[发明专利]一种利用纳米压印技术快速制备蓝宝石图形衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石图形衬底的制备方法，具体涉及一种采用纳米压印技术制备具有真正纳米尺寸特征的蓝宝石图形衬底的方法。

背景技术

蓝宝石衬底是目前制造蓝光、绿光和白光等GaN基LED最主要的衬底，与其他衬底（如SiC、GaN等）相比，具有制造技术成熟、成本低、稳定性好、不吸收可见光等优点，是目前LED行业使用最广泛的衬底。但是，蓝宝石衬底有其重大缺陷：与GaN等外延材料之间存在较大的晶格失配和热应力失配，导致外延片产生缺陷，从而影响LED的内量子效率及芯片的性能和质量。晶格失配和热应力失配在实际应用中也产生一个重大技术问题——“Droop效应”，即随着电流密度的增加，内量子效率不断下降。“Droop效应”一方面降低了光输出强度，另一方面增加了工作工程中产生的热能，从而对散热提出了更高的要求，是LED行业目前最大的技术挑战之一，急需被解决。

采用PSS衬底即蓝宝石图形衬底技术是提高LED发光效率的有效途径之一，其结构图见图1所示。PSS衬底技术是在蓝宝石衬底制作周期性起伏的图形结构，使外延材料由纵向外延变成横向外延。一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，提高晶体质量，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED寿命；另一方面，有源区发出的光，经GaN和图形化蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，从而增加了光的出射率，提高了取光效率。与平片蓝宝石相比，PSS衬底可以有效降低外延层中的位错密度，提高器件性能。

但传统的PSS制作方法是通过光刻、刻蚀的方法把光刻板上的图形转移到样品上。但由于受加工方法的限制，采用常规的光刻工艺只能加工特征尺寸为微米级的PSS衬底，且得到的衬底图形不均匀，这使得衬底图形的设计和改进都受到了极大地限制。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种在蓝宝石图形衬底的制备方法，以实现蓝宝石图形的纳米尺度化。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种利用纳米压印技术快速制备蓝宝石图形衬底的方法，包括如下步骤：

步骤一、制备压印图形母版，采用电子束直写在硅基板上制备纳米尺寸图形结构，获得纳米压印图形母版；所述纳米尺寸的图形根据模拟LED照明光场的优化结果设定；

步骤二、翻印模板，根据步骤一中的压印图形母版翻印模板；

步骤三、蓝宝石基板制作并涂胶，在蓝宝石基板上旋涂一层光刻涂胶或热压胶；

步骤四、模板压印，压印机把步骤二中的翻印模板压到步骤三中蓝宝石基片上的光刻涂胶或热压胶上，使涂胶或热压胶充满翻印模板的凹陷图案内；

步骤五、图形转移，将上述步骤四中经压印处理后的纳米压印模板与蓝宝石衬底分离，蓝宝石衬底表面的光刻胶或热压胶上得到所需的图案；

步骤六、最终处理，通过电感耦合等离子体刻蚀或者反应离子束刻蚀，再经过去胶、腐蚀、清洗、烘干处理，得到最终的蓝宝石图形衬底。

优选地，所述步骤二的翻印模板为硬模板或软模板。

优选地，所述蓝宝石衬底的图案为半球形、柱状、圆孔型、六边形、金字塔型、V字型、脊型、连续网状结构或者光子晶体结构。

优选地，所述步骤四中的模板压印可采用热纳米压印或紫外纳米压印。

优选地，所述步骤五中的图形转移采用ICP刻蚀或RIE刻蚀方法。

本发明的有益效果主要体现在：1、突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，制备具有纳米特征尺寸图形衬底，图形衬底尺寸小于500nm。

2、实现了全新的NPSS衬底产业化技术，由于得到的图形尺寸均匀，适合于大规模工业生产，衬底连续压印速度大于8片/min。

3、降低了衬底加工成本和外延生产成本，LED照明芯片生产成本降低15%。

4、避免了LED外延层中位错的局部集中现象，减少了造成LED反向漏电和静电击穿的缺陷，LED寿命提高了一倍，达到10万小时。

5、实际应用表明，采用本发明NPSS衬底进行LED外延生长，可提高LED的内量子效率和出光效率，相比于微米级PSS衬底，LED芯片发光效率可提高30%以上。

6、采用本发明NPSS衬底可以降低外延片的翘曲程度，增加外延片的波长均匀性，提高芯片良率，波长均匀性标准方差小于3个纳米。

附图说明

图1：背景技术中的蓝宝石图形衬底的结构示意图。

图2：本发明纳米压印技术流程示意图。