[发明专利]一种外延生长用的图形衬底及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件及其制作方法，尤其涉及一种外延生长用 的图形衬底及其制作方法。

背景技术

III-V族化合物半导体材料在发光二极管、半导体激光器、探测器，及 电子器件方面有着广泛的应用。由于同质的外延衬底制备困难，以氮化镓 (GaN)材料为主的III-V族氮化合物一般采用异质外延生长的方法进行制 备。衬底材料及其表面特性对于异质外延的GaN等III-V族氮化合物的晶 体质量影响很大。目前，由于蓝宝石(Al₂O₃)和碳化硅(SiC)衬底具有高 温稳定性，优良的结构和表面形态等特性，因此它们是III族氮化物异质外 延生长的主要衬底材料。Si衬底生长工艺成熟，价格便宜，在Si衬底生长 GaN也引起了研究者的关注。但是，由于GaN外延材料与Si衬底之间存在 巨大的晶格失配(20％)和热应力失配(56％)，将在GaN外延层中造成高 的位错密度并导致GaN膜出现龟裂，因此在Si衬底上得到很高质量的GaN 材料比较困难。另一方面，Si在可见光波段有较高的吸光系数，有源层的 光进入到较厚的硅衬底中，将被完全吸收掉，降低了器件的出光效率。

晶格的失配和高温退火引起的应力积聚是导致高位错密度和薄膜龟裂 的主要原因。为了解决这个问题，人们采用了插入缓冲层、横向过生长、 图形衬底等方法，大大提高了异质外延材料的晶体质量。在蓝宝石或Si衬 底上制作图形的界面，外延的GaN薄膜产生的热应力局限在图型花纹所形 成的细小面积之内，并在此图形花纹上得到无裂痕的材料层，是一种行之 有效的方法。Si衬底的光吸收问题可通过衬底剥离或内嵌的反射层等方法 解决，但工艺复杂，不能满足大规模生长的需要。

外延用的图形蓝宝石或图形硅衬底发展初期，一般采用微米量级的图 形，近年来，阳极氧化铝(anodic aluminum oxide，AAO)技术不断发展和 成熟，可制作周期在10～500nm，孔洞为5～400nm的多孔氧化铝结构，并作 为等离子刻蚀的掩模板或作为横向过生长的掩膜应用于半导体外延生长 中。然而，上述技术的应用，都没有能解决Si衬底的光吸收问题。同时，一 些文献和专利公开了非晶氧化铝(Al₂O₃)在高温下固态转换成单晶氧化铝， 即蓝宝石的技术，这为直接利用AAO制作的多孔氧化铝转换成可用于外延 生长的蓝宝石衬底提供了可能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有亚微米图形 的外延生长用的图形衬底及其制作方法。该衬底结构，能有效地避免发光 器件有源层光线进入到衬底，并有效地释放异质外延产生的热应力，提高 了外延生长的晶体质量和发光器件的出光效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种外延生长用的图形衬底， 包括基板，该基板上依次形成有Al层及蓝宝石结构层，该蓝宝石结构层的 上表面形成有多孔图形。

该蓝宝石结构层的厚度为100nm～2μm，该Al层的厚度为50nm～5μm。

该蓝宝石结构层上的多孔图形为不规则的、或局部规则的或为周期性 的光子晶体图形，且孔径在5～400nm之间。

该基板为Si基板、绝缘体上硅基板、GaAs基板或GaP基板。

一种外延生长用的图形衬底的制作方法，其包括以下步骤：a、在基板 上蒸镀一层Al层；b、在Al层的上表面，采用阳极氧化的方法，使Al层 上部一定厚度的Al转化成多孔图形的Al₂O₃结构；c、将上述结构从低温到 高温渐变的分段加热方法，加热至1000℃以上且在Al₂O₃熔点以下的温度， 直至非晶的Al₂O₃转变成单晶Al₂O₃层，最终形成蓝宝石结构层，完成该衬 底的制作。