[发明专利]大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底压印装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图形化蓝宝石衬底方法，尤其涉及一种采用滚对 平面纳米压印方法实现4英寸以上的大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝 石衬底压印装置及方法，属微纳制造和光电子器件制造技术领域。

背景技术

蓝宝石衬底是目前制造蓝光、绿光和白光三族氮化物LED最主 要的衬底，与其它衬底(如碳化硅、硅、GaN等)相比，具有制造技 术成熟、单片成本低、化学和温度稳定性好、机械性能好、不吸收可 见光等优点，是目前LED行业使用最为广泛的衬底。但是，作为LED 行业的主流衬底，蓝宝石衬底有一个重大缺陷：与GaN等外延材料 存在较大的晶格失配和热应力失配，这将导致外延片产生大量的缺陷 (即由于晶格匹配度低，造成界面位错密度高)。这严重影响了LED 的内量子效率、LED芯片的性能和质量。例如，GaN和蓝宝石衬底 材料二者的晶格常数相差达16％，这导致GaN外延层缺陷密度较大， 并向有源层InGaN蔓延，缺陷密度达到10⁹～10¹¹cm^-2数量级。这些 线缺陷会吸收部分注入电流，降低了载流子的产生率，导致注入效率 下降。同时，载流子在缺陷能级易发生非辐射性复合，且载流子辐射 性复合生成的光能也容易被缺陷吸收，产生热能。这是蓝宝石衬底材 料的固有缺陷，上述缺陷反映在实际应用中导致的一个重大技术问题 就是“Droop效应”，即随着电流密度的增加，内量子转换效率不断 下降。“Droop效应”一方面降低了光输出强度，另一方面增加了工 作过程中产能的热能，对散热提出了更高的要求。是目前LED行业 最大技术挑战问题之一，迫切需要被解决。

图形化蓝宝石衬底(Pattern Sapphire Substrate，PSS)是在蓝宝石 衬底上制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案，使GaN 等外延材料由纵向外延变为横向外延。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的寿命；另一方面，对于倒装和薄膜倒 装结构的LED芯片，有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多 次散射，改变了全反射光的出射角，从而增加了光从芯片内部出射的 概率，提高了取光效率。综合这两方面的原因，使在PSS上生长的 LED的光提取效率、输出功率比传统的LED大大提高，LED的寿命 也得到了延长。因此，PSS方法使得蓝宝石衬底LED在内量子效率 和出光效率上都有所提升，LED的性能和质量有了很大的改善，是 针对以蓝宝石为衬底GaN基LED缺陷的有效改进方法。图形化蓝宝 石衬底正在成为半导体照明的主流衬底，是实现高亮度LED的一个 重要支撑技术。