CN115020564B - 一种复合图形化衬底的制备方法及具有空气隙的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，公开了一种复合图形化衬底及其制备方法和外延结构，在衬底本体的表面沉积材料层；在材料层上涂布正性光刻胶，然后在衬底本体上制备出具有周期性排布的光刻窗口；使用第一步干法刻蚀工艺刻蚀掉光刻窗口内的材料层并进一步刻蚀掉部分衬底本体，形成间隔沟槽；使用第二步干法刻蚀工艺刻蚀掉被正性光刻胶覆盖的部分材料层，形成凸起结构，得到复合图形化衬底。本方法制备的衬底中的凸起结构在后续生长外延结构时，能够在N型层与各凸起结构之间形成较大的空气隙，在该空气隙的位置，会使得LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种复合图形化衬底的制备方法及具有空气隙的外延结构。
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Al2O3与SiO2复合衬底中，SiO2的下表面与Al2O3的上表面重合，二者在蓝宝石衬底上形成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复合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，本发明提供一种复合图形化衬底的制备方法及具有空气隙的外延结构，本方法制备的衬底中的凸起结构的上部图案层的底部具有与其一体结构且同种材质的外延层，且该外延层覆盖在下部图案层的顶面，这种结构的凸起结构在后续生长外延结构时，能够在N型层与各凸起结构之间形成较大的空气隙，在该空气隙的位置，会使得LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
技术方案：本发明提供了一种复合图形化衬底的制备方法，该复合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，相邻所述凸起结构之间具有间隔沟槽；所述凸起结构包括上下设置的上部图案层和下部图案层，所述上部图案层的底部具有与其一体结构且同种材质的外延层，所述外延层覆盖在所述下部图案层的顶面；其制备方法包括以下步骤：S1：在所述衬底本体的表面沉积用于形成所述上部图案层的材料层；S2：在所述材料层上涂布正性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，在所述衬底本体上制备出具有周期性排布的光刻窗口；S3：使用第一步干法刻蚀工艺刻蚀掉光刻窗口内的所述材料层并进一步刻蚀掉部分所述衬底本体，形成所述间隔沟槽；S4：使用第二步干法刻蚀工艺刻蚀掉被所述正性光刻胶覆盖的部分所述材料层，形成所述凸起结构，得到所述复合图形化衬底。
优选地，所述第一步干法刻蚀工艺为：采用纯三氯化硼（BCl3）气体作为刻蚀气体，气体流程为90 sccm ~150 sccm，刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT，时间为5min~ 40 min。第一步干法刻蚀过程中，刻蚀气体为三氯化硼，刻蚀过程以物理轰击为主，对材料层和衬底本体的侧向化学腐蚀效果较弱，刻蚀后的复合图形侧壁斜率一致，且比较容易形成平坦的间隔沟槽。
优选地，所述第二步干法刻蚀工艺为：采用纯三氟甲烷（CHF3）气体作为刻蚀气体，气体流程为50 sccm ~200 sccm，刻蚀功率为200W~500W，腔体压强为3 mT~40 mT，时间为1min~ 10 min。在第二步干法刻蚀中，由于三氟甲烷等离子体携带的能量低，不足以对蓝宝石等硬度高的表面产生轰击蚀刻效果，而CHF3气体对材料层有化学腐蚀作用，因此，整个刻蚀过程仅对材料层进行了侧向化学腐蚀。在此过程中，由于垂直方向上CHF3气体分布的密度差异，接近衬底下部图案区的CHF3气体密度低，腐蚀效果弱，上部图案区的CHF3气体密度高，腐蚀效果强，导致用于形成上部图案层的材料层会有少部分残留在下部图案层的顶面，最终在下部图案层的顶面形成覆盖在其表面的与上部图案层材质相同的外延层。
优选地，所述正性光刻胶的厚度为1000 nm ~ 3000 nm；和/或，所述材料层的厚度为500 nm~ 2500 nm。
优选地，所述外延层的面积占所述下部图案层的顶面面积的10%~80%。
优选地，所述上部图案层为圆锥体或金字塔结构，所述下部图案层为圆台结构，所述外延层为环形结构，且所述上部图案层、所述外延层以及所述下部图案层三者同轴设置。
优选地，所述上部图案层中外沿面的内径d1为所述凸起结构的周期P的30%~85%，厚度为10 nm~100 nm；所述上部图案层的高度h1为300 nm~2000 nm。
优选地，所述下部图案层的底径d2为所述凸起结构的周期P的60%~97%；高度h2为50 nm~500 nm。
优选地，所述凸起结构的周期P为500 nm~ 5000 nm。
优选地，所述上部图案层为二氧化硅材质；和/或，所述下部图案层与所述衬底本体的材质相同，为蓝宝石材质。
本发明还提供了一种具有空气隙的LED外延结构，包括所述的图形化衬底。
进一步地，所述的具有空气隙的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；在所述N型层与各所述凸起结构之间具有空气隙。
