CN115020562A - 具有团簇状小岛微结构的衬底的制备方法和外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，公开了一种具有团簇状小岛微结构的衬底的制备方法和外延结构，S1：在所述衬底本体（1）的表面沉积一定厚度的金属薄膜层（2）；S2：在所述金属薄膜层（2）上涂布正性光刻胶（3），然后依次经过曝光、显影工艺，在所述金属薄膜层（2）上形成具有周期性排布的光刻窗口（301）；S3：使用干法刻蚀逐渐刻蚀掉所述金属薄膜层（2），即得到所述图形化衬底。本方法制备出的衬底的凸起结构的表面和周围具有团簇状小岛微结构，这种团簇状小岛微结构相当于增加了凸起结构的密度，增大了其反射表面积，提高了LED器件的出光效率；增大衬底C面的图案化占比有利于提升侧向外延效果，以改善LED器件的内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种具有团簇状小岛微结构的衬底的制备方法和外延结构。
背景技术
半导体发光二极管(light-emission diodes，LEDS)因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，蓝、绿光GaN基LED芯片在显示、照明领域发展迅速；国内LED照明已经取代普通照明约30％份额，为继续提高LED在照明市场普及率，需要继续提升LED在光亮度、光品质方面的性能。目前主流蓝绿GaN基LED外延片95％以上都是使用蓝宝石基板做衬底材料，蓝宝石衬底因硬度大、透光率高、工艺成熟等特点，在今后主流LED市场仍将会是最主要的衬底材料。目前采用的蓝宝石衬底基本上都是进行了图形化( Patterned SapphireSubstrates，PSS)加工后再用于LED外延生长。因为在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，提高外延层晶体质量以提高LED电学特性；另外，蓝宝石的折射率为1.8，氮化镓的折射率为2.5，由于折射率的差异，当光从氮化镓外延层进入蓝宝石图形衬底时，会形成全反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。基于PSS衬底的外延材料制成的LED器件参数表明，其20A/cm2电流密度下相同尺寸芯片的光功率相比蓝宝石平片衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。
现有技术中PSS衬底普遍为金字塔形状的立体图案，如图1，这种具有金字塔形状立体图案的PSS衬底主要是依靠金字塔的锥形表面对LED的出光反射，想要更多的对LED的出光进行反射，就需要尽可能的在衬底上将这种金字塔形状的立体图案做的更密集，但是由于蓝宝石衬底（Al2O3）较硬，刻蚀较困难，图案分布较密集时很难控制刻蚀深度和精度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有团簇状小岛微结构的衬底的制备方法和外延结构，本衬底中的凸起结构的表面侧壁下部具有团簇状小岛微结构，这种团簇状小岛微结构相当于增加了凸起结构的密度，增大了其反射表面积，提高了LED器件的出光效率；衬底C面图案化提升侧向外延效果，改善LED器件的内量子效率。
技术方案：
本发明还提供了一种所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，图形化衬底，包括表面具有周期性排布的凸起结构的衬底本体，在所述凸起结构的表面侧壁下部分布有若干团簇状的小岛微结构；其制备方法包括以下步骤：S1：在所述衬底本体的表面沉积一定厚度的金属薄膜层；S2：在所述金属薄膜层上涂布正性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，在所述金属薄膜层上形成具有周期性排布的光刻窗口； S3：使用干法刻蚀逐渐刻蚀掉所述金属薄膜层，即得到所述图形化衬底。
优选地，所述金属薄膜层为Ag、Al或Ni材料。
优选地，在所述S1中，所述金属薄膜层的厚度为1 nm~ 50 nm
优选地，在所述S3中，所述干法刻蚀的条件为：采用三氯化硼（BCl3）气体作为刻蚀气体，流量为100 sccm~ 200 sccm，上电极刻蚀功率为1000 W~ 1500W，下电极刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT，刻蚀时间为10 min~ 40 min。
优选地，所述小岛微结构的底径范围为10~500 nm，高度范围为5~1000 nm，间距范围为10~400 nm。
优选地，所述凸起结构为圆锥体、金字塔状或导弹状结构。
