CN103378218A - 一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，涉及光电技术领域。本发明方法包括以下步骤：1）在衬底上均匀涂布一层抗蚀剂；2）将预先形成图形的压印模板压到抗蚀剂上；3）采用物理或者化学的方法使抗蚀剂硬化，并移除压印模板；4）对形成图形的抗蚀剂的表面实施灰化处理，去除部分抗蚀剂使得此部分的衬底暴露出来，抗蚀剂在衬底上形成抗蚀剂掩膜；5）将抗蚀剂上的图形转移到衬底上；6）去除抗蚀剂掩膜，完成对衬底的图形化制作。本发明制作方法不需要光刻工艺，具有制作步骤少、工艺简单、成本低、适于大规模量产的特点；可以提高氮化物器件的性能；可以有效提高氮化物发光二极管器件的光提取效率。

Description

一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法

技术领域

 本发明涉及光电技术领域，尤其是用纳米压印（nanoimprinting）方法制造图形衬底的方法。

背景技术

以GaN材料为代表的III-V族氮化物半导体材料，在紫外/蓝光/绿光LED、激光器、光电探测器，以及在高温高频大功率电子器件领域有着广泛的应用。目前普遍应用的氮化物器件主要是异质外延在蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、硅Si、氧化锌ZnO或者砷化镓GaAs衬底上，或同质外延生长在自支撑氮化镓GaN衬底上。

除了自支撑氮化镓衬底外，其它衬底材料和III-V族氮化物材料之间都存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数的差异，晶格常数和热膨胀系数的差异，使得氮化物外延层中存在很大的残余应力和诸多的晶体缺陷，严重影响了材料的晶体质量，进而限制了III-V族氮化物器件性能的提高。另外，对于氮化物发光二极管器件，由于氮化镓GaN和空气间存在较大的折射率差异，光的出射角很小，绝大部分光被全反射回到发光二极管器件的内部，这既降低了光的提取效率又增加了散热的难度。

为此，人们普遍采用图形化衬底技术来缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长过程中由于晶格失配带来的应力，使外延层得到有效的弛豫，同时采用侧向生长技术（Epitaxial Lateral Overgrowth；ELOG）和横向磊晶法（Lateral Epitaxial Pattern Substrate；LEPS）来减少外延层中的穿透位错密度，从而降低氮化物外延层材料中的缺陷密度，提高了材料的晶体质量，如已公开专利US 6,870,193、CN 1209793C。采用图形化衬底技术同时是一个有效提升氮化物发光二极管器件发光效率的方法，如美国专利US 6,870,193，该专利所公开的技术是一种具备凹部或凸部结构的形成于衬底上的半导体发光元件，与平坦衬底情况相比较，此种结构的光在半导体层的横向传播时，光刻通过凹部或凸部产生散射或绕射的效果，可以大幅度发光二极管的光提取效率。

现有技术中，图形化衬底的制作大都采用传统的光刻技术制备出光刻图形，然后以光刻胶、二氧化硅SiO2、氮化硅SiN或金属（一般为Ni）层位掩膜，再利用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法对衬底刻蚀出图形化结构，一般的图形尺寸在微米量级。如已公开中国专利CN 100563036C、CN 101330002A、CN 101345274A、CN 101826583A等。与微米级的图形相比，纳米级的图形衬底技术会更能有效的弛豫外延层异质外延生长过程中的应力，更大程度的提高外延材料的晶体质量，并且纳米级的图形化衬底更有利于光取出效率的提高，如已公开中国专利CN 100587919C、CN101640169A等。然而纳米级图形衬底制备所用的光刻技术需用昂贵的设备，工艺也更复杂，成本较高，良率低，不适于大规模量产使用。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法。该制作方法不需要光刻工艺，具有制作步骤少、工艺简单、成本低、适于大规模量产的特点；可以有效降低氮化物外延层中的穿透位错密度，提高外延层材料的质量，进而提高氮化物器件的性能；可以有效提高氮化物发光二极管器件的光提取效率。

为了达到以上目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，该方法包括以下步骤：

    1）在衬底上均匀涂布一层抗蚀剂；

    2）将预先形成图形的压印模板压到抗蚀剂上；

3）采用物理或者化学的方法使抗蚀剂硬化，并移除压印模板；

4）对形成图形的抗蚀剂的表面实施灰化处理，去除部分抗蚀剂使得此部分的衬底暴露出来，抗蚀剂在衬底上形成抗蚀剂掩膜；

5）将抗蚀剂上的图形转移到衬底上；

6）去除抗蚀剂掩膜，完成对衬底的图形化制作。

在上述制作方法中，所述衬底采用蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、硅Si、氧化锌ZnO、砷化镓GaAs或者自支撑氮化镓GaN中的一种。

在上述制作方法中，所述抗蚀剂采用有机聚合物、光硬化树脂、热塑性树脂或者溶胶-凝胶材料。

在上述制作方法中，所述压印模板采用石英材料、环氧树脂或者硅胶材料，将压印模板压到抗蚀剂上采用纳米压印的方法。

在上述制作方法中，所述使抗蚀剂硬化采用紫外光光辐射的方法。

在上述制作方法中，所述对抗蚀剂表面进行灰化处理采用刻蚀的方法。

在上述制作方法中，所述将抗蚀剂上的图形转移到衬底上采用刻蚀或者剥离技术，对衬底进行干法或者湿法的刻蚀得到相应的图形；或者采用剥离工艺，先在器件表面蒸镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉抗蚀剂掩膜，随之抗蚀剂掩膜表面上的金属也将被剥离，只在衬底上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。

