径在5～400nm之间。
以Si基板为例，图1所示的图形衬底的制备方法包括以下步骤：
a、先把Si基板1用化学溶液和纯水，超声清洗干净，通过电子束蒸发，离子溅射，热蒸发，分子束外延，化学汽相沉积等方法备制100nm～7μm厚的Al层2。
b、把样品放置在具有一定浓度的低温的硫酸/磷酸/草酸/铬酸溶液中。如3℃的0.3M的草酸或3℃的0.5M的硫酸，Si基板1背面接阳极，铂电极作阴极。采用不同的电解液采用不同的电解电压，电解电压在10V～250V之间。孔洞的深度与氧化时间成正比，氧化时间为10分钟～若干天，可得到厚度为几十纳米到几微米的氧化铝层。不同的材料和不同的电解液，不同的电解电压，使得氧化的时间会有所不同。如图1所示，样品经过上述处理后，将会形成表面不规则或部分规则的多孔氧化铝结构。
c、使用H3PO4溶液浸泡或离子束刻蚀样品，进行通孔或扩孔，调节孔洞大小。
d、把上述步骤处理后的样品，在空气或氧气或惰性气体氛围下加热。在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；随后，在700～900℃温度段加热1到5小时，多晶Al2O3层将晶变为单晶的Al2O3层；最后，在1000℃以上，2050℃以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的蓝宝石材料。
e、样品退火后，使用化学溶液和纯水，超声清洗干净。
f、上述步骤制备完的样品，可作为外延生长的衬底，生长高质量的外延厚膜。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：为了制备周期性更好的图形衬底，我们采用二次阳极氧化的方法。为实现此目的，我们在实施例1步骤b和c之间插入以下步骤：
使用一定浓度比的HgCl2或H3PO4或HCl或CuCl2或上述酸的混合，把一次阳极氧化得到的氧化层去掉，留下表面较浅的周期性微孔，重复实施例1步骤b，再次进行阳极氧化，可得到周期性良好的表面图形。
实施例3
如图2所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：为了制备周期性更好的图形衬底，我们在样品阳极氧化之前，采用图案预成型的方法，在Al层表面先形成较浅的图案。为实现此目的，我们在实施例1步骤a和b之间插入以下步骤：
采用电子束光刻，多光束干涉，离子束刻蚀等方法，制作具有周期性图案的硬膜，然后采用压印的方法，在Al层表面形成较浅的周期性微孔。此方法可形成六角晶格，正方晶格，三角晶格等图案。
实施例4
本实施例与实施例1相似，其区别在于：根据时间和晶体质量的需要，适当的减少或删除前两个加热段的加热时间。为实现此目的，我们对实施例1中的步骤d修改如下：
d、把上述步骤处理后的样品，在空气或氧气或惰性气体氛围下加热。在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；然后，在1000℃以上，2050℃以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的单晶蓝宝石材料。
Claims (10)
1、一种外延生长用的图形衬底，包括基板，其特征在于：该基板上依次形成有Al层及蓝宝石结构层，该蓝宝石结构层的上表面形成有多孔图形。
2、根据权利要求1所述的外延生长用的图形衬底，其特征在于：该蓝宝石结构层的厚度为100nm～2μm，该Al层的厚度为50nm～5μm。
3、根据权利要求2所述的外延生长用的图形衬底，其特征在于：该蓝宝石结构层上的多孔图形为不规则的、或局部规则的或为周期性的光子晶体图形，且孔径在5～400nm之间。
4、根据权利要求1至3任一项所述的外延生长用的图形衬底，其特征在于：该基板为Si基板、绝缘体上硅基板、GaAs基板或GaP基板。
5、一种外延生长用的图形衬底的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在基板上蒸镀一层Al层；
b、在Al层的上表面，采用阳极氧化的方法，使Al层上部一定厚度的Al转化成多孔图形的Al2O3结构；
c、将上述结构从低温到高温渐变的分段加热方法，加热至1000℃以上且在Al2O3熔点以下的温度，直至非晶的Al2O3转变成单晶Al2O3层，最终形成蓝宝石结构层，完成该衬底的制作。
6、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：具有多孔图形的Al2O3结构样品置于空气或氧气或惰性气体环境中，从低温到高温，分段进行加热，在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；随后，在700～900℃温度段加热1到5小时，多晶Al2O3层将晶变为单晶的Al2O3层；最后，在1000℃以上，Al2O3熔点以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的蓝宝石结构层。
7、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：具有多孔图形的Al2O3结构样品置于空气或氧气或惰性气体环境中，从低温到高温，分段进行加热，在300～600℃温度段，加热20分钟到5小时，在这个过程中，非晶的氧化铝层会慢慢转变为多晶；然后，在1000℃以上，2050℃以下温度中加热样品1到5小时，此过程中，氧化铝固态转变为更为致密的蓝宝石结构层。
8、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：阳极氧化的电解液使用一预定浓度的低温的硫酸或磷酸或草酸或铬酸溶液；使用H3PO4溶液浸泡或离子束刻蚀样品，进行通孔或扩孔，调节孔洞大小；孔洞的深度与氧化时间成正比。
9、根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：该多孔图形的Al2O3结构通过一次阳极氧化或者通过二次阳极氧化的方法制备，得到多孔图形，该二次阳极氧化方法为使用一定浓度比的HgCl2或H3PO4或HCl或CuCl2或上述酸的混合，把一次阳极氧化得到的氧化层去掉，留下表面的周期性微孔，重复步骤b，再次进行阳极氧化，得到多孔图形。
