CN115498085A - 用于紫外led的图形化复合衬底、制备方法及外延片 - Google Patents

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CN115498085A CN202211248604.9A CN202211248604A CN115498085A CN 115498085 A CN115498085 A CN 115498085A CN 202211248604 A CN202211248604 A CN 202211248604A CN 115498085 A CN115498085 A CN 115498085A
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张剑桥
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Abstract

本发明公开了一种用于紫外LED的图形化复合衬底、制备方法及外延片。制备方法包括：在蓝宝石基板表面沉积二氧化硅异质层和掩膜层；对掩膜层进行图案化处理形成掩膜图案；基于掩膜图案，利用干法刻蚀工艺，同时对二氧化硅异质层和蓝宝石基板的部分区域进行图案化处理，以在蓝宝石基板表面形成多个二氧化硅异质凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；利用湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面。采用上述方案，有利于改善外延材料生长质量；多种图形结构的存在能够改变入射至蓝宝石基板的光的传输路径，增加光反射，提升器件光提取效率。

Description

用于紫外LED的图形化复合衬底、制备方法及外延片
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于紫外LED的图形化复合衬底、制备方法及外延片。
背景技术
紫外LED半导体器件制备过程中，若在蓝宝石平片上直接生长外延材料，由于存在晶格失配和热失配现象，外延结构中会存在大量位错和缺陷，使得外延晶体质量较差，薄膜易出现裂纹；位错和缺陷还可能延伸到外延结构的量子阱区，形成非辐射复合中心，降低辐射复合效率。基于上述问题，目前业内制备出了图形化衬底，在图形化衬底生长外延层，提升外延层生长质量。但由于量子阱层出光在与空气交界面处存在全反射，衬底材料与外延材料的折射率差对光的出射有很大的影响，目前常见的用于紫外LED半导体外延片的图形化衬底图形结构单一，在单一图形化蓝宝石衬底上生长外延层，紫外LED外延结构的光提取效率不理想；并且现有的图形化蓝宝石衬底上的图形设计，对外延结构光提取效率的改善程度有限。综上，基于现有图形化衬底形成的外延结构，难以兼顾高晶体质量及高光提取效率的特点，仍需进一步优化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于紫外LED的图形化复合衬底、制备方法及外延片，以提高图形化复合衬底的性能，改善外延层生长品质，提升外延结构的光提取效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法，包括：
提供蓝宝石基板；
在蓝宝石基板表面沉积二氧化硅异质层和掩膜层；所述蓝宝石基板表面为蓝宝石C面；
对所述掩膜层进行图案化处理，形成掩膜图案；
基于所述掩膜图案，利用干法刻蚀工艺，同时对所述二氧化硅异质层和所述蓝宝石基板的部分区域进行图案化处理，以在所述蓝宝石基板表面形成多个二氧化硅异质凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；其中，任意相邻所述二氧化硅异质凸起结构的底部通过所述蓝宝石凹陷结构连接，且所述二氧化硅异质凸起结构的侧面与所述蓝宝石凹陷结构的侧面平滑连接；
利用湿法刻蚀工艺对所述二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面；其中，暴露出的所述蓝宝石基板表面无刻蚀痕迹。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于紫外LED的图形化复合衬底，包括蓝宝石基板以及位于所述蓝宝石基板表面的多个目标凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；其中，所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间通过所述蓝宝石基板表面连接，且所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面无刻蚀痕迹，所述蓝宝石基板表面为蓝宝石C面。
第三方面，本发明实施例还提供了一种外延片，包括如本发明第二方面所述的用于紫外LED的图形化复合衬底，以及形成于所述图形化复合衬底上的外延层。