在上述制作方法中，所述干法刻蚀采用反应离子RIE或者感应耦合离子ICP设备进行干法刻蚀，所述湿法刻蚀采用浓硫酸与浓磷酸进行湿法刻蚀。

本发明由于采用了上述方法，通过利用纳米压印技术，在衬底上制作图形掩膜，不需要使用光刻设备，制作工艺简单，生产成本低，适用大规模量产。同时，利用纳米压印技术，可以制作出具有纳米量级的图形化衬底，可以缓解衬底和氮化物外延层间由于晶格适配引起的应力，降低了氮化物外延层中的缺陷密度，提高了外延材料的晶体质量，改善了器件性能。利用本发明方法制作出的图形化衬底，还可有效提高氮化物发光二极管器件的光提取效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明方法工作流程图；

图2A至2F为本发明实施方式的制造方法示意图。

具体实施方式

参看图1以及图2A至2F，本发明的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，包括以下步骤：

    1）在用于氮化物外延生长的衬底20上均匀涂布一层抗蚀剂21。衬底20采用蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、硅Si、氧化锌ZnO、砷化镓GaAs或者自支撑氮化镓GaN中的一种；抗蚀剂21采用有机聚合物、光硬化树脂、热塑性树脂或者溶胶-凝胶材料。

    2）利用纳米压印的方法，将预先形成图形的压印模板22压到抗蚀剂21上，使压印模板22上的图形转移到抗蚀剂21上。压印模板22采用石英材料、环氧树脂或者硅胶材料。如果抗蚀剂21使用的为热塑性树脂，这一步骤中通过加热到高于转变温度的温度使抗蚀剂21软化，随后冷却抗蚀剂21使其温度低于转变温度，同时将石英材料制成的压印模板22压到抗蚀剂21上。

3）采用物理或者化学的方法使抗蚀剂21硬化，并移除压印模板22。本实施例中使抗蚀剂21硬化可采用紫外光光辐射法。

4）对形成图形的抗蚀剂21表面采用刻蚀的方法实施灰化处理，去除部分抗蚀剂21使得此部分的衬底20暴露出来，抗蚀剂21在衬底20上形成抗蚀剂掩膜23。本发明也可使用未进行灰化、形成了图形的抗蚀剂21作为抗蚀剂掩膜23。

5）采用刻蚀或者剥离技术将抗蚀剂21上的图形转移到衬底20上。采用刻蚀技术时，以抗蚀剂21为抗蚀剂掩膜23，对衬底20进行干法或者湿法的刻蚀得到相应的图形。采用剥离工艺时，先在器件表面蒸镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉抗蚀剂掩膜23，随之抗蚀剂掩膜23表面上的金属也将被剥离，只在衬底20上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。上述干法刻蚀采用反应离子RIE或者感应耦合离子ICP设备进行干法刻蚀，湿法刻蚀采用浓硫酸与浓磷酸进行湿法刻蚀。

6）去除抗蚀剂掩膜23，完成对衬底20的图形化制作。

    上述利用本发明方法得到的图形化衬底20可用于氮化物材料的异质外延生长，缓解衬底20和氮化物外延层间由于晶格适配引起的应力，提高了外延材料的晶体质量，改善了器件性能。利用本发明方法制作出的图形化衬底20，还可有效提高氮化物发光二极管器件的光提取效率。该技术不涉及价格昂贵的光刻设备，成本低，适用于大规模量产。

    另外，本发明所述的氮化物外延生长方法包括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）中的任意一种，或任意一两种或三种的组合，所述氮化物外延层包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlN或AlGaInN等。

    以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何修改、替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，该方法包括以下步骤：

    1）在衬底（20）上均匀涂布一层抗蚀剂（21）；

    2）将预先形成图形的压印模板（22）压到抗蚀剂（21）上；

3）采用物理或者化学的方法使抗蚀剂（21）硬化，并移除压印模板（22）；

4）对形成图形的抗蚀剂（21）的表面实施灰化处理，去除部分抗蚀剂（21）使得此部分的衬底（20）暴露出来，抗蚀剂（21）在衬底（20）上形成抗蚀剂掩膜（23）；

5）将抗蚀剂（21）上的图形转移到衬底（20）上；

6）去除抗蚀剂掩膜（23），完成对衬底（20）的图形化制作。

2.根据权利要求1所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述衬底（20）采用蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、硅Si、氧化锌ZnO、砷化镓GaAs或者自支撑氮化镓GaN中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述抗蚀剂（21）采用有机聚合物、光硬化树脂、热塑性树脂或者溶胶-凝胶材料。

4.根据权利要求3所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述压印模板（22）采用石英材料、环氧树脂或者硅胶材料，将压印模板（22）压到抗蚀剂（21）上采用纳米压印的方法。

5.根据权利要求4所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述使抗蚀剂（21）硬化采用紫外光光辐射的方法。

6.根据权利要求5所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述对抗蚀剂（21）表面进行灰化处理采用刻蚀的方法。

7.根据权利要求6所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述将抗蚀剂（21）上的图形转移到衬底（20）上采用刻蚀或者剥离技术，对衬底（20）进行干法或者湿法的刻蚀得到相应的图形；或者采用剥离工艺，先在器件表面蒸镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉抗蚀剂掩膜（23），随之抗蚀剂掩膜（23）表面上的金属也将被剥离，只在衬底（20）上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。

8.根据权利要求7所述的氮化物外延生长用图形衬底的制作方法，其特征在于，所述干法刻蚀采用反应离子RIE或者感应耦合离子ICP设备进行干法刻蚀，所述湿法刻蚀采用浓硫酸与浓磷酸进行湿法刻蚀。

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