10、根据权利要求5至9任一项所述的制作方法，其特征在于：步骤b和c之间还包括以下步骤：采用电子束光刻、多光束干涉或离子束刻蚀方法，制作具有周期性图形的硬膜，然后采用压印的方法，在Al层表面形成周期性微孔，得到周期性的光子晶体图形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910041035A CN101599466B (zh) | 2009-07-10 | 2009-07-10 | 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200910041035A CN101599466B (zh) | 2009-07-10 | 2009-07-10 | 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101599466A true CN101599466A (zh) | 2009-12-09 |
| CN101599466B CN101599466B (zh) | 2012-08-29 |
Family
ID=41420836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200910041035A Active CN101599466B (zh) | 2009-07-10 | 2009-07-10 | 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101599466B (zh) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102181824A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-09-14 | 广东银雨芯片半导体有限公司 | 一种图形化衬底的工艺及其结构以及发光二极管芯片 |
| CN102299219A (zh) * | 2011-08-29 | 2011-12-28 | 协鑫光电科技（张家港）有限公司 | 纳米图形化衬底及其制备方法和发光二极管 |
| CN102315347A (zh) * | 2010-07-05 | 2012-01-11 | 展晶科技(深圳)有限公司 | 发光二极管磊晶结构及其制造方法 |
| CN102386287A (zh) * | 2011-08-29 | 2012-03-21 | 协鑫光电科技（张家港）有限公司 | 图形化衬底及其制备方法和发光二极管 |
| CN102610710A (zh) * | 2011-01-19 | 2012-07-25 | 隆达电子股份有限公司 | 图形化基板的制造方法 |
| CN103117210A (zh) * | 2013-03-12 | 2013-05-22 | 云南大学 | 一种纳米孔复制结合溅射沉积自组装有序Ge/Si量子点阵列的新方法 |
| CN103144373A (zh) * | 2011-12-06 | 2013-06-12 | 汉达精密电子(昆山)有限公司 | 高光阳极铝板处理方法及其产品 |
| CN105591004A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-05-18 | 苏州晶湛半导体有限公司 | 基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法 |
| CN108025979A (zh) * | 2015-09-30 | 2018-05-11 | 日本碍子株式会社 | 外延生长用取向氧化铝基板 |
| CN108538974A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-14 | 苏州瑞而美光电科技有限公司 | 一种纳米级图形化蓝宝石衬底的制备方法 |
| CN109941961A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-28 | 桂林电子科技大学 | 一种具有微纳米结构的多功能薄膜制备方法 |
-
2009
- 2009-07-10 CN CN200910041035A patent/CN101599466B/zh active Active
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8629534B2 (en) | 2010-07-05 | 2014-01-14 | Advanced Optoelectronics Technology, Inc. | Semiconductor structure having low thermal stress |
| CN102315347B (zh) * | 2010-07-05 | 2014-01-29 | 展晶科技(深圳)有限公司 | 发光二极管磊晶结构及其制造方法 |
| CN102315347A (zh) * | 2010-07-05 | 2012-01-11 | 展晶科技(深圳)有限公司 | 发光二极管磊晶结构及其制造方法 |
| CN102610710A (zh) * | 2011-01-19 | 2012-07-25 | 隆达电子股份有限公司 | 图形化基板的制造方法 |
| CN102181824A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-09-14 | 广东银雨芯片半导体有限公司 | 一种图形化衬底的工艺及其结构以及发光二极管芯片 |
| CN102386287A (zh) * | 2011-08-29 | 2012-03-21 | 协鑫光电科技（张家港）有限公司 | 图形化衬底及其制备方法和发光二极管 |
| CN102299219A (zh) * | 2011-08-29 | 2011-12-28 | 协鑫光电科技（张家港）有限公司 | 纳米图形化衬底及其制备方法和发光二极管 |
| CN103144373B (zh) * | 2011-12-06 | 2015-06-10 | 汉达精密电子(昆山)有限公司 | 高光阳极铝板处理方法及其产品 |
| CN103144373A (zh) * | 2011-12-06 | 2013-06-12 | 汉达精密电子(昆山)有限公司 | 高光阳极铝板处理方法及其产品 |
| CN103117210B (zh) * | 2013-03-12 | 2015-09-23 | 云南大学 | 一种纳米孔复制结合溅射沉积自组装有序Ge/Si量子点阵列的新方法 |