有益效果：本申请中的复合图形化衬底中，凸起结构中的上部图案层的底部具有与其一体结构且同种材质的外延层，且该外延层覆盖在下部图案层的顶面，本申请在制备形成凸起结构时使用的是两步干法刻蚀，在第一步干法刻蚀过程中，光刻窗口内的材料层首先被刻蚀掉，然后进一步向下刻蚀掉下方的部分衬底本体，形成两两凸起结构之间的底面比较光滑的间隔沟槽，与此同时，第一步干法刻蚀也能对正性光刻胶进行部分刻蚀，正性光刻胶在被刻蚀的过程中，厚度会逐渐减薄，同时面积也会从两侧边缘向中间逐渐变小。接着进行第二步干法刻蚀，第二步干法刻蚀调整了使用的刻蚀气体，使得第二步刻蚀时只能对材料层进行侧向化学腐蚀，不能在垂直方向上进行物理轰击，这样，经过第二步干法刻蚀过程就能够逐渐形成圆锥体结构的上部图案层。同时，在此第二步干法刻蚀过程中，由于垂直方向上CHF3气体分布的密度差异，接近衬底下部图案区的CHF3气体密度低，腐蚀效果弱，上部图案区的CHF3气体密度高，腐蚀效果强，导致用于形成上部图案层的材料层会有少部分残留在下部图案层的顶面，最终在下部图案层的顶面形成覆盖在其表面的与上部图案层材质相同的外延层。
由于凸起结构的特殊结构与两步干法刻蚀后下部图案层的顶面形成了与上部图案层的表面材质相同的外延层，而相邻凸起结构之间的间隔沟槽的底面是比较光滑的与衬底本体材质相同的平面，所以在该衬底结构上生长N型层（N型氮化镓）时，N型层就会选择性地在具有光滑底面的间隔沟槽内生长，不会在粗糙面上生长，这样生长到最后就会在凸起结构的上部图案层、外延层与N型层之间形成较大的空气隙，该空气隙内的空气与周围的N型层以及上部图案层与下部图案层的材料不同，反射率不同，所以在该空气隙的位置，会导致LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
本申请中的复合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5为本发明中复合图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图6为通过本方法制备得到的复合图形化衬底的扫描电子显微镜图片；
图7为包含复合图形化衬底的具有空气隙的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复合图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1：如图2，在衬底本体1的表面沉积用于形成上部图案层201的二氧化硅材料层4；厚度为2000 nm。
S2：如图3，在材料层4上涂布厚度为2000 nm的正性光刻胶3，然后依次经过曝光、显影工艺，在衬底本体1上制备出具有周期性排布的光刻窗口301；
S3：如图4，先使用第一步干法刻蚀工艺刻蚀掉光刻窗口301内的材料层4并进一步刻蚀掉部分衬底本体1，形成下部图案层202和间隔沟槽101；同时刻蚀掉正性光刻胶3，正性光刻胶3在被刻蚀的过程中，厚度会逐渐减薄，同时其边缘也被逐渐刻蚀掉，面积也会从两侧边缘向中间逐渐变小。
上述第一步干法刻蚀工艺为：采用纯三氯化硼（BCl3）气体作为刻蚀气体，气体流程为120 sccm，刻蚀功率为600W，腔体压强为2 mT，时间为20 min。第一步干法刻蚀过程中，刻蚀气体为三氯化硼，刻蚀过程以物理轰击为主，对材料层4和衬底本体1侧向化学腐蚀效果弱，刻蚀后的复合图形侧壁斜率一致，且比较容易形成平坦的间隔沟槽101。
S4：第二步干法刻蚀工艺，采用纯三氟甲烷（CHF3）气体作为刻蚀气体，气体流程为50 sccm，刻蚀功率为300W，腔体压强为4 mT，时间为5 min。在刻蚀过程中，由于刻蚀气体为纯CHF3，主要是对正性光刻胶3及被其覆盖的部分材料层4进行侧向腐蚀，垂直方向上的物理轰击效果不佳，对衬底本体1刻蚀效果不明显，如图5。正性光刻胶3被全部蚀刻掉，且其下方的二氧化硅材料层4侧壁向中间逐渐被等离子体化学腐蚀成圆锥体结构，形成上部图案层201，另外，由于垂直方向上等离子体（CHF3气体）分布的密度差异，接近衬底下部图案层202的等离子体（CHF3气体）密度低，腐蚀效果弱，上部图案区的等离子体（CHF3气体）密度高，腐蚀效果强，导致用于形成上部图案层201的二氧化硅材料层4会有少部分残留在下部图案层202的顶面，最终在下部图案层202的顶面形成覆盖在其表面的与上部图案层201材质相同的外延层203。上述上部图案层201、外延层203以及下部图案层202共同组成凸起结构2，相邻凸起结构2之间具有间隔沟槽101。
如图5所示，为通过上述步骤制备出的复合图形化衬底，包括表面具有周期性排布的凸起结构2的蓝宝石材质的衬底本体1，相邻凸起结构2之间具有间隔沟槽101；凸起结构2的周期为3000 nm。凸起结构2中同轴设置有圆锥体结构的上部图案层201和圆台结构的下部图案层202，上部图案层201的底部具有与其一体结构且均为二氧化硅材质的外延层203，该外延层203覆盖在下部图案层202的顶面，下部图案层202与衬底本体1的材质相同，均为蓝宝石材质。外延层203为环状平层，覆盖在下部图案层202的顶面，且外延层203与上部图案层201以及下部图案层202也是同轴设置，外延层203的外径与下部图案层202的外径d2重叠，整个外延层203的面积占下部图案层202的顶面面积的62%。外延层203的内径d1约为1200 nm；上部图案层201的高度h1约为1500 nm；下部图案层202的外径d2约为2800 nm；高度h2约为200 nm。如图6为该复合图形化衬底的扫描电子显微镜图。