优选地，所述凸起结构的周期P范围为300 nm~ 5000 nm。
优选地，所述凸起结构的底径d为800 nm~ 4900 nm，高度h为500 nm~3000 nm。
优选地，所述衬底本体为蓝宝石材质。
本发明还提供了一种具有团簇状小岛微结构的LED外延结构，包括所述的图形化衬底。
进一步地，所述的具有团簇状小岛微结构的LED外延结构，还包括依次设置于该图形化衬底上的N型层、发光层和P型层。
有益效果：
本发明通过在衬底本体表面沉积具有热塑性和变形性的金属薄膜层，在该金属薄膜层上涂布正性光刻胶后，依次经过曝光、显影工艺，在金属薄膜层上制备出具有周期性排布、图案化的光刻窗口；在后续进行干法刻蚀时，首先会刻蚀掉裸露的金属薄膜层以及正性光刻胶，裸露的金属薄膜层被刻蚀掉之后，再刻蚀裸露的衬底本体，覆盖在正性光刻胶下方的金属薄膜层则是在其上方的正性光刻胶被刻蚀掉之后开始被逐渐刻蚀；在刻蚀该金属薄膜层的过程中，由于金属的挥发性较小，大部分的金属颗粒能够跟随刻蚀的副产物被抽走，但是仍会留下少许金属颗粒不能被吸走，留下来的少部分金属颗粒会附着在将要形成凸起结构的衬底本体表面，在后续的干法刻蚀中，这些附着的金属颗粒在被再次刻蚀的同时，还能够以其自身作为掩膜，覆盖在衬底表面侧壁上，在继续干法刻蚀的过程中，覆盖有金属颗粒的那部分衬底本体的下方相对于其他部位，会被延迟刻蚀，这样，覆盖有金属颗粒的那部分衬底本体就会形成团簇状的小岛微结构，当这些附着在衬底本体表面侧壁的金属颗粒被完全刻蚀掉之后，就形成了表面具有团簇状小岛微结构的凸起结构，完成了图形化衬底的制备。
本方法制备出的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底中，凸起结构的表面侧壁下部具有团簇状小岛微结构，这种团簇状小岛微结构相当于增加了凸起结构的密度，增大了其反射表面积，提高了LED器件的出光效率；增大衬底C面的图案化占比有利于提升侧向外延效果（衬底上没有凸起结构时，是个平面，这个平面就是C面，C面图案化就是在C面上做图案，做了图案后C面面积减小，衬底晶体质量变好，则能够提升侧向外延效果），改善LED器件的内量子效率。
本申请中的图形化衬底的制备工艺流程简单，加工效率高，结构性能稳定，成本低，可靠性好。
附图说明
图1为现有技术中具有金字塔形状立体图案的蓝宝石衬底的侧视剖视图；
图2至图7分别为本发明中具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图8为通过本发明方法制备得到的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的扫扫描电子显微镜图片，其中左侧为具有多个凸起结构的图片，右图为其中一个凸起结构的放大图片；
图9为包含具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的LED外延结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底本体1的表面沉积厚度为20nm的Ag、Al或Ni，形成金属薄膜层2；如图2。
S2：在金属薄膜层2上涂布正性光刻胶3，然后依次经过曝光、显影工艺，在金属薄膜层2上制备出具有周期性排布的光刻窗口301；如图3。
S3：使用干法刻蚀将光刻窗口301内及被正性光刻胶3覆盖住的金属薄膜层2逐渐刻蚀掉，如图4~7。干法刻蚀的条件为：采用三氯化硼气体作为刻蚀气体，流量为150 sccm，上电极刻蚀功率为1200W，下电极刻蚀功率为600W，腔体压强为2mT，刻蚀时间为30 min。
本步骤进行干法刻蚀时，首先会刻蚀掉光刻窗口301内裸露的金属薄膜层2和正性光刻胶，裸露的金属薄膜层2被刻蚀掉之后，再刻蚀裸露的衬底本体1，覆盖在正性光刻胶3下方的金属薄膜层2则是在其上方的正性光刻胶3被刻蚀掉之后开始被逐渐刻蚀；在刻蚀该金属薄膜层2的过程中，由于金属的挥发性较小，干法刻蚀的过程中，大部分的金属颗粒能够跟随刻蚀的副产物被抽走，但是仍会留下少许金属颗粒不能被吸走，留下来的少部分金属颗粒会附着在裸露出来同时也被刻蚀将要形成凸起结构101的衬底本体1的表面侧壁下部，在后续的干法刻蚀中，这些附着的金属颗粒在被再次刻蚀的同时，还能够以其自身作为掩膜，覆盖在裸露的衬底本体上，在继续干法刻蚀的过程中，覆盖有金属颗粒的那部分衬底本体1的下方相对于其他部位，会被延迟刻蚀，这样，覆盖有金属颗粒的那部分衬底本体就会形成团簇状的小岛微结构，当这些附着在衬底本体表面侧壁的金属颗粒被完全刻蚀掉之后，停止干法刻蚀，就形成了表面具有团簇状小岛微结构102的凸起结构101，完成了图形化衬底的制备。如图8为其扫描电子显微镜图片。
