[发明专利]一种图形化复合衬底的制备方法

说明书

本发明提供了一种图形化复合衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干垂直交错排布的周期性沟道阵列；步骤2：在清洗后的蓝宝石衬底表面实现一层介质薄膜层；步骤3：在带有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成周期性条形光栅掩膜图形；步骤4：将掩膜图形转移到介质薄膜层和蓝宝石衬底上，该蓝宝石衬底表面形成有条形光栅微结构图形，经过清洗后，再再表面形成一层氮化铝单晶薄膜层，最后实现图形化复合衬底。本发明有效地避免了LED芯片光电性能损伤问题，大大提高了LED芯片的发光效率，并提高制程良率，降低生产成本。

技术领域

本发明涉及一种图形化复合衬底，具体地说是一种主要应用在高光效氮化镓基发光二极管(GaN-based LED)外延上的图形化复合衬底的制备方法。

背景技术

以氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金材料为主的第三代半导体材料，由于其能带宽度范围可在0.7eV至6.2eV连续可调，且均为直接带隙，以及其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基发光二极管(LED)、激光器、电子功率器件等光电器件的优选材料。但是，由于GaN单晶材料制备非常困难，又很难找到与GaN晶格匹配的衬底材料，目前99％以上的GaN基LED器件均是通过异质外延生长获得的，所采用的衬底材料主要是蓝宝石衬底。然而，蓝宝石与GaN材料的晶格常数相差约15％，导致在蓝宝石衬底上生产的氮化物材料晶体质量差，位错密度达到10⁸-10¹⁰/cm²，从而影响器件的使用寿命和发光效率。图形化蓝宝石衬底(PSS)技术在GaN 基LED外延生长中得到大幅度推广与应用，呈现迅猛发展的势头。相对采用平片蓝宝石衬底制作的LED芯片，PSS对应的LED芯片亮度提升30％左右。PSS 已经成为LED产业的主流衬底材料。

考虑到异质材料界面的折射率差越大，越有利于LED出光效率的提高。然而，蓝宝石折射率(n≈1.78)与GaN材料折射率(n≈2.5)的差值只有0.7左右，不利于进一步提升LED的出光效率；同时，PSS本身与GaN的晶格失配大等因素限制了LED内量子效率的进一步提升。此外，由于蓝宝石材料的化学键能大性能稳定的特点，导致PSS制备困难、成本高。此外，LED芯片加工过程中，采用紫外激光切割方法，对晶片划裂成LED芯片单元时，激光烧蚀会使得LED 芯片边缘区域受到损伤，影响电学性能；另外，切割过程产生的残渣落在芯片表面不易清理，影响出光效率。特别地，对于Mini-LED和Micro-LED这类小尺寸芯片，若仍采用激光切割方式进行芯片分离，芯片面积的受损比例相对更大，有效发光区域缩小，势必对LED芯片的光电性能产生严重影响，以及降低批量生产过程中的成品率。如何实现高光效、低成本的LED芯片是制约该产业发展的一大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种图形化复合衬底的制备方法，该制备方法所实现的衬底，不需要进行激光切割，就能实现LED芯片分离，有效地避免了 LED器件光电性能损伤问题，改善了芯片出光效率，并提高制程良率，降低LED 产业的生产成本。

本发明的技术方案：

一种图形化复合衬底的制备方法，步骤如下：

步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干垂直交错排布的周期性沟道阵列；控制垂直交错排布的周期性沟道阵列中，横向与纵向沟道的夹角为90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm；沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为40μm-120μm，沟道侧壁倾斜度为30°-90°；

步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗后，在蓝宝石衬底表面形成一层介质薄膜层；将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟；