[发明专利]一种制备新型微纳米复合结构图案化蓝宝石衬底的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件制备与微纳米加工领域，具体涉及利用光刻、电子束蒸发镀膜、金属退火自组装和刻蚀等方法制备一种新型的微纳米复合结构图案化蓝宝石衬底。

背景技术

图案化蓝宝石衬底技术(patterned sapphire substrate，PSS)是近年来发展的一种可以提高LED外量子效率的一种方法。一方面，在外延生长GaN时，PSS会降低所产生的位错密度，使得LED的内量子效率得到提高；另一方面，PSS通过增加光子的反射，改变光传播路径，使得原本局域在外延层中的光子可以出射到空气中，这就增加了光提取效率(LEE)。目前普遍采用的是微米图案化蓝宝石衬底(micro-patterned sapphire substrate，MPSS)结构，常用光刻技术制备。

最近的研究工作表明，当图案化衬底的尺寸降低至纳米级时，LED器件的光输出功率(light output power，LOP)会得到提高，这是由于纳米图案化蓝宝石衬底(nano-patterned sapphire substrate，NPSS)会进一步降低位错的密度，从而提高内量子效率。然而一些理论的模拟工作表明，相比于纳米尺度下的衬底图形，微米尺度的衬底图形其对出光效率的提高会更强；也就是说，尽管纳米尺度的图案化衬底可以更大程度上降低外延生长的位错密度，它可能在光引出效率上的表现不如微米图案化的衬底，目前关于这方面的报道还比较少。

目前，一种可以提升LED器件光提取效率的复合结构(hierarchical structure)已经开始被人们研究，这种复合结构一般是在微米图形的基础上进行纳米结构的制备，对于光提取效率的提升要优于单一的微米结构。但是，由于在高深度的微米图形上制备纳米图形具有很高的难度，传统的光刻不能在这种曲面上曝光，纳米压印技术也很难在高曲率的衬底上制备纳米图形。因此，受到制备方法的限制，利用微纳米图形的研究工作目前并不多见，也未见到在图案化蓝宝石衬底上制备纳米图案的相关报道。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于结合光刻工艺、电子束蒸发镀膜、金属退火技术和ICP刻蚀工艺，提供一种制备新型微纳米复合结构图案化蓝宝石衬底的方法，该方法能够较容易地在高曲率、高深宽比的微米图案化蓝宝石衬底上制备出纳米图案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种制备新型微纳米复合结构图案化蓝宝石衬底的方法，具体步骤如下：

a)通过光刻和刻蚀工艺制备出具有高曲率和高深宽比的圆锥形微米图案化蓝宝石衬底；

b)在所述微米图案化蓝宝石衬底上利用电子束蒸发镀膜沉积一层金属镍层；

c)将镀有金属镍层的蓝宝石衬底进行退火，退火温度为700-900℃，时间为1-3分钟，得到具有镍纳米颗粒的微米图案化蓝宝石衬底；

d)以所述镍纳米颗粒为掩模，将步骤c)制备得到的蓝宝石衬底进行感应耦合等离子体刻蚀，从而在圆锥形的蓝宝石衬底上得到多个纳米蓝宝石柱阵列；

e)除去残余的镍纳米颗粒，最终得到具有微米、纳米复合结构的图案化蓝宝石衬底。

步骤a)的具体过程如下：首先在蓝宝石衬底上旋涂光刻胶，利用光刻工艺得到微米级光刻胶点阵结构；然后以所述光刻胶点阵结构作为光刻掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀蓝宝石衬底；最后将剩余的光刻胶除去，得到具有高曲率和高深宽比的圆锥形微米图案化蓝宝石衬底。

所述光刻胶点阵结构的周期和高度均为3μm；所述圆锥形微米图案化蓝宝石衬底的周期为3μm，深度为1.7μm。

进一步地，所述金属镍层的厚度为10nm。

步骤d)中，进行感应耦合等离子体刻蚀的刻蚀深度为100-400nm。

本发明的方法具有以下优点：

(1)在高曲率、高深宽比的微米图案上利用传统方法制备纳米图案是一件非常困难的事情。金属退火技术是一种可以快速的、低成本的、大面积的制备纳米金属颗粒的方法，目前已经被应用于在平面上制备纳米颗粒。本发明巧妙利用了金属退火技术，可以很方便、快捷地在高曲率、高深宽比的微米图案上制备出大面积的金属纳米图案，其成本也非常低廉。

(2)在蓝宝石衬底的刻蚀中，本发明采用的金属镍具有优秀的抗刻蚀能力，并且残余的镍掩模可以很容易的利用稀硝酸或者盐酸清除掉。