在上述复合图形化衬底表面依次沉积N型层5、发光层6和P型层7，得到具有空气隙的LED外延结构，如图7。由于两步干法刻蚀后外延层203的存在，而相邻凸起结构2之间的间隔沟槽101的底面是比较光滑的平面，所以在该衬底结构上生长N型层（N型氮化镓）5时，N型层5就会选择性地在具有光滑底面的间隔沟槽101内生长，不会在外延层203上生长，这样生长到最后就会在凸起结构2的上部图案层201和外延层203与N型层5之间形成较大的空气隙8，该空气隙8区域的折射率为1，与其他材料层存在显著的折射率差，将导致LED内发出的光在该区域内发产生更大的反射效果，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
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 (9)
1.一种复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，该复合图形化衬底包括表面具有周期性排布的凸起结构（2）的衬底本体（1），相邻所述凸起结构（2）之间具有间隔沟槽（101）；所述凸起结构（2）包括上下设置的上部图案层（201）和下部图案层（202），所述上部图案层（201）的底部具有与其一体结构且同种材质的外延层（203），所述外延层（203）覆盖在所述下部图案层（202）的顶面；所述外延层（203）的面积占所述下部图案层（202）的顶面面积的10~80%；其制备方法包括以下步骤：
S1：在所述衬底本体（1）的表面沉积用于形成所述上部图案层（201）的材料层（4）；
S2：在所述材料层（4）上涂布正性光刻胶（3），然后依次经过曝光、显影工艺，在所述衬底本体（1）上制备出具有周期性排布的光刻窗口（301）；
S3：使用第一步干法刻蚀工艺刻蚀掉光刻窗口（301）内的所述材料层（4）并进一步刻蚀掉部分所述衬底本体（1），形成所述间隔沟槽（101）；
S4：使用第二步干法刻蚀工艺刻蚀掉被所述正性光刻胶（3）覆盖的部分所述材料层（4），形成所述凸起结构（2），得到所述复合图形化衬底。
2. 根据权利要求1所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，S3中，所述第一步干法刻蚀工艺为：采用纯三氯化硼气体作为刻蚀气体，气体流程为90 sccm ~150 sccm，刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT，时间为5 min~ 40 min。
3. 根据权利要求1所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，S4中，所述第二步干法刻蚀工艺为：采用纯三氟甲烷气体作为刻蚀气体，气体流程为50 sccm ~200 sccm，刻蚀功率为200 W~500 W，腔体压强为3 mT~40 mT，时间为1 min~ 10 min。
4. 根据权利要求1所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述正性光刻胶（3）的厚度为1000 nm ~ 3000 nm；
和/或，所述材料层（4）的厚度为500 nm~ 2500 nm。
5.根据权利要求1所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述上部图案层（201）为圆锥体或金字塔结构，所述下部图案层（202）为圆台结构，所述外延层（203）为环形结构，且所述上部图案层（201）、所述外延层（203）以及所述下部图案层（202）三者同轴设置。
6. 根据权利要求5所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述上部图案层中外延层（203）的内径d1为所述凸起结构（2）的周期P的30%~85%，厚度为10 nm-100 nm；所述上部图案层（201）的高度h1为300 nm~2000 nm；
和/或，所述下部图案层（202）的底径d2为所述凸起结构（2）的周期P的60%~97%；高度h2为50 nm~500 nm；
和/或，所述凸起结构（2）的周期P为500 nm~ 5000 nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述上部图案层（201）为二氧化硅材质；
和/或，所述下部图案层（202）与所述衬底本体（1）的材质相同，为蓝宝石材质。
8.一种具有空气隙的LED外延结构，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备的复合图形化衬底。
9.根据权利要求8所述的具有空气隙的LED外延结构，其特征在于，还包括依次设置于所述复合图形化衬底上的N型层（5）、发光层（6）和P型层（7）；在所述N型层（5）与各所述凸起结构（2）之间具有空气隙（8）。
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