本申请中，在蓝宝石基板表面同时设置目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构，相比于单一的图形结构，目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的结合能够提升外延结构内部的应力释放效果，改善外延材料生长质量；采用干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的方式，使得目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构之间通过光滑的蓝宝石C面连接，为外延材料的生长提供了较好的机会，有利于外延材料在图形化复合衬底的形核生长，降低外延膜层出现裂纹的风险，提升后续LED制程良率；除此之外，后续制备的外延结构中目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的存在能够改变外延量子阱层入射到蓝宝石基板的光的传输路径，增加光的反射，相比单一衬底材料或单一衬底图形结构而言，进一步提升了光提取效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的俯视图；
图4～图6为本发明实施例提供的三种掩膜图案的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的剖面图；
图8为图7在Z处的放大结构示意图；
图9为图7在Y处的放大结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种外延片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
基于上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法，以提高图形化复合衬底的性能。图1为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图，图2为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的示意图，参考图1和图2，该制备方法包括：
S110、提供蓝宝石基板。
其中，参考图2中(a)图，蓝宝石基板1可为蓝宝石平片基板，蓝宝石基板1的尺寸可根据需要自行选择，在此不做限定。在蓝宝石基板1使用之前可对其进行清洗，清洗方式可以为化学常规清洗和等离子体清洗等，化学常规清洗是指使用化学试剂将蓝宝石平片基板上的杂质及污渍；等离子体清洗是指利用等离子态物质中活性组分的性质来处理样品表面，以改善蓝宝石基板1的表面晶质。
S120、在蓝宝石基板表面沉积二氧化硅异质层和掩膜层。
进一步地，参考图2中(a)图和(b)图，在蓝宝石基板表面2依次沉积形成二氧化硅异质层3和掩膜层4，蓝宝石基板表面2为蓝宝石C面。
其中，可选的，二氧化硅异质层3可通过现有技术中的任意一种手段形成，例如，物理气相沉积中的真空蒸镀或磁控溅射、化学气相沉积中的等离子体增强化学气相沉积等，在此不做限定。真空蒸镀是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料并使之气化，粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法；磁控溅射是指在电场作用下，电子轰击氩原子，氩原子电离出阳离子轰击目标靶材，使中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜；化学气相沉积利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。其中，二氧化硅异质层3的厚度可根据实际需要进行设定，在此不做限定，在示例性实施例中，二氧化硅异质层3厚度可在0.5～5μm范围内。
可选的，掩膜层4为光刻胶层，可通过匀胶将光刻胶均匀涂覆于二氧化硅异质层3上，光刻胶的选择不限，可选用现有光刻胶中的任意一种，可以是正性光刻胶或负性光刻胶，掩膜层4的厚度可由本领域技术人员根据实际需求进行设置，此处不做限制。
以外延材料为GaN为例，二氧化硅的折射率为1.45，相对于蓝宝石1.76的折射率来说，二氧化硅与GaN的折射率差异更大，二氧化硅与GaN交界面形成的全反射角更大，使得更多的光线能够反射出来，从而提升光提取效率，并且，由于GaN不易在二氧化硅材料上生长，使用二氧化硅作为图形侧面衬底材料能够促进GaN在图形顶部的合拢，提高GaN材料的晶体质量。
S130、对掩膜层进行图案化处理，形成掩膜图案。
