CN109841709A - 一种图形化复合衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图形化复合衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干垂直交错排布的周期性沟道阵列；步骤2：在清洗后的蓝宝石衬底表面实现一层介质薄膜层；步骤3：在带有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成周期性条形光栅掩膜图形；步骤4：将掩膜图形转移到介质薄膜层和蓝宝石衬底上，该蓝宝石衬底表面形成有条形光栅微结构图形，经过清洗后，再再表面形成一层氮化铝单晶薄膜层，最后实现图形化复合衬底。本发明有效地避免了LED芯片光电性能损伤问题，大大提高了LED芯片的发光效率，并提高制程良率，降低生产成本。

Description

一种图形化复合衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及一种图形化复合衬底，具体地说是一种主要应用在高光效氮化镓基发光二极管(GaN-based LED)外延上的图形化复合衬底的制备方法。

背景技术

以氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金材料为主的第三代半导体材料，由于其能带宽度范围可在0.7eV至6.2eV连续可调，且均为直接带隙，以及其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基发光二极管(LED)、激光器、电子功率器件等光电器件的优选材料。但是，由于GaN单晶材料制备非常困难，又很难找到与GaN晶格匹配的衬底材料，目前99％以上的GaN基LED器件均是通过异质外延生长获得的，所采用的衬底材料主要是蓝宝石衬底。然而，蓝宝石与GaN材料的晶格常数相差约15％，导致在蓝宝石衬底上生产的氮化物材料晶体质量差，位错密度达到10⁸-10¹⁰/cm²，从而影响器件的使用寿命和发光效率。图形化蓝宝石衬底(PSS)技术在GaN 基LED外延生长中得到大幅度推广与应用，呈现迅猛发展的势头。相对采用平片蓝宝石衬底制作的LED芯片，PSS对应的LED芯片亮度提升30％左右。PSS 已经成为LED产业的主流衬底材料。

考虑到异质材料界面的折射率差越大，越有利于LED出光效率的提高。然而，蓝宝石折射率(n≈1.78)与GaN材料折射率(n≈2.5)的差值只有0.7左右，不利于进一步提升LED的出光效率；同时，PSS本身与GaN的晶格失配大等因素限制了LED内量子效率的进一步提升。此外，由于蓝宝石材料的化学键能大性能稳定的特点，导致PSS制备困难、成本高。此外，LED芯片加工过程中，采用紫外激光切割方法，对晶片划裂成LED芯片单元时，激光烧蚀会使得LED 芯片边缘区域受到损伤，影响电学性能；另外，切割过程产生的残渣落在芯片表面不易清理，影响出光效率。特别地，对于Mini-LED和Micro-LED这类小尺寸芯片，若仍采用激光切割方式进行芯片分离，芯片面积的受损比例相对更大，有效发光区域缩小，势必对LED芯片的光电性能产生严重影响，以及降低批量生产过程中的成品率。如何实现高光效、低成本的LED芯片是制约该产业发展的一大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种图形化复合衬底的制备方法，该制备方法所实现的衬底，不需要进行激光切割，就能实现LED芯片分离，有效地避免了 LED器件光电性能损伤问题，改善了芯片出光效率，并提高制程良率，降低LED 产业的生产成本。

本发明的技术方案：

一种图形化复合衬底的制备方法，步骤如下：

步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干垂直交错排布的周期性沟道阵列；控制垂直交错排布的周期性沟道阵列中，横向与纵向沟道的夹角为90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm；沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为40μm-120μm，沟道侧壁倾斜度为30°-90°；

步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗后，在蓝宝石衬底表面形成一层介质薄膜层；将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟；

采用等离子体增强化学气相沉积技术或旋涂氧化硅溶液方式，在蓝宝石衬底表面形成一层厚度在100nm-3μm间的介质薄膜层，该介质薄膜层为二氧化硅薄膜层；

步骤3：采用光刻或者压印方式，带有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成条形光栅掩膜图形；

步骤4：将条形光栅掩膜图形转移到介质薄膜层和蓝宝石衬底表面，该蓝宝石衬底表面形成有条形光栅微结构图形阵列；图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼、六氟化硫和氧气，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，并在图形间隔去露出蓝宝石表面；

步骤5：对带有条形光栅微结构图形阵列和介质沟道的衬底进行清洗后，在蓝宝石沉底表面沉积一层氮化铝单晶薄膜层，从而获得图形化复合衬底。

所述条形光栅微结构图形阵列为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形横截面形貌为类三角形、梯形、矩形或抛物线状。

所述条形光栅微结构图形阵列表面和蓝宝石表面所覆盖的氮化铝单晶薄膜层，薄膜层厚度为1纳米至100纳米。

本发明具有以下的有益效果：

(1)由于二氧化硅介质的折射率约为1.45，相对蓝宝石材料(n＝1.78)，它与GaN之间的折射率差更大，从而更有利于LED出光效率的提升。

(2)AlN单晶薄膜层的引入，使得GaN材料在与之晶格常数接近的AlN 界面进行类似同质外延生长模式的方式进行结晶生长，大大弱化了因蓝宝石与氮化镓之间晶格失配造成的应力影响，有利于改善GaN材料的晶体质量，从而起到提高LED内量子效率的作用；另外，AlN薄膜层的引入，避免了GaN材料在最初生长阶段缓存层的生长，并缩短了热循环过程，从而提升了MOCVD设备的产能，降低了LED器件成本。

