CN101814564A - 氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法，包括以下步骤：在衬底上蒸镀一层金属膜层；在所述金属膜层上涂布一层光刻胶膜层，通过光罩技术在衬底上显影出微米级尺寸的光刻胶图形且图形之间留有一层薄薄的光刻胶；通过高温回流技术形成二级纳米级光刻胶图形，其中，一级为微米级尺寸图形，另一级为纳米级尺寸图形；对所述二级纳米级光刻胶图形进行硬化处理；利用加热烘烤光刻胶技术，将光刻胶图形进一步的硬化；利用形成的所述二级纳米级光刻胶图形作为掩膜，用干法刻蚀技术将所述光刻胶图形结构转移到所述衬底上；清洗所述衬底，得到二级纳米级图形衬底。本发明能够提高材料的晶体质量和相应的器件性能。

Description

氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光二级管领域，特别是涉及一种氮化物外延生长的纳米图形衬底的制备方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的LED关键要提高器件的内量子效率和外量子效率。目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。
目前，为了获得高亮度的LED采用的技术解决方案主流是用图形衬底来生长外延。这种技术可以缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长中由于晶格失配引起的应力，减小GaN基外延层穿透位错的密度，提高外延层晶体质量，降低半导体发光材料的非辐射符合中心，增强辐射符合，以提高芯片亮度。但是，目前这种图形都是在微米量级的，对亮度提升有限；与通常的微米级图形衬底相比，纳米图形化衬底技术可以更有效弛豫异质结界面生长过程的应力，进一步降低氮化物外延层的位错密度，提高材料的晶体质量和相应的器件性能。
半导体纳米级的图形的实现通常采用电子束光刻技术或X射线光刻技术，但这些光刻技术都涉及昂贵的设备、复杂的工艺过程以及较高的成本。因此，发展低成本，易于实现规模化的纳米级图形衬底技术，可以更有效地应用于氮化物外延生长，是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法，能有效提高材料的晶体质量和相应的器件性能。
为解决上述技术问题，本发明的氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法包括以下步骤：
步骤一、在用于氮化物外延生长的衬底上蒸镀一层金属膜层；
步骤二、在所述金属膜层上涂布一层光刻胶膜层，通过光罩技术在衬底上显影出微米级尺寸的光刻胶图形，显影的时候图形之间不完全显影透，使图形之间留有一层薄薄的光刻胶；
步骤三、通过高温回流技术，对上述的光刻胶图形进行高温回流处理，上述的光刻胶图形遇高温后回流成蒙古包形，图形之间的薄层光刻胶遇高温后也会凝固成蒙古包形，这样就形成了二级纳米级光刻胶图形，其中，一级为微米级尺寸图形，另一级为纳米级尺寸图形；
步骤四、对所述二级纳米级光刻胶图形进行硬化处理；
步骤五、利用加热烘烤光刻胶技术，将光刻胶图形进一步的硬化；
步骤六、利用形成的所述二级纳米级光刻胶图形作为掩膜，用干法刻蚀技术将所述光刻胶图形结构转移到所述衬底上；
步骤七、清洗所述衬底，得到二级纳米级图形衬底。
采用本发明的方法，在现有的微米级图形(即图1中所标识的微米图形)之间添加一种纳米级的图形(即图1中所标识的纳米图形)，形成二级纳米图形衬底，可以缓解衬底和氮化物间异质外延生长过程中由于晶格失配引起的应力，大大降低外延层的位错密度，更有效弛豫异质结界面生长过程的应力，进一步提高外延层晶体质量和相应器件的性能。
采用本发明的方法不需要昂贵的光刻设备，能够降低制造成本，有利于实现规模化和大面积制作。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是纳米图形结构图；
图2是本发明的方法流程示意图；
图3是发光二极管芯片的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。
参见图1所示，在本发明一实施例中所述的纳米图形为二级图形结构组合(图1a是所述纳米图形结构图，图1b是所述纳米图形结构示意图)，其中，一级为微米级尺寸图形，另一级为纳米级尺寸图形(即二级纳米级光阻图形)。所述微米级尺寸图形的结构为：图形之间的间距为0-5μm，图形底部直径为1μm至10μm，图形高度为0.1-2.5μm，图形的角度为0-90°；所述微米级图形为周期性排列。所述纳米级尺寸图形的结构为：图形之间的间距为0-5μm，图形底部直径为10nm至1000nm，图形高度为1nm至1000nm，图形的角度为0-90°。
结合图2所示，所述氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法包括以下步骤：
步骤一、在用于氮化物外延生长的衬底上蒸镀一层金属膜层。所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌或自支撑氮化镓。所述金属膜层为镍Ni、钛Ti或铝Al。所述金属膜层的厚度为0.1nm至200nm。
步骤二、在所述金属膜层上涂布一层光刻胶膜层，通过光罩技术在衬底上显影出微米级尺寸的光阻图形，显影的时候图形之间不完全显影透，使图形之间留有一层薄薄的光刻胶。
步骤三、通过高温回流技术，对上述的光刻胶图形进行高温回流处理，上述的光刻胶图形遇高温后回流成蒙古包形，图形之间的薄层光刻胶遇高温后也会凝固成蒙古包形，这样就形成了二级纳米级光刻胶图形，其中，一级为微米级尺寸图形，另一级为纳米级尺寸图形。所述回流烘烤温度为100℃～600℃、时间为1秒钟～60分钟。
步骤四、对所述二级纳米级光刻胶图形进行硬化处理。例如，采用深紫外线光源对所述二级纳米级光阻图形进行照射硬化处理。
步骤五、利用加热烘烤光刻胶技术，将光刻胶图形进一步的硬化。例如，采用热板加热烘烤。
步骤六、利用形成的所述二级纳米级光刻胶图形作为掩膜，用干法刻蚀技术将所述光刻胶图形结构转移到所述衬底上。所述干法刻蚀是采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀。
步骤七、清洗所述衬底，得到二级纳米级图形衬底。
这种微结构图案可以有效减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，从而提高了发光二极管的发光效率。
制备好该发光二极管芯片衬底结构后，利用该衬底结构制备发光二极管，如图3所示。在步骤(七)所得到的衬底结构上依次形成缓冲层、n型半导体层、发光层、p型半导体，然后制备n电极和p电极。所得到的结构经研磨、抛光及切割等后续工艺，得到发光效率极高的发光二极管。
  LED样品   电压/V   波长/nm   光功率/mW
  按实施例制备的样品   3.31   460.5   9.6
  衬底表面为微米级结构的常规样品   3.32   461.1   8.2
通过对比实验，从测试数据可以看出，采用本发明所述方法制造的衬底的管芯比采用普通微米级图形蓝宝石衬底的管芯发光亮度具有明显提高。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制，例如所述各步骤中具体的实现工艺方法仅仅是为了便于理解本发明，本领域技术人员完全可以采用现有技术中存在的其它具体工艺方法，在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种氮化物外延生长的纳米图形衬底制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在用于氮化物外延生长的衬底上蒸镀一层金属膜层；
步骤二、在所述金属膜层上涂布一层光刻胶膜层，通过光罩技术在衬底上显影出微米级尺寸的光刻胶图形，显影的时候图形之间不完全显影透，使图形之间留有一层光刻胶；
步骤三、通过高温回流技术，将上述的光刻胶图形回流成二级纳米级光刻胶图形；
步骤四、对所述二级纳米级光刻胶图形进行硬化处理；
步骤五、利用加热烘烤光刻胶技术，将光刻胶图形进一步的硬化；
步骤六、利用形成的所述二级纳米级光刻胶图形作为掩膜，用干法刻蚀技术将所述光刻胶图形结构转移到所述衬底上；
步骤七、清洗所述衬底，得到二级纳米级图形衬底。
2.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述纳米图形为二级图形结构组合，其中，一级为微米级尺寸图形，另一级为纳米级尺寸图形。
3.如权利要求2所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述微米级尺寸图形的结构为：图形之间的间距为0-5μm，图形底部直径为1μm至10μm，图形高度为0.1-2.5μm，图形的角度为0-90°；所述微米级图形为周期性排列。
4.如权利要求2所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述的纳米级尺寸图形的结构为：图形之间的间距为0-5μm，图形底部直径为10nm至1000nm，图形高度为1nm至1000nm，图形的角度为0-90°。
5.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌或自支撑氮化镓。
6.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述金属膜层为镍Ni、钛Ti或铝Al。
7.如权利要求1或6所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述金属膜层的厚度为0.1nm至200nm。
8.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：步骤四所述的硬化处理是采用深紫外线光源对所述二级纳米级光刻胶图形进行照射硬化处理。
9.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述回流烘烤的温度为100℃～600℃、时间为1秒钟～60分钟。
10.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀。
11.如权利要求1所述的纳米图形衬底制备方法，其特征在于：所述氮化物外延生长采用的生长方法为金属有机物化学气相淀积MOCVD、氢化物气相外延HVPE或分子束外延MBE；所述氮化物外延生长形成的氮化物外延层为GaN、AlN、InN、AlGaN、InAlN、InGaN或AlGaInN。
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