CN112687778A

CN112687778A - 一种纳米图形化衬底及其制作方法

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Publication number: CN112687778A
Application number: CN202011474285.4A
Authority: CN
Inventors: 徐广源; 崔志强; 贾晓龙; 孟锡俊; 蒋国文
Original assignee: Beijing Zhongke Youwill Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zhongke Youwill Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-04-20

Abstract

本专利公开了一种纳米图形化衬底的制作方法，所述方法包括：步骤一、在衬底上施加具有多个孔洞的模板，所述孔洞的直径范围为100nm‑800nm；步骤二、透过所述模板的孔洞向所述衬底与所述孔洞对应的表面施加氮化铝层；步骤三、将施加有氮化铝层的衬底进行退火。本专利还公开了使用上述方法制作的纳米图形化衬底。通过上述方案使得衬底具有纳米图形化衬底以及磁控溅射形成氮化铝衬底的优点。同时无需复杂的步骤制作图形化衬底也无需在衬底上另外形成缓冲层而直接在衬底上生长高质量的半导体外延材料。因此简化了生产工艺并提高了衬底的质量。

Description

一种纳米图形化衬底及其制作方法

技术领域

本专利属于半导体外延衬底制作领域，涉及一种纳米图形化衬底及其制作方法，尤其是用于生长单层氮化铝或深紫外LED外延结构的衬底，涉及一种图形化衬底的结构及制作方法。

背景技术

在纳米图形化衬底上生长氮化铝或铝镓氮，可以通过侧向外延的生长方式，有效降低氮化铝或铝镓氮的穿透位错密度(TDDs)，提高以此材料为基础生长的 LED结构中电子和空穴的辐射复合效率，改善LED的可靠性和寿命。另外，纳米图形化衬底能改变LED器件内部光的传播方向，提高LED的光提取效率。

但是，在蓝宝石纳米图形化衬底上直接生长氮化铝时，需要的合并厚度比较厚，约为1.5～3um。因为，蓝宝石材质的衬底表面直接生长氮化铝为异质外延，由于蓝宝石和氮化铝之间存在较大的热失配和晶格失配，使得蓝宝石材质的衬底后期在MOCVD设备中生长氮化铝单层或LED结构时需要增加复杂的过度层工艺。并且，这种技术方案下生长的氮化铝或铝镓氮的穿透位错密度(TDDs)高，降低了以此材料为基础生长的LED结构的内量子效率(IQE)。

在现有技术中，纳米图形化衬底的主要制备工艺为：在蓝宝石表面采用纳米压印的技术来制备，首先需要在蓝宝石表面通过PECVD沉积一定厚度的二氧化硅，然后用旋转涂胶的方法涂上一层压印胶。将纳米压印模板放到衬底的涂胶面上，并给予一定的压力，将压印模板上的图形转移到压印胶上。在使用紫外光将压印胶固化后，先使用ICP刻蚀工艺以压印胶为掩膜刻蚀二氧化硅，将图像转移到二氧化硅上，再以二氧化硅为掩膜刻蚀蓝宝石，将图形转移到蓝宝石上，从而制得纳米图形化蓝宝石衬底。此工艺制得的图形化衬底的衬底和图形均为蓝宝石材质，且此制备工艺较为复杂，质量不易控制。

溅射氮化铝为多晶且穿透位错密度(TDDs)高，在其表面用MOCVD工艺直接生长的氮化铝晶体质量较差、且内应力大，容易产生裂纹。

对溅射氮化铝进行高温退火可以显著改善溅射氮化铝的双晶质量，在经过退火后的溅射氮化铝表面通过MOCVD工艺生长200～400nm左右的氮化铝就可以制备出高质量的氮化铝，作为深紫外LED的外延基底材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米图形化衬底及其制作方法，以提高制作纳米图形化衬底的效率且能够提高在该衬底上生长的半导体材料的质量。

为了解决上述技术问题，本专利提供的技术方案包括：

根据本专利的一个方面，提供一种纳米图形化衬底的制作方法，所述方法包括：步骤一、在衬底上施加具有多个孔洞的模板，所述孔洞的直径范围为 100nm～800nm；步骤二、透过所述模板的孔洞向所述衬底与所述孔洞对应的表面施加氮化铝层；步骤三、将施加有氮化铝层的衬底进行退火。

优选地，在所述步骤二中，通过磁控溅射施加所述氮化铝层。

优选地，所述磁控溅射的环境包括：工作功率为1000～4000W，氮气流量为 80～200sccm，氧气流量为0.1～2sccm，氩气流量为0.1～40sccm，温度为400～750℃。

优选地，所述氮化铝层的厚度为10～200nm。

优选地，所述步骤三中退火的环境包括：温度为500～1000℃，退火时间为 0.2～3h，退火气氛为氮气，氮气流量为200～10000sccm。

优选地，所述衬底包括蓝宝石衬底。

优选地，所述孔洞的形状包括方形、圆形或者其它异形。

优选地，所述模板上的孔洞均匀排列。

优选地，在所述步骤二中，通过原子层沉积方法或气相化学沉积方法施加所述氮化铝层。

根据本专利的另外一个方面，提供一种纳米图形化衬底，所述衬底采用如如上的方法制成。

采用上述工艺制作衬底，使得衬底具有纳米图形化衬底以及磁控溅射形成氮化铝衬底的优点。同时无需复杂的步骤制作图形化衬底也无需在衬底上另外形成缓冲层而直接在衬底上生长高质量的半导体外延材料。因此简化了生产工艺并提高了衬底的质量。

附图说明

图1为本专利具体实施方式中一种纳米图形化衬底及其制作方法的流程图。

图2为本专利具体实施方式中在蓝宝石平面衬底覆盖有纳米孔洞的纳米压印模板后的截面示意图。

图3为本专利具体实施方式中表面均匀分布有纳米孔洞的纳米压印模板的俯视图。

图4为本专利具体实施方式中在纳米压印模板上溅射一定厚度的氮化铝层后的截面示意图；

图5为本专利具体实施方式中去除纳米压印模板后的纳米图形化衬底的截面示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。需要指出的是，该具体实施方式是对本专利优选技术方案的举例，不能理解为对本专利保护范围的限制。

实施例一

本实施例提供了一种图形为氮化铝的纳米图形化衬底的制作方法。所述方法用于半导体芯片，尤其是LED半导体芯片的制作中。在本专利中，制作纳米图形化衬底可以作为半导体芯片制作过程中的一个环节与其它制作半导体材料的步骤连续进行，也可以单独制作出图形化衬底，而以提供模板的方式在后续的步骤中制作半导体芯片。

在本具体实施方式中，如图1所示，所述方法采用如下步骤：

步骤一、在衬底上施加具有孔洞的模板

在本步骤中，如图2所示，所述衬底1是形成半导体材料的基底。例如，在 LED芯片的制作过程中使用的衬底，包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底等。衬底作为半导体材料的基底使用，在其上形成半导体材料的外延层以实现各种半导体芯片的功能。在LED芯片中，衬底通常使用在倒装的LED芯片中，通过在衬底上形成PN结的方式形成倒装的LED芯片，倒装LED芯片产生的光线，从衬底射出。

尽管现有技术中已经具有在衬底上形成纳米图案或者在衬底上溅射半导体材料制成模板的技术方案。但是这些方案存在技术加工难度大或者质量不容易提高的缺陷。

在本实施例中，如图3所示，使用具有孔洞3的模板2在所述衬底上形成氮化铝层。具体而言，所述具有孔洞的模板的尺寸与所述衬底的相匹配。例如根据常用的LED芯片的尺寸设置2英寸或4英寸的模板，以与相应尺寸的LED芯片相匹配。所述相匹配是指在需要模板覆盖的区域所述模板具有足够的尺寸即可。

在本具体实施方式中，所述模板的材质可以是现有技术中各种适合的材质，只要能够形成足够精度的纳米孔洞，以及能够在没有孔洞的地方阻止氮化铝或者类似材料的渗透即可。

在本具体实施方式中，所述模板上形成的孔洞是贯穿所述模板的孔洞，其可以是各种适宜的形状，例如是方形也可以是圆形或者异形。所述孔洞的尺寸为 100nm～800nm，也就是本专利中所称的纳米孔洞。

进一步地，所述孔洞均匀分布在所述模板上，这样基于孔洞形成的氮化铝也能够均匀分布在衬底上，如此可以保持衬底整体的平整与均匀。

步骤二、透过所述模板的孔洞向所述衬底与所述孔洞对应的表面部分施加氮化铝

在本步骤中，如图4所示，可以通过磁控溅射等方式向所述衬底1表面施加氮化铝层4。将施加有模板的衬底置于磁控溅射设备中，在本具体实施方式中优选地，氮化铝溅射中作业功率为1000～4000W，氮气的体积流量为80～200sccm，氧气的体积流量为0.1～2sccm，氩气的体积流量为0.1～40sccm，温度400～750℃。在上述工艺环境下能够生长出质量较为可靠的氮化铝层，为后续操作提供基础。