| CN103117210A (zh) * | 2013-03-12 | 2013-05-22 | 云南大学 | 一种纳米孔复制结合溅射沉积自组装有序Ge/Si量子点阵列的新方法 |
| CN108025979A (zh) * | 2015-09-30 | 2018-05-11 | 日本碍子株式会社 | 外延生长用取向氧化铝基板 |
| CN108025979B (zh) * | 2015-09-30 | 2021-06-01 | 日本碍子株式会社 | 外延生长用取向氧化铝基板 |
| CN105591004A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-05-18 | 苏州晶湛半导体有限公司 | 基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法 |
| CN108538974A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-09-14 | 苏州瑞而美光电科技有限公司 | 一种纳米级图形化蓝宝石衬底的制备方法 |
| CN108538974B (zh) * | 2018-05-15 | 2019-12-31 | 苏州瑞而美光电科技有限公司 | 一种纳米级图形化蓝宝石衬底的制备方法 |
| CN109941961A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-28 | 桂林电子科技大学 | 一种具有微纳米结构的多功能薄膜制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101599466B (zh) | 2012-08-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101599466B (zh) | 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法 | |
| CN101640169B (zh) | 用于氮化物外延生长的纳米级图形化衬底的制备方法 | |
| TWI520206B (zh) | 至少部分分離磊晶層的方法 | |
| CN100505165C (zh) | 一种制备氮化镓单晶衬底的方法 | |
| US7141834B2 (en) | Method of using a germanium layer transfer to Si for photovoltaic applications and heterostructure made thereby | |
| US6579359B1 (en) | Method of crystal growth and resulted structures | |
| CN100587919C (zh) | 用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法 | |
| KR101499203B1 (ko) | 유기금속 화학기상증착법을 이용한 평면 비극성 （１１００） ｍ면 갈륨 질화물의 성장 | |
| US6602760B2 (en) | Method of producing a semiconductor layer on a substrate | |
| TWI246116B (en) | Process for growing ZnSe Epitaxy layer on Si substrate and semiconductor structure thereby | |
| TWI414005B (zh) | 磊晶基板、使用該磊晶基板之半導體發光元件及其製程 | |
| US20060270201A1 (en) | Nano-air-bridged lateral overgrowth of GaN semiconductor layer | |
| JP2011501431A (ja) | Ｓｏｉ上の窒化ガリウム半導体装置およびそれを製造する方法 | |
| CN108701710B (zh) | 制造纳米棒的方法以及通过该方法制造的纳米棒 | |
| JP2017028318A (ja) | エピタキシャル固体半導体ヘテロ構造及びその製造方法 | |
| CN106328774A (zh) | 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 | |
| US20220231188A1 (en) | Method for large scale growth and fabrication of iii-nitride devices on 2d-layered h-bn without spontaneous delamination | |
| US20140202378A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING AN ORGANISED NETWORK OF SEMICONDUCTOR NANOWIRES, IN PARTICULAR MADE OF ZnO | |
| US10256093B2 (en) | Selective area growth of semiconductors using patterned sol-gel materials | |
| KR20160010419A (ko) | 무결점 단결정 박막 층 | |
| EP1220330A1 (en) | A method of producing a semiconductor layer on a substrate | |
| US20130020549A1 (en) | Systems and methods for fabricating longitudinally-shaped structures | |
| RU135186U1 (ru) | Полупроводниковое светоизлучающее устройство | |
| WANG et al. | NANOHETEROEPITAXY OF GaN ON NANOPOROUS SAPPHIRE SUBSTRATES | |
| CN117888204A (zh) | 多孔结构及单晶衬底的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |