CN113140618B - 一种蓝宝石复合衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓝宝石复合衬底的制备方法，包括如下步骤，在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜，利用化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，利用光阻剂及纳米压印设备进行图形转移，在SiO2层上形成光刻胶孔洞，再进行干法蚀刻，使得光刻胶孔洞进一步蚀刻为图形化孔洞，所述图形化孔洞贯穿SiO2层，所述图形化孔洞为上截面面积大于下截面的漏斗形。本方案采用沉积一层AlN层，再化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，通过蚀刻获得SiO2层上的图形化孔洞的做法，能够提升衬底对于光线的全反射效果，进而提升LED的发光亮度。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片制作技术领域，尤其涉及一种能够提升亮度的复合衬底的制作方法。
背景技术
GaN作为第三代半导体，是国内外研究的热点，具有良好的物理性质和化学性质，具有带隙宽度大、波长随着参杂不同覆盖紫外到可见光，GaN在蓝绿光可见范围应用比较成熟，但在紫外光LED应用方面存在很大问题，主要有：高Al组分GaN生长温度高，制备困难；适合高Al组分的GaN生长的衬底缺乏等。蓝宝石衬底是比较成熟的、广泛使用在目前蓝绿光GaN外延生长的衬底，由于蓝宝石衬底与GaN晶格失配过大，沉积出的GaN薄膜应变较大，外延缺陷严重，量子阱质量下降，导致漏电严重。而AlN薄膜与GaN晶格配度好，能提高GaN生长质量，使外延光学性能变好，特别是在高Al组分GaN生长的紫外方面，AlN作为基底或者buffer层比较适合。AlN属Ⅲ-Ⅴ族化合物绝缘材料，具有高熔点、高硬度、低热膨胀系数和良好的光学性能等特点，可作为蓝宝石衬底与GaN之间的缓冲层，提高外延制备质量。
高性能的GaN基LED作为有潜力的光源已经获得了广泛的关注，并在紫外可见光等各个发光波段都得到了广泛的应用，而提高GaN基LED的光提取效率是进一步将其推广应用的重要前提。目前图形化蓝宝石衬底都存在出光率不高的情况，大部分光被限制在LED芯片内，现多数研究是通过改变器件中的光回路来提高光提取效率，其操作复杂局限性高，且推广性差。SiO2薄膜具有绝热性好，光透过率高，抗腐蚀能力强，良好的介电性质等特点，有极其稳定的化学性质，这些优良的特性使其在半导体领域有着很好的应用，将其作为蓝宝石衬底上微图形的主要材料，能有效提高光提取效率。
在现有的制作技术中，CN 201922247534的技术方案中提到了开口层蚀刻孔洞与半导体层搭配使用的技术方案；现有技术CN201910246248中也提到了蚀刻孔洞的技术方案，但都适用于倒装电极，无法解决正装LED发光强度的问题。
发明内容
为此，需要提供一种能够提升LED发光亮度的蓝宝石复合衬底的制备方法。
为实现上述目的，发明人提供了一种蓝宝石复合衬底的制备方法，包括如下步骤，在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜，利用化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，利用光阻剂及纳米压印设备进行图形转移，在SiO2层上形成光刻胶孔洞，再进行干法蚀刻，使得光刻胶孔洞进一步蚀刻为图形化孔洞，所述图形化孔洞贯穿SiO2层，所述图形化孔洞为上截面面积大于下截面的漏斗形。
进一步地，所述SiO2层的厚度为AlN的10-20倍。
进一步地，所述图形化孔洞的斜角角度为40°-80°。
具体地，在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜具体为，利用磁控溅射方法在Al2O3上沉积生成一层AlN薄膜，溅射工艺条件为：溅射功率50w-500w，衬底温度100-800℃，沉积气压0.2Pa，靶材纯度为99.999％Al，溅射气体N2和Ar，Ar流量20sccm，N2流量3sccm。
具体地，所述SiO2层，厚度为0.5-0.6um，PECVD工艺条件为：SiH4流量45sccm，N2O流量35sccm，N2流量1120sccm，气压600mT，功率50w。
具体地，还进行步骤，使用涂布机旋涂一层UV光阻剂，使用110℃的热板软烘60s，得到光阻剂的厚度为0.5-0.6um，再将带有光阻剂的复合晶圆使用纳米压印设备进行图形转移，凹槽底部留胶10-200nm，和UV固化5-12min，脱膜后得到阻挡图形让片子表面形成周期为600nm的光刻胶孔洞；所述光刻胶孔洞高度550nm±50nm；胶柱直径400-450nm。
具体地，所述干法蚀刻步骤具体进行：
刻蚀气体为110sccmBCl3和9sccmCF3H混合气体，主刻蚀功率300W刻蚀6min，He压5Torr，腔室温度35℃；光刻胶未完全刻完时，SiO2层刻蚀形成孔洞状并且被刻穿，AlN层的刻蚀深度为本层的三分之一到三分之二，最终SiO2与AlN共同形成周期性的图形化孔洞，深度400-600nm。
