CN103035806A - 用于制备氮化物外延生长的纳米图形衬底的方法 - Google Patents
用于制备氮化物外延生长的纳米图形衬底的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明在氮化物外延生长的衬底上制备微米PSS，其上沉积二氧化硅膜，在该膜上，沉积金属Ni层，通过退火处理后，以表面均匀分布的纳米尺度的金属Ni颗粒作为掩膜刻蚀衬底，形成纳米图形结构。然后，以所述具有纳米图形结构的二氧化硅作为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构复制到微米PSS衬底上，通过腐蚀去除所述二氧化硅膜，得到纳米级PSS。本发明能够实现纳米图形化衬底的制备，可操作性强，并且不涉及昂贵精密的光刻设备，有利于实现规模化和产业化。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，尤其涉及一种制备用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的方法。
背景技术
以Ⅲ-V族氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，由于其性质稳定且波长位于蓝紫光的直接带系，因此在发光二极管、激光器、紫外光电探测器以及高温、高频大功率电子器件等诸多方面有着重要而广泛的应用。
因为蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配率为14％，所以长成的GaN材料缺陷较多。GaN基LED亮度的提升，根源在于内量子效率和光提取效率的提高，从而增加外量子效率。通过在蓝宝石图形衬底上制备二维结构、然后生长的GaN材料以制作成LED器件，能够同时提高内量子效率和光提取效率。
传统光刻技术制成的图形衬底尺度通常在微米级PSS(MPSS:micro-PSS)，很难一次做到100nm以下的小尺寸。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制备方法。
根据本发明，提供了一种用于制备氮化物外延生长的纳米图形衬底的制备方法，包括以下步骤：
1）在氮化物外延生长的衬底上制备微米PSS衬底；
2）在所述微米PSS衬底上沉积二氧化硅膜；
3）在所述二氧化硅膜上，蒸镀金属Ni层；
4）通过退火处理，在所述的二氧化硅膜的表面上形成均匀分布的纳米尺度的金属Ni颗粒；
5）利用所形成的纳米尺度的金属Ni颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅膜，形成纳米图形结构；
6）以所述具有纳米图形结构的二氧化硅为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到微米PSS衬底；
7）通过腐蚀去除所述二氧化硅膜，得到纳米级图形衬底。
在一个实施例中，步骤1）所述氮化物外延生长的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓的衬底。
在一个实施例中，在步骤1）中，在所述衬底的表面上均匀涂覆一层厚度在1.5μm至4.0μm的正性光刻胶。
在一个实施例中，所述微米PSS衬底的图形高度为0.5μm至1.8μm。
在一个实施例中，所述二氧化硅膜的厚度为50nm至400nm。
在一个实施例中，所述金属Ni层的厚度为2nm至30nm。
在一个实施例中，所述退火处理条件为：在流动的高纯N2气氛下，温度为400至800℃，时间为20S至1400S。
在一个实施例中，所述刻蚀是采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，并且所形成的所述纳米图形结构的尺度为1nm至100nm。
在一个实施例中，所述腐蚀采用硫酸双氧水进行，且所述硫酸双氧水比例为1:1至4.5:1。
根据本发明的方法，其中在微米PSS上沉积二氧化硅膜，进而制备纳米PSS。这样就可以降低氮化物外延层的位错密度，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而改善器件的性能。根据本发明，能够实现纳米图形化衬底的制备，可操作性强。此外，本发明的方法不涉及昂贵精密的光刻设备，有利于实现规模化和产业化。
附图说明
以下结合附图来对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
图1为本发明提供的制作纳米氮化镓图形衬底的方法流程图；
图2为本发明使用现有方法所制备微米图形衬底的剖面示意图；
图3为本发明在微米图形衬底上沉积二氧化硅膜并蒸镀金属Ni层后的剖面示意图；
图4为本发明提供的高温退火处理形成的纳米级金属Ni颗粒后的示意图；
图5为本发明提供的采用纳米金属Ni颗粒做掩膜，刻蚀二氧化硅膜后的示意图；
图6为本发明提供的利用纳米级图形衬底化的二氧化硅膜为掩膜，刻蚀衬底后的剖面示意图；
图7为本发明提供的硫酸双氧水清洗后腐蚀去除残留二氧化硅膜，清洗甩干后，制备得到纳米图形衬底的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图来描述本发明。如图1所示，根据本发明的方法包括以下步骤：
步骤S1：在Wafer表面涂覆一层光刻胶，然后采用紫外光，照射特定图形的光刻版遮挡的光刻胶，使其感光；
