[发明专利]一种蓝宝石复合衬底和其制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于半导体磊晶衬底领域，涉及一种蓝宝石复合衬底及其制备方法和其应用。

背景技术

LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、低辐射与低功耗。白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年统计）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。随着近来LED散热技术的改进，室外照明的大功率LED路灯、投光灯等LED大功率照明灯具已经实现工业化生产并开始被大量应用。对色温和显色性要求很高的室内照明的舞台灯、影棚灯等也已实现量产并投入应用。适用范围最大、用量也最大的通用照明的T8、T5、T4、灯管和代替白炽灯和节能灯的螺口球泡灯以形成系列化，使用寿命已高达5万小时。LED照明已进入高速发展期。

通常，LED 的氮化镓系薄膜外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

由于蓝宝石衬底与氮化镓系薄膜材料在晶格常数及热膨胀系数方面的差异因素，现有技术已经采用在蓝宝石衬底上先通过MOCVD系统沉积一层AlN，用于作为缓冲层，但通过MOCVD系统沉淀的AlN，其质地疏松，致使LED外延磊晶层存在相当高的位错密度，使得氮化镓系薄膜内部存在非常大的应力。这一材料缺陷是LED在突破量子效率及用于大尺寸外延磊晶技术中的主要难题。

发明内容

[0005] 本发明的发明目的之一，提供了一种蓝宝石复合衬底。

[0006] 本发明的发明目的之二，提供了本发明蓝宝石复合衬底的制备方法。

[0007] 本发明的发明目的之三，提供了本发明蓝宝石复合衬底的应用。

[0008] 本发明的发明人在经过无数次实验，得到，在磊晶前对传统的蓝宝石衬底在磊晶前现在磊晶面采用磁控溅射的方法，溅镀一层氮化铝后制备成的蓝宝石复合衬底，可降低后续衬底在MOCVD中氮化镓薄膜在其上生长的位错密度，改变磊晶层之间的应力，使各层之间的晶格失配应力和热应力得于及时转移与释放，及由于膨胀系数差异导致的裂纹，提高LED外延芯片的良率。

[0009] 所述的蓝宝石衬底优选图形化蓝宝石衬底。

[0010] 具体制备步骤如下：

步骤1：洗净蓝宝石衬底，并用氮气吹干后放入射频磁控溅射系统中；

步骤2：选择铝为靶材，调节射频磁控溅射系统中氮气或氨气与氩气的体积比例为（5-12）：1，控制衬底温度在300-700℃之间，气压为55-100mtorr，溅射功率为40-80w；

步骤3：在蓝宝石衬底上溅镀一层AlN，其厚度控制在20-100nm之间；

步骤4：把溅镀完AlN的蓝宝石衬底经退火处理后，放入MOCVD中进行常规磊晶，生长LED氮化镓系薄膜。

[0011] 其中氮气或氨气与氩气的体积比例为（8-10）：1，控制衬底温度在400-600℃之间, 气压为60-80mtorr，溅射功率为50-60w。

[0012] AlN优选厚度控制在20-40nm或70-100nm之间。

[0013] AlN厚度控制70-100nm之间，由于AlN热传导比较好，便于在去除蓝宝石部分，保留AlN层可提高芯片的工作时的热散。

[0014] 本发明的发明人通过实验研究发现，在溅镀过程中其它条件不变氮气或氨气过多，容易形成铝空缺，增加了缺陷密度，氩气过多导致轰击出的靶材过多，使铝得不到充分的反应，使溅镀出的薄膜为富铝的氮化铝薄膜。

[0015] 本发明的发明人通过实验研究发现，在溅镀过程中其它条件不变衬底的温度过低，其溅镀出来的AlN膜致密度较低，并且比较容易与衬底脱离，温度过高影响溅镀本发明厚度的AlN膜需要的时间，同时增加AlN膜与衬底间的应力。