参考图2中(c)图，对上述掩膜层4进行图案化处理，以在二氧化硅异质层3表面形成掩膜图案5。可选的，对于掩膜层4即光刻胶层进行图案化处理的方法为现有技术中的任意一种，在此不做限定，例如可以是光刻曝光或纳米压印。光刻曝光是指在光照作用下，借助光刻胶将掩膜版上的图形转移到基片上，再利用显影液将正性光刻胶的曝光区和负性光刻胶的非曝光区的光刻胶溶解，从而在光刻胶上形成三维掩膜图形的一种光刻技术。纳米压印是通过光刻胶辅助，将模板上的微纳结构采用加压的方式转移到待加工材料上，从而在光刻胶上形成三维掩膜图形的一种技术。
可选的，掩膜图案5的排布可以是周期性正方格子排布、周期性六角密堆积排布等，在此不做限定，针对不同图形排布类型的掩膜版可形成不同排布方式的掩膜图案5。其中，掩膜图案5排布周期可由本领域技术人员根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限制，例如可设置为0.5～6μm，但不限于此。
示例性的，利用光刻曝光工艺进行掩膜层4进行图案化处理方法可简单描述如下：使用某一选定掩膜版(图中未示出)对S120中形成的掩膜层4进行曝光，曝光方式可以为步进式曝光，对掩膜层4进行单一曝光场依次曝光，经过显影后在二氧化硅异质层3上形成所需光刻胶柱，即掩膜图案5。可以理解，最终图形化复合衬底上的图形结构的尺寸和排布方式等参数，与掩膜层4厚度和掩膜图案4排布方式相关，在实际应用过程中，上述掩膜层4厚度和掩膜图案4排布等均可由本领域技术人员根据实际需求进行调整。在示例性实施例中，掩膜层4的厚度可为1～6μm，曝光后形成的掩膜图案5的高度也可为1～6μm，但不限于此。需要说明的是，本申请中所述掩膜图案5，是指单个的光刻胶柱，而非所有光刻胶柱构成的整体图案。
S140、基于掩膜图案，利用干法刻蚀工艺，同时对二氧化硅异质层和蓝宝石基板的部分区域进行图案化处理，以在蓝宝石基板表面形成多个二氧化硅异质凸起结构以及蓝宝石凹陷结构。
进一步地，参考图2中(d)图，基于上述步骤中得到的掩膜图案5，利用干法刻蚀技术，对二氧化硅异质层3和蓝宝石基板1的部分区域进行图案化处理，蓝宝石基板1的部分区域是指蓝宝石基板表面2以及靠近蓝宝石基板表面2一定厚度范围内的区域。干法刻蚀的目的在于在蓝宝石基板表面2形成多个二氧化硅异质凸起结构6以及相邻二氧化硅异质凸起结构6之间的蓝宝石凹陷结构7。其中，任意相邻二氧化硅异质凸起结构6的底部通过蓝宝石凹陷结构7连接，且二氧化硅异质凸起结构6的侧面与蓝宝石凹陷结构7的侧面平滑连接。
其中，干法刻蚀工艺即用等离子体对二氧化硅异质层3和蓝宝石基板1进行刻蚀，例如可选用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)干法刻蚀方法。
具体地，参考图2中(d)图，基于掩膜图案5，可先利用干法刻蚀工艺如ICP干法刻蚀工艺，同时对二氧化硅异质层3以及蓝宝石基板1的部分区域进行刻蚀，得到多个二氧化硅异质凸起结构8以及任意相邻二氧化硅异质凸起结构8之间的蓝宝石凹陷结构7。
需要说明的是，同时对二氧化硅异质层3和蓝宝石基板1的部分区域进行刻蚀，也可以理解为，在干法刻蚀过程中，刻蚀深度达到蓝宝石基板1内部，也即，在同一区域内(例如图中虚线圆框内)，利用干法刻蚀，将全部厚度的二氧化硅异质层3刻蚀掉，同时刻蚀掉一定厚度的蓝宝石基板1，保留一定厚度的蓝宝石基板1。具体而言，通过干法刻蚀得到凸起结构9，凸起结构9包括二氧化硅异质层凸起91以及蓝宝石凸起92，并且二氧化硅异质层凸起91的侧面与蓝宝石凸起92的侧面平滑连接。二氧化硅异质层凸起91底部和蓝宝石凸起92顶部的相接面即为蓝宝石基板表面2。二氧化硅异质层凸起91即为蓝宝石基板表面2的二氧化硅异质凸起结构8。另外，需要说明的是，干法刻蚀后，不会暴露蓝宝石基板表面2(即蓝宝石C面)，且任意相邻的两个蓝宝石凸起92的底部是相互连接的，相邻两个蓝宝石凸起92之间即形成蓝宝石凹陷结构7，蓝宝石凸起92的侧面即为蓝宝石凹陷结构7的侧面，蓝宝石凹陷结构7的侧面与二氧化硅异质凸起结构8的侧面平滑连接。需要说明，为清晰示出图形化复合衬底的结构，图2中(d)图，将蓝宝石凸起92以点状填充图案表示，实际蓝宝石凸起92与蓝宝石基板1应为一体结构；另外，图2中(d)图，为示出二氧化硅异质凸起结构8与目标凸起结构6的区别，将二氧化硅异质凸起结构8以不同于目标凸起结构6和二氧化硅异质层3填充图案的图案填充，实际其三者均为二氧化硅材料。
其中，蓝宝石凸起92的底部图形最大直径可为0.5～7μm，但不限于此。
S150、利用湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面。
进一步地，参考图2中(e)图，基于S140得到的复合衬底，进一步利用湿法刻蚀工艺进行处理，以将二氧化硅异质凸起结构8进一步修饰为目标凸起结构6。湿法刻蚀工艺即通过湿法刻蚀溶液对复合衬底进行腐蚀，可以理解，通过湿法刻蚀工艺得到的目标凸起结构6的尺寸应该小于二氧化硅异质凸起结构8，也即，目标凸起结构6为尺寸减小后的二氧化硅异质凸起结构8；由于干法刻蚀得到的二氧化硅异质凸起结构8与蓝宝石凹陷结构7的侧面平滑连接，此步骤中，湿法刻蚀处理后，能够暴露出目标凸起结构6与蓝宝石凹陷结构7之间的部分蓝宝石基板表面2，也即暴露出部分蓝宝石凸起92的顶面。
另外，需要注意的是，此步骤中，在进行湿法刻蚀时，需保证暴露出的目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7之间的蓝宝石基板表面2没有刻蚀痕迹，也即，暴露出的蓝宝石基板表面2为光滑表面。本领域技术人员可以理解，蓝宝石基板表面2(蓝宝石C面)为外延层材料(例如GaN)的优选生长面，外延材料更易于在蓝宝石基板表面2生长，本申请中，设置目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7之间通过光滑的蓝宝石基板表面2连接，且为外延材料的生长提供了较好的条件，有利于外延材料在图形化复合衬底的形核生长。
另外，在蓝宝石基板表面2同时设置目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7，相比于单一的图形结构，目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7的结合能够提升外延结构内部膜层的应力释放效果，改善外延晶体生长质量，降低外延膜层出现裂纹的风险，提升后续紫外LED制程良率；除此之外，后续制备的外延结构中，目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7的存在能够增加光的反射，改变外延量子阱层入射到蓝宝石基板1的光的传输路径，相比单一衬底材料或单一衬底图形结构而言，进一步提升了紫外LED器件的光提取效率。
本发明实施例提供的图形化复合衬底的制备方法，首先提供蓝宝石基板；在蓝宝石基板表面沉积二氧化硅异质层和掩膜层；随后对掩膜层进行图案化处理，形成掩膜图案；进而基于掩膜图案，利用干法刻蚀工艺，同时对二氧化硅异质层和蓝宝石基板的部分区域进行图案化处理，以在蓝宝石基板表面形成多个二氧化硅异质凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；其中，任意相邻二氧化硅异质凸起结构的底部通过蓝宝石凹陷结构连接，且二氧化硅异质凸起结构的侧面与蓝宝石凹陷结构的侧面平滑连接；最后，利用湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面，暴露出的所述蓝宝石基板表面无刻蚀痕迹。本申请中，在蓝宝石基板表面同时设置目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构，相比于单一的图形结构，目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的结合能够提升外延结构内部的应力释放效果，改善外延材料生长质量；采用干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的方式，使得目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构之间通过光滑的蓝宝石C面连接，为外延材料的生长提供了较好的机会，有利于外延材料在图形化复合衬底的形核生长，降低外延膜层出现裂纹的风险，提升后续紫外LED制程良率；除此之外，后续制备的外延结构中目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的存在能够改变外延量子阱层入射到蓝宝石基板的光的传输路径，增加光的反射，相比单一衬底材料或单一衬底图形结构而言，进一步提升了器件光提取效率。
可选的，在本发明一个可能的实施例中，可对湿法刻蚀工艺的具体过程进行细化。示例性的，利用湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面，之前，还包括：制备湿法刻蚀溶液，湿法刻蚀溶液与二氧化硅材料发生化学反应并且与蓝宝石材料无化学反应；利用湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面，包括：将带有二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构的图形化复合衬底置于湿法刻蚀溶液中，以使二氧化硅异质凸起结构被湿法刻蚀溶液腐蚀，形成目标凸起结构，并暴露出目标凸起结构与相邻蓝宝石凹陷结构之间的蓝宝石基板表面。
具体地，本实施例中，可先配置湿法刻蚀溶液；然后将上述S140后获得的带有二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构的复合衬底放入湿法刻蚀溶液中，由于湿法刻蚀溶液仅与二氧化硅材料反应，湿法刻蚀工艺中，湿法刻蚀溶液与二氧化硅异质凸起结构8反应，使二氧化硅异质凸起结构8的尺寸减小；当二氧化硅异质凸起结构8的尺寸减小后，会露出连接二氧化硅异质凸起结构8与该二氧化硅异质凸起结构8相邻的蓝宝石凹陷结构7的部分蓝宝石基板表面2(如图中虚线方框区域内)。湿法刻蚀后尺寸减小的二氧化硅异质凸起结构8即为最终所需的目标凸起结构6，露出的蓝宝石基板表面2即为后续外延材料的优选生长区。
