[发明专利]一种制备GaN生长用图形化蓝宝石衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及湿蚀刻法制备图形化蓝宝石衬底的技术，具体地说是涉及一种在湿蚀刻法制备GaN材料生长用的图形化蓝宝石衬底过程中，避免BOE溶液蚀刻二氧化硅掩膜时腐蚀不均匀问题的方法，属于半导体光电子学领域。

背景技术

目前制备黄色、绿色、蓝色、白色以及紫外发光二极管和激光二极管光电子器件，主要采用GaN材料。传统的GaN的生长是在诸如蓝宝石、硅、碳化硅衬底上进行的，可是这些衬底的晶格常数和热膨胀系数与GaN的相比相差很大，导致GaN基生长层的穿透位错密度高达10⁸-10¹⁰cm^-2。高位错密度的存在限制了光电子器件性能的进一步提高，因此降低其位错密度势在必行。

于是人们研发出，在蓝宝石衬底上先蒸镀一层SiO₂后，在该图形衬底上实施外延生长技术，以减少GaN基生长层的位错密度，提高晶体的品质，改善器件性能。但是，这种制备衬底的方法容易引进杂质、增加应力，限制了晶体品质的提高。后来人们又研发出一种采用干蚀刻法制备图形化蓝宝石衬底的技术，至今广泛使用。该技术虽然不再含有SiO₂层，但是这种方法容易造成衬底的损伤，污染衬底。

近来人们研发了一种采用湿蚀刻法制备图形化蓝宝石衬底的技术，以克服干蚀刻法所存在的上述缺点。该技术包括：在蓝宝石衬底上蒸镀二氧化硅掩膜层，利用光刻技术刻出圆柱形光刻胶掩膜；然后用BOE溶液蚀刻二氧化硅，得到有圆柱形二氧化硅掩膜的蓝宝石衬底；再用硫酸、或硫酸与磷酸的混合液作为腐蚀液湿蚀刻该衬底；最后用稀释氢氟酸溶液蚀去二氧化硅掩膜层，得到图形化蓝宝石衬底。然而上述用BOE溶液蚀刻二氧化硅掩膜时，容易出现腐蚀不均匀、二氧化硅局部脱落、针孔和印痕等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于生长GaN的图形化蓝宝石衬底的制备方法，该方法在湿蚀刻制备图形化蓝宝石衬底的过程中，通过特殊的预处理，以避免用BOE溶液腐蚀裸露部分的二氧化硅掩膜层时出现腐蚀不均匀、二氧化硅脱落等缺陷，最终取得外观完美、均匀的图形化蓝宝石衬底。

本发明的制备图形化蓝宝石衬底的方法，包括以下步骤：

1)在C面蓝宝石衬底上制备一层二氧化硅薄膜；

2)在二氧化硅薄膜上光刻形成图形化光刻胶掩膜；

3)将步骤2)得到的衬底放入质量百分比浓度为1.5-4％氢氟酸溶液中，在20～50℃浸泡20～50秒，取出；

4)将经步骤3)处理的衬底放入BOE溶液中蚀刻去光刻胶掩膜图形间隙裸露的二氧化硅，然后去除光刻胶，形成图形化二氧化硅掩膜；

5)在图形化二氧化硅掩膜保护下，利用酸腐蚀液蚀刻蓝宝石衬底，得到图形化蓝宝石衬底；

6)湿蚀刻去除二氧化硅掩膜。

上述步骤1)采用常规技术制备二氧化硅薄膜，包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射(sputtering)、电子束蒸镀(EBV)、氢化物气相外延(HVPE)、旋涂法等。其中CVD方法又包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)和等离体增强化学气相沉积(PECVD)。制备的二氧化硅薄膜厚度为0.1～1.0μm。

上述步骤2)形成的光刻胶掩膜图形例如周期性排列的底径为2.0～4.0μm，高度为1.0～3.0μm圆柱状图形，相邻光刻胶掩膜图形之间间距为0.5～1.0μm。

上述步骤3)是BOE溶液蚀刻二氧化硅之前的预处理步骤，经该预处理后的衬底被取出后不需吹干，直接进行步骤4)。

上述步骤4)BOE溶液蚀刻二氧化硅是将步骤3)预处理后的衬底放入BOE溶液中，在20～50℃腐蚀0.2～3分钟，蚀去光刻胶间隙裸露的二氧化硅，取出衬底，用丙酮和异丙醇去除光刻胶，再用去离子水冲洗干净。以周期性排列的底径为2.0～4.0μm，高度为1.0～3.0μm的圆柱状光刻胶掩膜图形为例，经步骤4)BOE溶液蚀刻后，得到周期性排列的底径为2.0～3.0μm，高度为0.1～1.0μm的圆柱形SiO₂掩膜；

上述步骤5)蚀刻蓝宝石衬底的酸腐蚀液可以是由市售浓度为95％(质量百分比浓度，下同)的硫酸与86％(质量百分比浓度)的磷酸溶液按体积比5∶1～1∶5混合配制的混合酸腐蚀液，在200～300℃蚀刻10～30分钟，取出衬底，用去离子水冲洗干净，得到高度为0.5～3.0μm的图形化蓝宝石衬底(图形顶部尚带有二氧化硅掩膜)。