[发明专利]一种规整排列纳米粗化蓝宝石衬底及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于外延生长GaN晶体的具有纳米粗化复合图形的蓝宝石衬底及其制备方法，属于半导体晶体制备技术领域。

背景技术

GaN具有宽直接带隙、高电子饱和速度、高击穿电场和高热导率等特性，在光电子和微电子领域都有很大的应用潜力。GaN和其它III组氮化物(InN、AlN)可以形成三元或者四元固溶体，其禁带宽度从0.7eV到6.28eV，发光波长从红外到紫外可调，在蓝绿光和紫外波段光电子器件获得广泛应用。

由于缺少大尺寸GaN衬底，目前GaN薄膜一般在蓝宝石、碳化硅以及硅等衬底上通过异质外延进行生长。蓝宝石由于价格便宜，透明度高，化学稳定性和热稳定性好，是目前商业化GaN基LED最常用的衬底。

GaN薄膜与蓝宝石衬底的晶格失配度约16％，因此蓝宝石衬底上外延生长的GaN薄膜具有较高的位错密度。另外GaN的折射率约2.4，远大于空气的折射率，因此全反射效应会降低LED的光提取效率。

在蓝宝石衬底上制备纳米或者微米量级的图形，可以使GaN发生横向外延，改善GaN薄膜的晶体质量。另外图形可以改变光线的传播方向，抑制全反射效应，提高GaN基LED的光提取效率。

中国专利文献CN102064088B公开的《一种干法刻蚀与湿法腐蚀混合制备蓝宝石图形衬底的方法》，是通过二氧化硅或者氮化硅作掩膜，先利用ICP干法刻蚀二氧化硅或者氮化硅掩膜，形成规则的三角形和环形图形，然后采用采用硫酸和磷酸的混合溶液湿法腐蚀蓝宝石，制备出蓝宝石图形衬底。CN102184842B公开的《一种湿法腐蚀与干法刻蚀相结合图形化蓝宝石的方法》，是在蓝宝石衬底上沉积一层二氧化硅膜；利用光刻技术在所述的二氧化硅膜上制备出带图形的光刻胶掩膜；将光刻图形刻蚀到二氧化硅膜上；以图形化的二氧化硅膜为掩膜，采用湿法腐蚀结合短时间干法刻蚀的方法，将图形刻蚀到蓝宝石衬底上；湿法腐蚀去掉二氧化硅膜，并将蓝宝石衬底清洗干净，完成图形化蓝宝石衬底的制备。

CN102790150A公开的《一种纳米碗状蓝宝石图形衬底的制作方法》，是在氯化铯纳米岛上沉积二氧化硅薄膜，之后通过超声法去除氯化铯纳米岛，二氧化硅成为刻蚀掩膜，采用ICP技术制备具有纳米碗状图形的蓝宝石衬底。

CN102881791A公开的《一种蓝宝石LED图形衬底及其制备方法》，是预先在蓝宝石衬底上沉积DBR，然后采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制备图形，最后得到具有图形化DBR的蓝宝石衬底，实际上为在蓝宝石衬底上预先沉积DBR反射层的新型图形衬底。

上述文献中的图形化蓝宝石衬底都只是具有单一的微米量级的图形，其结构如图1所示，是在蓝宝石衬底1上制备出微米量级图形2。GaN基LED有源区发出的光经过微米尺寸的图形反射，能够改变传播方向，增加逸出几率，但是仍然有很大部分光因为全反射效应而限制在GaN薄膜和蓝宝石衬底内部，导致光输出功率偏低。

发明内容

本发明针对现有图形化蓝宝石衬底存在的在用其制备的GaN基LED(发光二极管)的光提取效率较低的问题，提供一种能够获得较高光提取效率GaN基LED的规整排列纳米粗化蓝宝石衬底及制备方法，同时提供一种该蓝宝石衬底的制备方法。

本发明的规整排列纳米粗化蓝宝石衬底，其上具有微米量级图形和纳米量级图形相结合的复合图形，每个微米量级图形上分布有纳米量级图形，纳米量级图形分布在微米量级图形上表面的半径(上表面为圆形时)或重心与各角的连线上(上表面为多边形时)。

所述纳米量级图形下表面的中心点与所述微米量级图形上表面的半径的中点或重心与各角的连线的中点重合。

每个微米量级图形上的纳米量级图形分布对称。

所述微米量级图形为微米量级的圆台或棱台。所述微米量级图形的高度为1μm-20μm，底面直径(棱台的底面直径是其最长对角线)1μm-25μm。

所述纳米量级图形是棱锥、棱台、半球或其它任意不规则图形。所述纳米量级图形的高度是10nm-700nm，底面宽度是1nm-900nm。

上述纳米粗化复合图形化的蓝宝石衬底的制备方法，首先在蓝宝石衬底上制备微米量级图形，然后再在微米量级图形上制备纳米量级图形；具体包括以下步骤：

(1)在蓝宝石衬底上制备微米量级的图形；

采用ICP或者湿法腐蚀方法制备。

(2)在步骤(1)形成的微米量级的图形上沉积一层厚度50nm-1000nm的二氧化硅薄膜；

(3)在步骤(2)的二氧化硅薄膜上再沉积一层厚度50nm-500nm的银薄膜；