其中，湿法刻蚀溶液可为缓冲氧化物刻蚀液，缓冲氧化物刻蚀液由氢氟酸(HF)与水和/或氟化铵(NH4F)与水混合而成。缓冲氧化物刻蚀液仅与二氧化硅材料反应，不与蓝宝石材料反应。
其中，本申请不限定缓冲氧化物刻蚀液的浓度即质量分数，本领域技术人员可根据实际需求进行设置。在一示例性实施例中，缓冲氧化物刻蚀液的质量分数可为0.5w％～10w％，但不限于此。
另外，对于湿法刻蚀时间即利用湿法刻蚀溶液腐蚀复合衬底的时间，本发明实施例也不做限制，可由本领域技术人员根据多次实验测试确定。示例性的，当利用上述缓冲氧化物刻蚀液进行湿法刻蚀时，可控制湿法刻蚀时间在5～200s范围内，保证既能露出蓝宝石基板表面，还不会对二氧化硅异质凸起结构过度刻蚀即可。
经过第一步干法刻蚀后，没有蓝宝石基板表面2露出；通过湿法刻蚀腐蚀二氧化硅异质凸起结构8，使相邻目标凸起结构6与蓝宝石凹陷结构7之间的蓝宝石基板表面2露出。由于湿法刻蚀溶液完全不与蓝宝石反应，裸露出的蓝宝石基板表面2十分平滑，避免仅通过干法刻蚀制备目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7时，等离子体对蓝宝石基板表面2造成损伤，有利于提升GaN等外延材料在裸露蓝宝石基板表面2的生长质量，降低外延结构中的缺陷密度。
可以理解的是，采用本实施例中的方案时，湿法刻蚀工艺的参数(例如湿法刻蚀溶液的浓度和/或湿法刻蚀时间等)对目标凸起结构6的尺寸以及目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7之间裸露的蓝宝石基板表面2的尺寸有关。本发明实施例不限定裸露的蓝宝石基板表面2的具体面积，在实际生产过程中，本领域技术人员可根据实际需求调节湿法刻蚀工艺的参数，以对目标凸起结构6的尺寸以及裸露的蓝宝石基板表面2的面积进行调整。
示例性的，在一可能的实施例中，目标凸起结构6与该蓝宝石凹陷结构7相邻的蓝宝石凹陷结构7之间的裸露的蓝宝石基板表面2的宽度d为0.3～2μm，裸露的蓝宝石基板表面2的宽度d是指，该裸露蓝宝石基板表面2连接的目标凸起结构6的边缘与该裸露蓝宝石基板表面2连接的蓝宝石凹陷结构7的边缘之间的最短距离。经过实验优化，控制相邻目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7之间裸露的蓝宝石基板表面2宽度在此数值范围内时，能够同时实现外延材料的高质量生长以及外延结构的高光提取效率。
可选的，图3为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的俯视图，图4～图6为本发明实施例提供的三种掩膜图案的示意图，图4～图6示出的为掩膜图案5的俯视图，参考图3～图6，在可能的实施例中，掩膜图案5可为正三角形、平行四边形和正六边形中的任意一种，且掩膜图案5在二氧化硅异质层3上呈周期排列；蓝宝石凹陷结构7在蓝宝石基板表面2呈网状分布，并限定出多个凸起结构设置区A，目标凸起结构6位于凸起结构设置区A。
具体地，参考图3～图6，对掩膜层4图案化处理后得到的掩膜图案5可为正三角形、平行四边形和正六边形中的任意一种，掩膜图案5在二氧化硅异质层3上周期性排布。上述正三角形、平行四边形和正六边形均为能够进行密铺排布的图形，密铺排布是指多个完全相同的图形之间能够不留缝隙，没有重叠的铺成一片。当上述掩膜图案5在二氧化硅异质层3上呈周期性排布时，任意相邻掩膜图案5之间的距离相同。此时，基于掩膜图案5进行干法刻蚀后，任意相邻二氧化硅异质凸起结构8之间的蓝宝石凹陷结构7为相互连通的，蓝宝石凹陷结构7为一体连通结构，并且蓝宝石凹陷结构7在蓝宝石基板表面2为呈网状分布，网状分布的蓝宝石凹陷结构7划分出多个网格开口，网格开口即凸起结构设置区A，二氧化硅异质凸起结构8形成于凸起结构设置区A内。在湿法刻蚀后，目标凸起结构6也位于凸起结构设置区A中。简单来说，沿蓝宝石基板所在平面延伸方向，干法刻蚀后，每个二氧化硅异质凸起结构8均被蓝宝石凹陷结构7环绕，二氧化硅异质凸起结构8所在区域即为凸起结构设置区A；湿法刻蚀后，目标凸起结构6仍是一一对应设置于凸起结构设置区A中，每个目标凸起结构6被蓝宝石凹陷结构7环绕。
为了清晰示出蓝宝石基板表面2上，目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7的相对关系，图3中以网格状填充图形表示蓝宝石凹陷结构7，白色填充图形表示蓝宝石基板表面2，实际蓝宝石基板表面2和蓝宝石凹陷结构7为相同材质。另外，图3中仅示出了蓝宝石基板表面2上部分区域的目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7，在其他未示出的区域，以同样的排布方式也设置有目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7。