优选地，还包括步骤，在1400℃-1500℃，生长600-700nm非掺杂AlGaN层将二氧化硅复合图形覆盖；再在此基础上再生长200nm AlGaN，温度1450-1500℃，接着继续生长500nm的n-AlGaN，接着生长6～10对AlGaN/GaN量子阱，再在量子阱上生长带隙p-AlGaN层，最后生长高空穴浓度的p-GaN用于欧姆接触。
优选地，还包括步骤，在外表面制备电极，首先蒸镀一层ITO薄膜，通过Mesa光刻、腐蚀、蚀刻，露出N型AlGaN表面，再进行P/N Pad光刻、清洗、蒸镀Ni/Au、lift-off工艺，制备出N型和P型电极，最后沉积SiO2层进行保护。
在其他一些实施例中，还包括通过上述制备方法制得的蓝宝石复合衬底。
本方案采用沉积一层AlN层，再化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，通过蚀刻获得SiO2层上的图形化孔洞的做法，能够提升衬底对于光线的全反射效果，进而提升LED的发光亮度。
附图说明
图1为本发明一实施方式所述的未发生全反射状态示意图；
图2为本发明一实施方式所述的发生全反射状态示意图；
图3位本发明一实施方式所述的薄膜干涉界面示意图；
图4为本发明一实施方式所述的制备方法流程图；
图5为本发明一实施方式所述的图形化孔洞结构示意图；
图6为本发明一实施方式所述的外延层制作示意图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
GaN折射率约为N3＝2.45，SiO2折射率约为N2＝1.46，AlN折射率约为N1＝2.086，Al2O3折射率为1.77。当光从发光层射入到多复合层图形化衬底上，在多层复合衬底表面及内部进行反射、折射，由折射定律Sin(a)：Sin(b)＝N2：N3，则当入射角角a小于临界值时光发生发射及折射如图1所示，入射光强＝反射光+折射光，反射光存在能量损失。当入射角a大于或者等于临界角时折射光发生全反射。如图2所示，入射光强≈反射光强，反射光不存在能量损失，Sin(a)＝N2/N3。arcsin(a)＝36.6°当入射光大于36.6°时发生全发射。
折射率N1(SiO2)<N2(AlN)>N3(Al2O3)符合增反条件，当光从折射率较小的介质入射到折射率较大的介质表面时，发射光在入射点发生π个相位的跃变，即光程有半个波长的突变。如图3所示，入射光1与反射光2存在半个波长相位差即λ/2，反射光2与反射光3干涉相长需相位相同即波长相差Kλ，2N2d＝Kλ+λ/2，则膜厚d的最小值为λ/4N2。
基于上述原理，本发明方案将提供一种蓝宝石复合衬底的制备方法，如图4所示，包括如下步骤，Step1：准备清洗好的蓝宝石衬底，Step2：在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜，Step3：利用化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，Step4、Step5：利用光阻剂及纳米压印设备进行图形转移，在SiO2层上形成光刻胶孔洞，再进行Step6：干法蚀刻，使得光刻胶孔洞进一步蚀刻为图形化孔洞，所述图形化孔洞贯穿SiO2层，所述图形化孔洞为上截面面积大于下截面的漏斗形。获得的漏斗形图案如图5所示，本方案采用沉积一层AlN层，再化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，通过蚀刻获得SiO2层上的图形化孔洞的做法，能够提升衬底对于光线的全反射效果，进而提升LED的发光亮度。
在具体的实施例中，在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜具体为，利用磁控溅射方法在Al2O3上沉积生成一层AlN薄膜，溅射工艺条件为：溅射功率50w-500w，衬底温度100-800℃，沉积气压0.2Pa，靶材纯度为99.999％Al，溅射气体N2和Ar，Ar流量20sccm，N2流量3sccm。根据上述分析可知膜厚选取为λ/(4N2)(其中λ为芯片出射光的波长，N2为AlN折射率2.0-2.1)，以衬底用于深紫外芯片(280nm)为例，则控制AlN薄膜厚度在30-35nm。通过上述方案能够让AlN薄膜更均衡、稳定地溅射生成。
在其他一些具体的实施例中，2、在制作好的AlN薄膜上利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积SiO2层，厚度可选为AlN的10-20倍，如在本实施例中，SiO2层厚度为0.5-0.6um。本例中PECVD工艺条件为：SiH4流量45sccm，N2O流量35sccm，N2流量1120sccm，气压600mT，功率50w。
进一步的实施例中，Step4具体进行步骤，使用涂布机旋涂一层UV光阻剂，使用110℃的热板软烘60s，得到光阻剂的厚度为0.5-0.6um。再进行步骤Step5：将带有光阻剂的复合晶圆使用纳米压印设备进行图形转移，凹槽底部留胶10-200nm，和UV固化5-12min，脱膜后得到阻挡图形让片子表面形成周期为600nm的光刻胶孔洞；所述光刻胶孔洞高度550nm±50nm；胶柱直径400-450nm。通过上述步骤，能够在二氧化硅层上图形化孔洞。