除了磁控溅射外，还可以采用其它的溅射手段来形成氮化铝层。并且也可以原子层沉积方法或采用MOCVD，即气相化学生长的方法来低温形成氮化铝层。

由于所述衬底的表面由所述模板覆盖，因此，只有所述模板中设置有孔洞的位置由于露出了衬底的部分表面，因此在所述衬底上只有这些露出的部分表面才会施加有氮化铝，并且所述衬底的表面上施加的氮化铝层的形状与所述纳米孔洞相匹配。

在本步骤中，所述氮化铝层4的厚度优选为10～200nm。这样既能够在所述衬底上形成氮化铝层，而且使得氮化铝层具有纳米图形，因此为半导体外延层的生长提供了良好的基础。

步骤三、将施加有氮化铝层的衬底进行退火

磁控溅射生产的氮化铝为多晶结构且穿透位错密度(TDDs)高。如果在磁控溅射层生产的氮化铝表面上直接进行氮化铝半导体外延层的生长则容易出现晶体质量较差、且内应力大，容易产生裂纹。

本专利具体实施方式中，对磁控溅射形成的具有氮化铝的衬底，如图5所示，进行退火处理，来解决上述问题。在本具体实施方式，所述退火可以在退火炉中进行，即将步骤二中制得的带有纳米图形氮化铝层置于退火炉中进行退火操作。所述退火炉优选为中频退火炉退火温度为500～1000℃，退火时间为0.2～3h，退火气氛为氮气，氮气流量为200～10000sccm。经过退火后，可以降低氮化铝的位错密度，最终制得图形为具有低位错密度的氮化铝的纳米图形化衬底。

本具体实施方式通过上述手段制备得到的纳米图形化衬底，通过模板的方式形成具有纳米图案的氮化铝层，并且通过退火工艺改善了氮化铝的位错密度。这样，使得这种衬底具有纳米图形衬底的优点即可以作为基底直接在MOCVD设备中生长高温氮化铝，无需生长过度层。并且生长的氮化铝位错穿透位错密度(TDDs) 低、无裂纹。整个方法相对于现有技术而言，工艺复杂度降低，无需制备两种不同材质的掩膜，并通过两次刻蚀才能实现图形转印到衬底表面；降低了传统工艺制备的纳米图形化衬底的成本和生产周期。

实施例二

本实施例提供了一种图形为氮化铝的纳米图形化衬底。本实施例二中的衬底即为采用实施例一中的方法所制得。所述衬底包括第一层，所述第一层为底层，所述底层为蓝宝石或者其他适宜材料形成的平片。第二层为纳米图案层，所述纳米图案层为氮化铝层，所述氮化铝层优选均匀分布在所述第一层上，以保持衬底整体的平整性。并且所述氮化铝层采用实施例一中的工艺施加在所述衬底上。

本实施例的衬底具有制作工艺简单，且能够直接在其上进行高温气相化学沉积操作，制作高质量的半导体材料外延层。

以上所述，仅为本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本专利的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本专利的保护范围内。

Claims

1.一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、在衬底上施加具有多个孔洞的模板，所述孔洞的直径范围为100nm-800nm；

步骤二、透过所述模板的孔洞向所述衬底与所述孔洞对应的表面施加氮化铝层；

步骤三、将施加有氮化铝层的衬底进行退火。

2.根据权利要求1所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，

在所述步骤二中，通过磁控溅射施加所述氮化铝层。

3.根据权利要求2所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述磁控溅射的环境包括：工作功率为1000～4000W，氮气流量为80～200sccm，氧气流量为0.1～2sccm，氩气流量为0.1～40sccm，温度为400～750℃。

4.根据权利要求2或3所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述氮化铝层的厚度为10～200nm。

5.根据权利要求2所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述步骤三中退火的环境包括：温度为500～1000℃，退火时间为0.2～3h，退火气氛为氮气，氮气流量为200～10000sccm。

6.根据权利要求2所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底。

7.根据权利要求1所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述孔洞的形状包括方形、圆形或者其它异形。

8.根据权利要求1所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述模板上的孔洞均匀排列。

9.根据权利要求1所述的一种纳米图形化衬底的制作方法，其特征在于，一种纳米图形化衬底，其特征在于，在所述步骤二中，通过原子层沉积方法或气相化学沉积方法施加所述氮化铝层。

10.一种纳米图形化衬底，其特征在于，所述衬底采用如权利要求1-6中任一项所述的方法制成。