此种设置方式下，能够使得图形化复合衬底中二氧化硅凸起结构与蓝宝石凹陷结构占整个蓝宝石基板表面的面积较大，进而增加光反射路径，进一步提升后续制备的紫外LED器件的光提取效率。
其中，对于目标凸起结构6和蓝宝石凹陷结构7的具体形貌以及尺寸参数，本发明实施例对此不做限制，本领域技术人员可根据实际需求进行设置。例如图2中所示目标凸起结构6呈锥形凸起，且目标凸起结构6的侧面不带有弧度，蓝宝石凹陷结构7呈“V”型凹陷结构，蓝宝石凹陷结构7的侧面不带有弧度。“V”型凹陷结构的侧面夹角θ1的范围可为40°～80°，但不限于此。
可选的，在可能的实施例中，蓝宝石凹陷结构7的底部到目标凸起结构6顶部的距离h1可为0.5～5μm，也即，目标凸起结构6的高度与蓝宝石凹陷结构7的深度之和在0.5～5μm范围内，但不限于此。其中，还可设定目标凸起结构6的高度数值与蓝宝石凹陷结构7的深度数值之间的比例在1:1～20:1范围内，根据实际测试，控制目标凸起结构6的高度数值与蓝宝石凹陷结构7的深度数值在上述比例范围内时，图形化复合衬底的光提取效率更高。
可选的，在一可能的实施例中，制备方法还可包括：调节干法刻蚀工艺的刻蚀参数，以使二氧化硅异质凸起结构8的侧面和/或蓝宝石凹陷结构7的侧面带有弧度；刻蚀参数至少包括刻蚀时间和/或刻蚀气体流量。
具体地，本实施例中，可通过调节干法刻蚀过程中的各项刻蚀参数使二氧化硅异质凸起结构8和蓝宝石凹陷结构7侧面呈一定弧度。可以理解，湿法刻蚀工艺对二氧化硅异质凸起结构8形状影响不大，当二氧化硅异质凸起结构8侧面带有一定弧度时，最终图形化复合衬底中目标凸起结构的侧面也是带有一定弧度的。刻蚀参数至少包括刻蚀时间和/或刻蚀气体流量，但不限于此，在实际生产过程中，本领域技术人员可根据实际情况对刻蚀参数进行调整。
目标凸起结构6的侧面带有一定弧度，侧面带有弧度的目标凸起结构6能够更好地利用散射作用，将紫外LED器件有源区的出射光进行散射，打破出光界面的全反射限制，改善目标凸起结构6对光的有效散射面积，提高紫外LED器件光提取效率；同样的，蓝宝石凹陷结构7的内部呈圆滑弧形也有利于提升紫外LED器件的光提取效率。
其中，还可通过调节刻蚀过程中的各项刻蚀参数并对侧面弧度范围进行调控。例如，采用干法刻蚀方式形成二氧化硅异质凸起结构8和蓝宝石凹陷结构7时，可以通过改变混合气体的流量体积比、混合气体流速等，对侧面形态进行调控。
图7为本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的剖面图，参考图7中所示，目标凸起结构6呈锥形凸起，且目标凸起结构6的侧面具有向目标凸起结构6外部凸起的弧度；蓝宝石凹陷结构7的侧面在垂直于蓝宝石基板1的平面的垂直投影呈弧形曲线，也可以理解为，蓝宝石凹陷结构7的内壁呈圆滑曲线。定义垂直于蓝宝石基板1的平面为第一平面，图2和图7中所示剖面图即为图形化复合衬底在第一平面的剖视图。
另外，可选的，对于目标凸起结构6的侧面弧度范围，本发明实施例不做限定，本领域技术人员可根据实际应用需求进行设置。示例性的，图8为图7在Z处的放大结构示意图，参考图8，在可能的实施例中，目标凸起结构6的侧面弧度凸起的高度h2范围可为60～180nm，但不限于此。
同样的，对于蓝宝石凹陷结构7内壁的弧形曲线的范围，本发明实施例也不做限定，本领域技术人员可根据实际应用需求进行设置。示例性的，图9为图7在Y处的放大结构示意图，参考图9，弧形曲线的弧形角度θ2范围可为60°～120°，但不限于此。
在一具体实施例中，用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法可描述如下：
将650～660mm厚度范围蓝宝石平片基板清洁后，利用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积一层2μm厚的二氧化硅异质层，其中，等离子体增强化学气相沉积工艺中，设备上射频功率范围为500～5000W，SiH4流量范围为200～300sccm，N2O流量范围为5000～10000sccm，N2流量范围为2000～5000sccm，腔室温度范围为200～350℃。
在二氧化硅异质层上，通过匀胶曝光显影工艺，制备出六方周期排布的六边形光刻胶柱，匀胶膜厚为3μm，光刻版周期为2.5μm。
将上述带有六边形光刻胶柱的复合衬底进行ICP干法刻蚀，制备所需的图形化复合衬底。图形化复合衬底包括二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构，二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构之间没有蓝宝石平片基板表面露出，二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构在衬底表面依次交替排列。二氧化硅异质凸起结构的侧面带有弧度，蓝宝石凹陷结构的呈“V”型凹陷结构。其中，ICP干法刻蚀工艺中，刻蚀腔室的压力为3mTor，上射频电极功率范围为1500W，下射频电极功率范围为600W，三氯化硼气体流量为90sccm，三氟甲烷的流量为20sccm，背部氦气压力为7Tor，冷却器温度为20℃。