步骤S2：采用显影液去除未照到紫外光的光刻胶；
步骤S3：通过刻蚀所述处理显影完的Wafer表面，形成表面规则排列的微米PSS；
步骤S4：在所述微米PSS上沉积二氧化硅膜，其上沉积金属Ni层；
步骤S5：通过退火处理后，以表面均匀分布的纳米尺度的金属Ni颗粒作为掩膜刻蚀衬底，形成纳米图形结构；
步骤S6：以所述具有纳米图形结构的二氧化硅为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构复制到微米PSS衬底；
步骤S7：通过腐蚀去除所述二氧化硅膜，得到纳米级图形衬底。
下面对照附图并通过对实施例的描述来进一步详细地说明本发明。
首先，使用SVS匀胶机，在2英寸蓝宝石衬底的表面上，均匀涂覆一层2.0μm厚的正性光刻胶。然后，在Nikon步进光刻机上，采用有特定图形的光刻版遮挡紫外光，并照射光刻胶使其感光。接着使用SVS显影机，未照到紫外光的光刻胶被显影液除去，留下与光刻版上相同的图形，其图形高度为1.5μm。然后，采用硫酸双氧水（2:1）去除表面残留物质，清洗甩干得到微米级图形衬底，结构剖面如图2所示。
接着在微米图形衬底上，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积一层厚度为0.7μm的二氧化硅膜，然后利用电子束蒸，在其上蒸镀一层30nm的金属Ni薄层，结构剖面如图3所示。
在流动的高纯N2下，在温度700℃下退火处理500S，使之表面形成纳米尺寸的金属Ni颗粒，结构剖面如图4所示。
利用退火处理形成的纳米金属Ni颗粒作为掩膜，采用corial ICP刻蚀设备，干法刻蚀二氧化硅膜，使之成为纳米图形结构，图形尺度在1nm至100nm，结构剖面如图5所示。
然后以纳米图形结构的二氧化硅膜为掩膜，采用corial ICP刻蚀设备，干法刻蚀纳米图形结构复制到衬底，结构剖面如图6所示。
最后，利用硫酸双氧水（2.5:1），将二氧化硅膜去除，即可制成具有纳米尺度图形的蓝宝石衬底，结构剖面如图7所示。
该纳米图形蓝宝石衬底可用于氮化物异质外延生长。采用纳米图形衬底，可以降低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，降低氮化物外延生长的缺陷密度，提高晶体的质量，进而改善器件的性能。该技术不涉及昂贵的光刻设备，支撑技术成熟，且易于规模化和产业化。
以上所述具体的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于制备氮化物外延生长的纳米图形衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在氮化物外延生长的衬底上制备微米PSS衬底；
2）在所述微米PSS衬底上沉积二氧化硅膜；
3）在所述二氧化硅膜上蒸镀金属Ni层；
4）通过退火处理，在所述二氧化硅膜的表面上形成均匀分布的纳米尺度的金属Ni颗粒；
5）利用所形成的纳米尺度的金属Ni颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅膜，形成纳米图形结构；
6）以所述具有纳米图形结构的二氧化硅为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到微米PSS衬底上；
7）通过腐蚀去除所述二氧化硅膜，得到纳米级图形衬底。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中的所述氮化物外延生长的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓的衬底。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤1）中，在所述衬底的表面上均匀涂覆一层厚度在1.5μm至4.0μm的正性光刻胶。
4.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述微米PSS衬底的图形高度为0.5μm至1.8μm。
5.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅膜的厚度为50nm至400nm。
6.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述金属Ni层的厚度为2nm至30nm。
7.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述退火处理的条件为：在流动的高纯N2气氛下，温度为400至800℃，时间为20S至1400S。
8.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述刻蚀是采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，并且所形成的所述纳米图形结构的尺度为1nm至100nm。
9.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述腐蚀采用硫酸双氧水进行，且所述硫酸双氧水比例为1:1至4.5:1。
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