具体的实施例中，Step6干法蚀刻步骤可以按如下参数进行：刻蚀气体为110sccmBCl3和9sccmCF3H混合气体，主刻蚀功率300W刻蚀6min，He压5Torr，腔室温度35℃；光刻胶未完全刻完时，SiO2层刻蚀形成孔洞状并且被刻穿，AlN层的刻蚀深度为本层的三分之一到三分之二，最终SiO2与AlN共同形成周期性的图形化孔洞，深度400nm-600nm。上述方案能够获得蚀刻至AlN层的图形化孔洞，这里可以控制图形化孔洞的斜角角度为40°-80°。从而满足全反射增强光量的需求。
我们的蓝宝石复合衬底的设计用于满足LED发光芯片的组装需求，因此在后续的过程中，我们还可以对复合衬底进行外延组装，具体进行步骤：在1400℃-1500℃，生长600-700nm非掺杂AlGaN层将二氧化硅复合图形覆盖；再在此基础上，提高温度50-100℃，以生长高质量的200nm厚的AlGaN，温度1450-1550℃，接着继续生长约500nm的n-AlGaN，接着生长6～10对AlGaN/GaN量子阱，再在量子阱上生长带隙p-AlGaN层，最后生长高空穴浓度的p-GaN用于欧姆接触。进一步地在外表面制备电极，首先蒸镀一层ITO薄膜，通过Mesa光刻、腐蚀、蚀刻三个步骤(参照现有技术)，露出N型AlGaN表面，再进行P/N Pad光刻、清洗、蒸镀Ni/Au、lift-off工艺，制备出N型和P型电极，最后沉积SiO2层进行保护。经过SiO2光刻、蚀刻、去胶、金属融合工艺，最终制备出一个完整芯片结构，如图6所示。通过上述步骤，我们完成了LED芯片的制作。我们的制作方法中，克服了高Al组分的GaN生长温度在1400℃以上，生长速度慢的问题，本方案引入的AlN纳米层，可以有效减薄未掺杂AlGaN生长厚度，提高生长效率。还利用AlN、GaN晶体结构和SiO2晶体不一样的特点，解决了GaN在孔状图形化蓝宝石衬底上生长的空隙，且GaN外延生长均从孔洞底部开始到顶部时侧向合并，减少错层生长引发的线性位错群，有效提高GaN生长质量。
在其他一些实施例中，还包括通过上述制备方法制得的蓝宝石复合衬底。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，在蓝宝石衬底上生成一层AlN薄膜，利用磁控溅射方法在Al2O3上沉积生成一层AlN薄膜，溅射工艺条件为：溅射功率50w-500w，衬底温度100-800℃，沉积气压0.2Pa，靶材纯度为99.999％Al，溅射气体N2和Ar，Ar流量20sccm，N2流量3sccm，利用化学气相沉积法在AlN层上沉积一层SiO2层，所述SiO2层的厚度为AlN的10-20倍，所述SiO2层厚度为0.5-0.6um，PECVD工艺条件为：SiH4流量45sccm，N2O流量35sccm，N2流量1120sccm，气压600mT，功率50w，利用光阻剂及纳米压印设备进行图形转移，在SiO2层上形成光刻胶孔洞，再进行干法蚀刻，使得光刻胶孔洞进一步蚀刻为图形化孔洞，所述图形化孔洞贯穿SiO2层，所述图形化孔洞为上截面面积大于下截面的漏斗形；
刻蚀气体为110sccmBCl3和9sccmCF3H混合气体，主刻蚀功率300W刻蚀6min，He压5Torr，腔室温度35℃；光刻胶未完全刻完时，SiO2层刻蚀形成孔洞状并且被刻穿，AlN层的刻蚀深度为本层的三分之一到三分之二，最终SiO2与AlN共同形成周期性的图形化孔洞，深度400-600nm；
在1400℃-1500℃，生长600-700nm非掺杂AlGaN层将二氧化硅复合图形覆盖；再在此基础上再生长200nm AlGaN，温度1450-1500℃，接着继续生长500nm的n-AlGaN，接着生长6～10对AlGaN/GaN量子阱，再在量子阱上生长带隙p-AlGaN层，最后生长高空穴浓度的p-GaN用于欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于，所述图形化孔洞的斜角角度为40°-80°。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于，还进行步骤，使用涂布机旋涂一层UV光阻剂，使用110℃的热板软烘60s，得到光阻剂的厚度为0.5-0.6um，再将带有光阻剂的复合晶圆使用纳米压印设备进行图形转移，凹槽底部留胶10-200nm，和UV固化5-12min，脱膜后得到阻挡图形让片子表面形成周期为600nm的光刻胶孔洞；所述光刻胶孔洞高度550nm±50nm；胶柱直径400-450nm。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于，还包括步骤，在外表面制备电极，首先蒸镀一层ITO薄膜，通过Mesa光刻、腐蚀、蚀刻，露出n- AlGaN表面，再进行P/N Pad光刻、清洗、蒸镀Ni/Au、lift-off工艺，制备出N型和P型电极，最后沉积SiO2层进行保护。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法制得的蓝宝石复合衬底。
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