将上述带有二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构的复合衬底清洗后，至于稀缓冲氧化物刻蚀液中浸泡30s，二氧化硅异质凸起结构与刻蚀液反应后收缩，形成目标凸起结构，并露出一定蓝宝石平片基板表面，该表面即为蓝宝石C面。其中，稀缓冲氧化物刻蚀液的质量分数为5w％。
在另一具体实施例中，用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法可描述如下：
将800～810mm厚度范围蓝宝石平片基板清洁后，利用磁控溅射工艺沉积一层2.5μm厚的二氧化硅异质层。
在二氧化硅异质层上，通过匀胶及纳米压印工艺，制备出六方周期排布的六边形光刻胶柱，匀胶膜厚为1μm，纳米压印硅模板图形高度为2.8μm，光刻版周期为3μm。
将上述带有六边形光刻胶柱的复合衬底进行ICP干法刻蚀，制备所需的图形化复合衬底。图形化复合衬底包括二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构，二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构之间没有蓝宝石平片基板表面露出，二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构在衬底表面依次交替排列。二氧化硅异质凸起结构的侧面带有弧度，蓝宝石凹陷结构的侧面呈弧形曲线。其中，ICP干法刻蚀工艺中，刻蚀腔室的压力为3mTor，上射频电极功率范围为1500W，下射频电极功率范围为700W，三氯化硼气体流量为100sccm，三氟甲烷的流量为18sccm，背部氦气压力为6Tor，冷却器温度为30℃。
将上述带有二氧化硅异质凸起结构和蓝宝石凹陷结构的复合衬底清洗后，至于稀缓冲氧化物刻蚀液中浸泡100s，二氧化硅异质凸起结构与刻蚀液反应后收缩，形成目标凸起结构，并露出一定蓝宝石平片基板表面，该表面即为蓝宝石C面。其中，本实施例中稀缓冲氧化物刻蚀液的质量分数可为2w％。
基于同一构思，本发明实施例还提供了一种用于紫外LED的图形化复合衬底，可仍参考图3和图7，本发明实施例提供的图形化复合衬底包括蓝宝石基板1以及位于蓝宝石基板表面2的多个目标凸起结构6以及蓝宝石凹陷结构7；其中，目标凸起结构6与相邻蓝宝石凹陷结构7之间通过蓝宝石基板表面2连接，且目标凸起结构6与相邻蓝宝石凹陷结构7之间的蓝宝石基板表面2无刻蚀痕迹，蓝宝石基板表面2为蓝宝石C面。
需要说明的是，图3和图7中所示各结构尺寸仅为示例，不代表实际情况。
本发明实施例提供的用于紫外LED的图形化复合衬底，在蓝宝石基板表面同时设置目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构，相比于单一的图形结构，目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的结合能够提升外延结构内部的应力释放效果，改善外延材料生长质量；目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构之间通过光滑的蓝宝石C面连接，为外延材料的生长提供了较好的机会，有利于外延材料在图形化复合衬底的形核生长，降低外延膜层出现裂纹的风险，提升后续紫外LED制程良率；除此之外，后续制备的外延结构中目标凸起结构和蓝宝石凹陷结构的存在能够改变外延量子阱层入射到蓝宝石基板的光的传输路径，增加光的反射，相比单一衬底材料或单一衬底图形结构而言，进一步提升了器件光提取效率。
可选的，可继续参考图3和图7，在可能的实施例中，蓝宝石凹陷结构7在蓝宝石基板表面2呈网状分布，并限定出多个凸起结构设置区A，目标凸起结构6位于凸起结构设置区A。
可选的，可参考图8，在可能的实施例中，目标凸起结构6的侧面具有向目标凸起结构6外部凸起的弧度，弧度凸起的高度h2范围为60～180nm。
可选的，可参考图2，在可能的实施例中，蓝宝石凹陷结构7包括“V”型凹陷结构，“V”型凹陷结构的侧面夹角θ1范围为40°～80°。
可选的，可参考图9，在可能的实施例中，蓝宝石凹陷结构7的侧面在第一平面的垂直投影呈弧形曲线，弧形曲线的弧形角度θ2范围为60°～120°；第一平面垂直于蓝宝石基板1所在平面。
本发明实施例提供的用于紫外LED的图形化复合衬底包括本发明任意实施例提供的用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法的全部技术特征及相应有益效果，此处不再赘述。
基于同一构思，本发明实施例还提供了一种外延片，图10为本发明实施例提供的一种外延片的结构示意图，该外延片包括本发明实施例提供的任一用于紫外LED的图形化复合衬底10及形成于图形化复合衬底10上的外延层11。
