CN105552177A - 无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，它涉及一种蓝宝石的制备方法。本发明是为了解决干法刻蚀在蓝宝石表面难以制作超高占位比三角锥的问题。本方法如下：将预处理后的圆锥形图形化蓝宝石片置于石英花篮中，将石英烧杯中混合溶液A高温湿法刻蚀，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干，即得超高占位比三角锥图形化蓝宝石。本发明的超高占位比三角锥图形化蓝宝石的制备方法能有效地将圆锥形图形化蓝宝石转化为超高占位比三角锥图形化蓝宝石，且生成的超高占位比三角锥图形化蓝宝石规则有序，重复性好。采用的设备简单，操作方便，易于掌握，过程安全、无污染。本发明属于蓝宝石的制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石的制备方法。
背景技术
三氧化二铝(Al2O3)，又称蓝宝石，天然的蓝宝石缺陷与杂质含量太多，所以大多是以多晶形态存在，因此大部分的蓝宝石无法发挥单晶的优越性能。单晶形态的蓝宝石基板为六方密堆积结构，由于蓝宝石具有优良的化学、光学、热力学、机械和电学性质，使得蓝宝石成为目前最广泛的人工合成单晶材料。蓝宝石是制作氮化镓磊晶发光层的主要基底材质，氮化镓可用来制作超高亮度蓝光、绿光、白光LED。蓝宝石作为制备LED所需的衬底材料，在普通蓝宝石生长的氮化镓，大量位错缺陷从底部向上传播。生长在沟槽型蓝宝石衬底上的氮化镓，氮化镓层在蓝宝石衬底顶部进行侧向生长，在图形侧壁上两个生长前沿边界合并时形成了一些空洞。氮化镓在PSS上的异质结构的侧向生长区域位错弯曲了90°，位错没有传播到氮化镓层的表面，从而增强氮化镓基发光二极管(LED)的发光性能。
蓝宝石单晶的图形化衬底制作方法主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前湿法刻蚀成本较低，且容易在蓝宝石表面制得具有倾斜面的图形，干法刻蚀容易对蓝宝石衬底表面，特别是台面边缘部位，造成一定的污染和损伤，其中部分位错将延伸到上层侧向外延层中，不利于外延层薄膜质量的进一步提高，也不能在蓝宝石表面制备出超高占位比三角锥。
发明内容
本发明的目的是为了解决干法刻蚀在蓝宝石表面难以制作超高占位比三角锥的问题，提供了一种无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法。
无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、预处理：在室温下，将圆锥形图形化蓝宝石片置于乙醇中浸泡3～18h，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干；
二、将经步骤一处理后的圆锥形图形化蓝宝石片置于石英花篮中，将石英烧杯中混合溶液A升温至201～280℃，其中混合溶液A为磷酸和硫酸的混合液，磷酸与硫酸的体积比为1∶(2.8～4.8)，将载有圆锥形图形化蓝宝石片的石英花篮放入石英烧杯中，刻蚀3～225min；
三、将经步骤二处理后的圆锥形图形化蓝宝石片从石英烧杯中取出，然后用去离子水冲洗，再氮气吹干，即得无间距三角锥图形化蓝宝石。
本发明的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法的每个步骤中采用的容器不能与使用的溶液发生反应。例如采用高纯石英容器。
本发明的步骤二中使用的硫酸、磷酸均为市售产品。
本发明的步骤一至步骤三中使用的石英产品，均为美国GE石英材料制成。
本发明的制备方法能有效地将圆锥形图形化蓝宝石转化为超高占位比三角锥图形化蓝宝石，且生成的超高占位比三角锥图形化蓝宝石规则有序，重复性好。本发明的设备简单，操作方便，易于掌握，过程安全、无污染。
无间距三角锥图形化蓝宝石衬底表面图形规则有序、结构紧凑，对LED灯内部产生的光线能很好的反射作用，改变入射光子角度，从而提高LED灯出光效率；而且由于图形的高占位比，在其上生长的氮化镓层中的位错弯曲，减少穿线位错的数量，提升氮化镓层晶体的质量，从而增强LED灯的发光性能。
本发明的有益效果是：
(1)针对蓝宝石单晶的结构稳定，难以刻蚀和破坏共价键等特点，本发明确定了湿法刻蚀所用溶剂的顺序及物质配比，采用本发明的刻蚀方法能够得到表面有序的超高占位比三角锥图形化蓝宝石。
(2)对圆锥形图形化蓝宝石进行预处理(步骤一)，利用蓝宝石单晶在无水乙醇中浸泡处理，此步去除的主要为与表面结合较弱的污染物。去离子水冲洗，氮气吹干，防止蓝宝石片上留下水渍。
(3)步骤二和步骤三中使用的石英容器，是具有特定功能结构。
(4)步骤二中利用硫酸和磷酸的强腐蚀性，去破坏蓝宝石的共价键，对不同晶面进行不同速率的刻蚀，从而在蓝宝石表面刻蚀出超高占位比三角锥图形。
(5)步骤三中采用过氧化氢、硫酸和磷酸的混合溶液加热处理，可以有效的增加蓝宝石表面的刻蚀速率。
附图说明
图1是对未经实验一处理的圆锥形图形化蓝宝石的扫描电子显微镜图；
图2是实验一所得的无间距三角锥图形化蓝宝石的扫描电子显微镜图；
图3是实验一所得的无间距三角锥图形化蓝宝石的扫描电子显微镜图；
图4是实验一所得的无间距三角锥图形化蓝宝石的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、预处理：在室温下，将圆锥形图形化蓝宝石片置于乙醇中浸泡3～18h，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干；
二、将经步骤一处理后的圆锥形图形化蓝宝石片置于石英花篮中，将石英烧杯中混合溶液A升温至201～280℃，其中混合溶液A为磷酸和硫酸的混合液，磷酸与硫酸的体积比为1∶(2.8～4.8)，将载有圆锥形图形化蓝宝石片的石英花篮放入石英烧杯中，刻蚀3～225min；
三、将经步骤二处理后的圆锥形图形化蓝宝石片从石英烧杯中取出，然后用去离子水冲洗，再氮气吹干，即得无间距三角锥图形化蓝宝石。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至260～270℃，刻蚀时间为3～5min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至240～250℃，刻蚀时间为6～12min。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至201～210℃，刻蚀时间为150～200min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至230℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中混合溶液A中磷酸与硫酸的体积比为1∶4。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中磷酸与硫酸的体积比为1∶(3～3.8)。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中磷酸与硫酸的体积比为1∶3.5。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤二中刻蚀时间为30～200min。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中刻蚀时间为150min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
实验一：无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、预处理：在室温下，将圆锥形图形化蓝宝石片置于乙醇中浸泡10h，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干；
二、将经步骤一处理后的圆锥形图形化蓝宝石片置于石英花篮中，将石英烧杯中混合溶液A升温至210℃，其中混合溶液A为磷酸和硫酸的混合液，其中磷酸与硫酸的体积比为1∶3，将载有圆锥形图形化蓝宝石片的石英花篮放入石英烧杯中，刻蚀175～225min；
三、将经步骤二处理后的图形化蓝宝石片从石英烧杯中取出，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干，即得无间距三角锥图形化蓝宝石。
实验一步骤二中的浓硫酸和磷酸为市售产品，浓硫酸的质量百分浓度为98％，磷酸为质量百分浓度为85％的市售磷酸。
实验一的步骤一至步骤三中使用的石英产品，均采用美国GE石英材料仪器。
对未经实验一处理的圆锥形图形化蓝宝石(图1)和经实验一处理后得到的无间距三角锥图形化蓝宝石(图2、图3、图4)进行扫描电子显微镜(SEM)测试，测试得到的SEM谱图分别如图1、图2、图3和图4所示。从图2、图3和图4可见，无间距三角锥图形化蓝宝石规则有序，重复性好，图形相互连接，没有间距。
可见，经实验一生成的无间距三角锥图形化蓝宝石图形紧凑，规则有序，重复性好，且采用的设备简单，操作方便，易于掌握，过程安全、无污染。
Claims (10)
1.无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、预处理：在室温下，将圆锥形图形化蓝宝石片置于乙醇中浸泡3～18h，然后用去离子水冲洗圆锥形图形化蓝宝石片，再氮气吹干；
二、将经步骤一处理后的圆锥形图形化蓝宝石片置于石英花篮中，将石英烧杯中混合溶液A升温至201～280℃，其中混合溶液A为磷酸和硫酸的混合液，磷酸与硫酸的体积比为1∶(2.8～4.8)，将载有圆锥形图形化蓝宝石片的石英花篮放入石英烧杯中，刻蚀3～225min；
三、将经步骤二处理后的圆锥形图形化蓝宝石片从石英烧杯中取出，然后用去离子水冲洗，再氮气吹干，即得无间距三角锥图形化蓝宝石。
2.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至260～270℃，刻蚀时间为3～5min。
3.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至240～250℃，刻蚀时间为6～12min。
4.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至201～210℃，刻蚀时间为150～200min。
5.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中将石英烧杯中混合溶液A升温至230℃。
6.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中混合溶液A中磷酸与硫酸的体积比为1∶4。
7.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中磷酸与硫酸的体积比为1∶(3～3.8)。
8.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中磷酸与硫酸的体积比为1∶3.5。
9.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中刻蚀时间为30～200min。
10.根据权利要求1所述的无间距三角锥图形化蓝宝石的制备方法，其特征在于步骤二中刻蚀时间为150min。
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