为了便于理解步骤S3，将S3拆分成如图4至7中S3-1至S3-4四个步骤。
图4中S3-1表示干法刻蚀初期，正性光刻胶3被刻蚀掉一部分，金属薄膜层2被刻蚀到衬底本体1位置。
图5中S3-2表示正性光刻胶再被刻蚀掉一部分，裸露的衬底本体1被刻蚀到一部分，且裸露的衬底本体1表面侧壁下部开始形成少量团簇状小岛微结构102。
图6中S3-3表示正性光刻胶被全部刻蚀掉，且其下方的金属薄膜层2也被刻蚀掉一部分，裸露的衬底本体1继续被刻蚀的更深，侧壁面积更大，且裸露的衬底本体1表面侧壁下部形成较多团簇状小岛微结构102。
图7中S4-4表示金属薄膜层2被完全刻蚀掉，衬底本体1上形成完整的凸起结构101，且凸起结构101表面侧壁下部四周均形成了团簇状小岛微结构102，得到具有团簇状小岛微结构102的图形化衬底。
通过上述方法制备得到的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底如图7所示，包括表面具有周期性排布的导弹状结构凸起结构101的衬底本体1，凸起结构101的周期P为2000nm，底径d为2000 nm，高度h为1500 nm。在凸起结构101的表面侧壁下部分布有若干底径范围为10~500 nm、高度范围为5~1000 nm、间距范围为10~400 nm的团簇状的小岛微结构102。团簇状小岛微结构102相当于增加了凸起结构101的密度，增大了衬底的反射表面积，提高了LED器件的出光效率。
图9所示为LED外延结构，包括上述具有团簇状小岛微结构102的图形化衬底，还包括依次设置于该图形化衬底上的N型层4、发光层5和P型层6。具有上述图形化衬底的LED外延结构，由于衬底C面图案化提升侧向外延效果，能够改善LED器件的内量子效率。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述图形化衬底包括表面具有周期性排布的凸起结构（101）的衬底本体（1），在所述凸起结构（101）的表面侧壁下部分布有若干团簇状的小岛微结构（102）；其制备方法包括以下步骤：
S1：在所述衬底本体（1）的表面沉积一定厚度的金属薄膜层（2）；
S2：在所述金属薄膜层（2）上涂布正性光刻胶（3），然后依次经过曝光、显影工艺，在所述金属薄膜层（2）上形成具有周期性排布的光刻窗口（301）；
S3：使用干法刻蚀逐渐刻蚀掉所述金属薄膜层（2），即得到所述图形化衬底。
2.根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜层（2）为Ag、Al或Ni材料；
和/或，所述衬底本体（1）为蓝宝石材质。
3. 根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，在所述S1中，所述金属薄膜层（2）的厚度为1nm ~ 50 nm。
4. 根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，在所述S3中，所述干法刻蚀的条件为：采用三氯化硼气体作为刻蚀气体，流量为100sccm~ 200 sccm，上电极刻蚀功率为1000 W~ 1500W，下电极刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT，刻蚀时间为10 min~ 40 min。
5. 根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述小岛微结构（102）的底径范围为10~500 nm，高度范围为5~1000 nm，间距范围为10~400 nm。
6.根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述凸起结构（101）为圆锥体、金字塔状或导弹状结构。
7. 根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述凸起结构（101）的周期P范围为300 nm~ 5000 nm。
8. 根据权利要求1所述的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述凸起结构（101）的底径d为800 nm~ 4900 nm，高度h为500 nm~3000 nm。
9.一种LED外延结构，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的方法制备的具有团簇状小岛微结构的图形化衬底。
10.根据权利要求9所述的LED外延结构，其特征在于，还包括依次设置于所述图形化衬底上的N型层（4）、发光层（5）和P型层（6）。
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