对于不同的衬底材料，需要不同的紫外LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，对于本发明实施例提供的图形化复合衬底，对应的外延片上的外延层可以是GaN，AIGaN外延层等。
本发明实施例提供的外延片，包括本发明任意实施例提供的用于紫外LED的图形化复合衬底的全部技术特征及相应有益效果，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种用于紫外LED的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，包括：
提供蓝宝石基板；
在蓝宝石基板表面沉积二氧化硅异质层和掩膜层；所述蓝宝石基板表面为蓝宝石C面；
对所述掩膜层进行图案化处理，形成掩膜图案；
基于所述掩膜图案，利用干法刻蚀工艺，同时对所述二氧化硅异质层和所述蓝宝石基板的部分区域进行图案化处理，以在所述蓝宝石基板表面形成多个二氧化硅异质凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；其中，任意相邻所述二氧化硅异质凸起结构的底部通过所述蓝宝石凹陷结构连接，且所述二氧化硅异质凸起结构的侧面与所述蓝宝石凹陷结构的侧面平滑连接；
利用湿法刻蚀工艺对所述二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面；其中，暴露出的所述蓝宝石基板表面无刻蚀痕迹。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述利用湿法刻蚀工艺对所述二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面，之前，还包括：
制备所述湿法刻蚀溶液，所述湿法刻蚀溶液与二氧化硅材料发生化学反应并且与蓝宝石材料无化学反应；
所述利用湿法刻蚀工艺对所述二氧化硅异质凸起结构进行修饰，以形成目标凸起结构，并暴露出所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面，包括：
将带有所述二氧化硅异质凸起结构和所述蓝宝石凹陷结构的所述图形化复合衬底置于所述湿法刻蚀溶液中，以使所述二氧化硅异质凸起结构被所述湿法刻蚀溶液腐蚀，形成目标凸起结构，并暴露出所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掩膜图案为正三角形、平行四边形和正六边形中的任意一种，且所述掩膜图案在所述二氧化硅异质层上呈周期排列；所述蓝宝石凹陷结构在所述蓝宝石基板表面呈网状分布，并限定出多个凸起结构设置区，所述目标凸起结构位于所述凸起结构设置区。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：调节所述干法刻蚀工艺的刻蚀参数，以使所述二氧化硅异质凸起结构的侧面和/或所述蓝宝石凹陷结构的侧面带有弧度；所述刻蚀参数至少包括刻蚀时间和/或刻蚀气体流量。
5.一种用于紫外LED的图形化复合衬底，其特征在于，包括蓝宝石基板以及位于所述蓝宝石基板表面的多个目标凸起结构以及蓝宝石凹陷结构；其中，所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间通过所述蓝宝石基板表面连接，且所述目标凸起结构与相邻所述蓝宝石凹陷结构之间的所述蓝宝石基板表面无刻蚀痕迹，所述蓝宝石基板表面为蓝宝石C面。
6.根据权利要求5所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石凹陷结构在所述蓝宝石基板表面呈网状分布，并限定出多个凸起结构设置区，所述目标凸起结构位于所述凸起结构设置区。
7.根据权利要求5所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述目标凸起结构的侧面具有向所述目标凸起结构外部凸起的弧度，所述弧度凸起的高度范围为60～180nm。
8.根据权利要求5所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石凹陷结构包括“V”型凹陷结构，所述“V”型凹陷结构的侧面夹角范围为40°～80°。
9.根据权利要求5所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述蓝宝石凹陷结构的侧面在第一平面的垂直投影呈弧形曲线，所述弧形曲线的弧形角度范围为60°～120°；所述第一平面垂直于所述蓝宝石基板所在平面。
10.一种外延片，其特征在于，包括如权利要求5～9任一项所述的用于紫外LED的图形化复合衬底，以及形成于所述图形化复合衬底上的外延层。
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