[发明专利]一种蓝宝石图形衬底的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于LED图形化衬底技术领域，主要涉及一种蓝宝石图形衬底的制备方法。

背景技术：

氮化镓(GaN)半导体材料具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等优良特性。直接合成GaN单晶比较困难，由于氮的解离压很高，需要高温高压条件，而且生长出来的单晶尺寸小，不能满足生产的要求，因此商业化的GaN基器件基本都是采用异质外延法。但由于异质衬底材料与GaN的晶格失配和热膨胀失配系数都非常大，外延生长时易造成较大的应力和较高的位错密度，因而会降低载流子迁移率、寿命和材料热导率，同时位错会形成非辐射复合中心和光散射中心，导致光电子器件发光效率降低。

图形化蓝宝石衬底及低温GaN缓冲层的使用大大降低了异质外延的不匹配度，在传统的图形化蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层，外延层位错密度一般为10⁸/cm²。外延生长时GaN层逐渐覆盖蓝宝石图形，外延横向生长的趋势不强，导致外延层中存在大量从图形顶部及底部延伸的穿透位错，从而使外延层中位错密度保持在10⁸/cm²这一较高水平，且不容易继续降低。

发明内容：

本发明希望进一步提高异质外延生长结构的晶体质量、提高光效，为此提出一种新的蓝宝石图形衬底的制备方法。

本发明的技术方案如下：

该蓝宝石图形衬底的制备方法，包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上制备一层SiO₂薄膜；

2)在SiO₂薄膜上继续热蒸镀一层Ni膜，通过快速热退火制备Ni纳米岛；

3)以Ni纳米岛为掩膜，使用反应离子刻蚀法(RIE)或氢氟酸溶液刻蚀SiO₂层，获得SiO₂纳米柱阵列；

4)去除Ni层，即得到带有SiO₂纳米柱阵列的蓝宝石图形衬底。

基于以上方案，本发明进一步对各环节作如下优化限定:

步骤1)制备SiO₂薄膜的方法为PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子增强化学气相沉积)或反应磁控溅射法或热蒸发镀膜法。

若采用PECVD工艺制备SiO₂薄膜，PECVD沉积温度为200-300℃。

步骤1)沉积100-300nm厚的SiO₂层。

步骤2)在SiO₂上蒸镀8-15nm厚的Ni薄膜，氮气气氛下通过快速热退火形成Ni纳米岛，退火温度700-1000℃，时间为1-3min；Ni纳米岛的平均直径为100-200nm，密度为3-5×10⁸/cm²(即每cm²的面积上有3-5×10⁸个纳米岛)。

步骤3)采用的刻蚀气体为CF₄或CHF₃及SF₆，刻蚀速率控制在50-66nm/min，刻蚀时间为1-6min。

步骤4)是在50-150℃的HNO₃溶液中浸泡5-10min去除剩余的Ni薄膜。

一种采用上述方法制备得到的蓝宝石图形衬底，其特殊之处在于：蓝宝石衬底的表面分布有SiO₂纳米柱阵列。

上述SiO₂纳米柱阵列的较佳形状结构是：高度为100-300nm；SiO₂纳米柱的平均直径为100-200nm，密度为3-5×10⁸/cm²。

本发明的有益效果如下：

用本发明方法制备的蓝宝石衬底，其表面分布有SiO₂纳米柱阵列。由于SiO₂与Al₂O₃的晶格匹配度较差，因此GaN只会在裸露的蓝宝石表面生长，继续生长时GaN将横向覆盖SiO₂纳米柱。这种横向外延生长，可以阻挡位错线蔓延，减少后续外延层的位错密度，从而提高量子阱的晶体质量，最终表现为内量子效应提高。