(3)本发明图形化复合衬底制备工艺简单，仅对二氧化硅介质层进行刻蚀，刻蚀速率快，设备产能达，且与现有的图形衬底工艺匹配，适用于工业化生产。

(4)采用本发明衬底进行GaN基LED外延，由于采用二氧化硅材料等异质材料进行沟道区填充，在沟道区不会生长出GaN晶体，外延过程结束后直接在蓝宝石基板上获得相互独立的高性能的LED外延片单元。将蓝宝石基板减薄至沟道接触面时，不需要进行激光切割，只要采用常温HF溶液进行腐蚀就可以获得完全独立的LED芯片单元，避免了因激光切割导致的LED发光区损伤，导致器件光电性能下降的问题。

(5)分离后LED芯片的蓝宝石基板侧壁光滑，且呈现一定的倾斜角度，通过优化倾斜角度，可进一步提高LED的出光效率；

(6)LED芯片制程成品通过率高，避免了激光切割导致芯片废品率高的问题。

附图说明

图1本发明方法制备得到的图形化蓝宝石衬底的俯视示意图；

图2为本发明流程示意图；

图3是本发明基于等离子体干法刻蚀技术的图形化蓝宝石衬底制备的工艺流程图；

图4是本发明基于等离子干法刻蚀技术所实现的图形化蓝宝石衬底微结构图形结构示意图。

图中：1蓝宝石衬底；2条形光栅微结构图形阵列；3沟道；4薄膜层。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例一

如图1、2、3和4所示，本发明揭示了一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将蓝宝石衬底1放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底1表面形成由若干个沟道3交错排布的周期性沟道阵列。横向与纵向沟道的夹角为 90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-1000μm，沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为40μm-120μm，沟道侧壁倾斜度为30°-90°。比如，可具体为：横向与纵向沟道的周期分布在10μm、100μm、500μm或1000μm，沟道宽度为10μm、 20μm、30μm或者50μm，沟道侧壁倾斜度为40°、60°或者90°。具体的数字还可在上述区间范围内灵活选择。

步骤2：在清洗干净的蓝宝石衬底1表面沉积一层介质薄膜层3，该介质薄膜层也覆盖在沟通表面，该介质薄膜层为SiO₂薄膜层。将蓝宝石衬底放入等离子体增强化学气相沉积真空室中，预热、抽真空、通入工艺气体，沉积速率控制在20nm/min,在蓝宝石衬底上沉积一层厚度在2000nm的介质薄膜层，工艺气体包括硅烷、氮气、氧气和四氟化碳。

步骤3：在沉积有介质薄膜层3的蓝宝石衬底1上形成掩膜图形。采用光刻方式，通过对蓝宝石衬底进行涂胶、前烘、曝光、显影，得到光刻胶掩膜图形4。

步骤4：将掩膜图形4转移到SiO₂薄膜层表面3上，该蓝宝石衬底1表面形成有条形光栅结构图形2。该图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼和三氟甲烷，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为 100-700W，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到二氧化硅介质薄膜层，并露出蓝宝石表面，由于沟道区被二氧化硅介质填充，则不会露出蓝宝石表面，沟道的表面也形成了条形光栅结构图形。得到的条形光栅结构图形的横截面图为三角形，通过改变ICP刻蚀工艺条件，可实现梯形、矩形或抛物线状形貌。

步骤5：在步骤4实现的带有条形光栅结构的蓝宝石复合衬底上采用物理气相沉积的方法，在其表面衬底一层单晶氮化铝薄膜层4，薄膜厚度在1纳米至 100纳米可控。

该光栅结构图形4包含覆盖在其表面的单晶氮化铝薄膜4和二氧化硅介质图形2。

此外，所述微结构图形的形貌还可为类圆锥形、三棱锥形或三棱台形，或者其他形状，在此不再一一列举。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干垂直交错排布的周期性沟道阵列；

步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗后，在蓝宝石衬底表面形成一层介质薄膜层；

步骤3：采用光刻或者压印方式，带有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成条形光栅掩膜图形；

步骤4：将条形光栅掩膜图形转移到介质薄膜层和蓝宝石衬底表面，该蓝宝石衬底表面形成有条形光栅微结构图形阵列；

步骤5：对带有条形光栅微结构图形阵列和介质沟道的衬底进行清洗后，在蓝宝石沉底表面沉积一层氮化铝单晶薄膜层，从而获得图形化复合衬底。

2.根据权利要求1所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

步骤1中，控制垂直交错排布的周期性沟道阵列中，横向与纵向沟道的夹角为90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm；沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为40μm-120μm，沟道侧壁倾斜度为30°-90°。

3.根据权利要求1或2所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

步骤2中，将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟；

采用等离子体增强化学气相沉积技术或旋涂氧化硅溶液方式，在蓝宝石衬底表面形成一层厚度在100nm-3μm间的介质薄膜层，该介质薄膜层为二氧化硅薄膜层。

4.根据权利要求1或2所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

步骤4中，图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼、六氟化硫和氧气，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，并在图形间隔去露出蓝宝石表面。

5.根据权利要求3所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

步骤4中，图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼、六氟化硫和氧气，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，并在图形间隔去露出蓝宝石表面。

6.根据权利要求1、2或5所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

条形光栅微结构图形阵列为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形横截面形貌为类三角形、梯形、矩形或抛物线状。

7.根据权利要求3所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

条形光栅微结构图形阵列为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形横截面形貌为类三角形、梯形、矩形或抛物线状。

8.根据权利要求4所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

条形光栅微结构图形阵列为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形横截面形貌为类三角形、梯形、矩形或抛物线状。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

条形光栅微结构图形阵列表面和蓝宝石表面所覆盖的氮化铝单晶薄膜层，薄膜层厚度为1纳米至100纳米。

10.根据权利要求6所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，

条形光栅微结构图形阵列表面和蓝宝石表面所覆盖的氮化铝单晶薄膜层，薄膜层厚度为1纳米至100纳米。