[发明专利]一种用于提高外延质量的图形化衬底的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于LED衬底材料的制备技术领域，主要涉及一种图形化衬底的制备方法。

背景技术

GaN半导体由于其在高效率固体照明中的应用受到了业界的广泛关注。GaN通常是在异质衬底上通过MOCVD技术生长而成。由于Al₂O₃与GaN存在较大的晶格失配，常规的解决方案是先在Al₂O₃衬底上生长一层低温GaN缓冲层，后经高温退火后再继续生长高温GaN外延层，从而减小晶格间的不匹配程度。因此，Al₂O₃仍然成为目前生长GaN的最佳衬底。

低温缓冲层的GaN晶体质量很大程度上决定了随后高温外延层的晶体质量；为了获得更好的外延质量，通常会通过湿法腐蚀或干法刻蚀手段在Al₂O₃衬底表面制备微米级或纳米级的三维图形阵列，从而提高外延层晶体质量，同时提高出光效率，这种图形化Al₂O₃衬底已被广泛用于GaN基LED生产。如图1所示，传统的图形化Al₂O₃衬底制备流程，采用匀胶、曝光、显影以及ICP等工艺，可制备出具有特定形状、尺寸的图形化Al₂O₃衬底。

不过，在制备PSS阶段和生长外延阶段仍存在种种挑战：由于Al₂O₃材料硬度高，化学稳定性好，因此不论是湿法刻蚀还是干法刻蚀，图形化过程都非常困难；此外，GaN外延在PSS衬底上比在光滑衬底表面生长更加困难，且最初的低温GaN缓冲层只会在PSS衬底的平面部分生长，而非整个表面，生长完GaN缓冲层后还需要一步高温退火工艺才能消除位错，因此外延生长窗口很窄。

本发明针对以上问题提出一种新型图形化衬底制备过程：在长有AlN籽晶层的Al₂O₃衬底上制备图形化的Si0₂。本技术可以大幅度的简化干法刻蚀制备图形化Al₂O₃衬底，提供较宽的外延生长窗口，并且返工操作简单、成本低，满足了当前大规模生产的需要。

发明内容

本发明提出一种长有AlN籽晶层形成图形化Si0₂的衬底结构及其制备方法，一方面通过异质外延使GaN生长时产生横向生长，另一方面通过AlN籽晶层为GaN外延生长提供良好的磊晶基础，从而减少缺陷,提高外延晶体质量。

该图形化衬底的制备方法，主要包括以下步骤：

1)在抛光后的Al₂O₃衬底表面使用磁控溅射手段沉积一层AlN薄膜，作为后续GaN生长的籽晶层；

2)在AlN薄膜层上采用PECVD技术生长一层Si0₂薄膜；

3)在Si0₂薄膜上旋涂一层正性光刻胶(PR)，通过步进式光刻机对其曝光，显影后得到柱型光刻胶掩膜；

4)对Si0₂薄膜进行湿法腐蚀，腐蚀速率控制在200-300nm/min之间，Si0₂薄膜在光刻胶掩膜的保护下被腐蚀形成图形阵列，直至腐蚀部位露出AlN表层；

5)剥除光刻胶，最终得到AlN籽晶层上具有Si0₂图形阵列的Al₂O₃衬底；

6)清洗样片后直接生长GaN外延层。

基于上述方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

步骤1)沉积AlN薄膜的厚度为20-100nm，步骤2)生长Si0₂薄膜的厚度为1.0-2.0μm。

步骤2)旋涂正性光刻胶的厚度为1.5-3.0μm；显影后得到柱型光刻胶掩膜，底径为1.0-5.0μm，图形间距为0.3-2.0μm。

步骤4)进行湿法腐蚀所采用的用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)的主要成分为HF和NH₄F，两者配比(体积比)HF:NH₄F＝1:6。

步骤5)剥除光刻胶所采用的剥离液为硫酸、双氧水混合溶液(SPM)，两者配比(体积比)H₂SO₄(质量分数浓度98％):H₂O₂(质量分数浓度30％)为3:1-4:1。