一种用于提高外延质量的图形化衬底的制备方法
【专利摘要】本发明提出一种用于提高外延质量的图形化衬底的制备方法。该方法主要包括以下步骤：1)在抛光后的Al2O3衬底表面使用磁控溅射手段沉积一层AlN薄膜，作为后续GaN生长的籽晶层；2)在AlN薄膜层上采用PECVD技术生长一层Si02薄膜；3)光刻得到柱型光刻胶掩膜；4)对Si02薄膜进行湿法腐蚀形成图形阵列，直至腐蚀部位露出AlN表层；5)剥除光刻胶，最终得到AlN籽晶层上具有Si02图形阵列的Al2O3衬底；6)清洗样片后直接生长GaN外延层。这样，一方面通过异质外延使GaN生长时产生横向生长，另一方面通过AlN籽晶层为GaN外延生长提供良好的磊晶基础，从而减少缺陷,提高外延晶体质量。
【专利说明】一种用于提高外延质量的图形化衬底的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于LED衬底材料的制备【技术领域】，主要涉及一种图形化衬底的制备方 法。
【背景技术】
[0002] GaN半导体由于其在高效率固体照明中的应用受到了业界的广泛关注。GaN通常 是在异质衬底上通过M0CVD技术生长而成。由于A1 203与GaN存在较大的晶格失配，常规的 解决方案是先在A120 3衬底上生长一层低温GaN缓冲层，后经高温退火后再继续生长高温 GaN外延层，从而减小晶格间的不匹配程度。因此，A1203仍然成为目前生长GaN的最佳衬 底。
[0003] 低温缓冲层的GaN晶体质量很大程度上决定了随后高温外延层的晶体质量；为了 获得更好的外延质量，通常会通过湿法腐蚀或干法刻蚀手段在A1 203衬底表面制备微米级 或纳米级的三维图形阵列，从而提高外延层晶体质量，同时提高出光效率，这种图形化A1 203 衬底已被广泛用于GaN基LED生产。如图1所示，传统的图形化A1203衬底制备流程，采用 匀胶、曝光、显影以及ICP等工艺，可制备出具有特定形状、尺寸的图形化A1 203衬底。
[0004] 不过，在制备PSS阶段和生长外延阶段仍存在种种挑战：由于A1203材料硬度高，化 学稳定性好，因此不论是湿法刻蚀还是干法刻蚀，图形化过程都非常困难；此外，GaN外延 在PSS衬底上比在光滑衬底表面生长更加困难，且最初的低温GaN缓冲层只会在PSS衬底 的平面部分生长，而非整个表面，生长完GaN缓冲层后还需要一步高温退火工艺才能消除 位错，因此外延生长窗口很窄。
[0005] 本发明针对以上问题提出一种新型图形化衬底制备过程：在长有A1N籽晶层的 A1203衬底上制备图形化的Si02。本技术可以大幅度的简化干法刻蚀制备图形化A1 203衬底， 提供较宽的外延生长窗口，并且返工操作简单、成本低，满足了当前大规模生产的需要。
【发明内容】
[0006] 本发明提出一种长有A1N籽晶层形成图形化Si02的衬底结构及其制备方法，一方 面通过异质外延使GaN生长时产生横向生长，另一方面通过A1N籽晶层为GaN外延生长提 供良好的嘉晶基础，从而减少缺陷，提1?外延晶体质量。
[0007] 该图形化衬底的制备方法，主要包括以下步骤：
[0008] 1)在抛光后的A1203衬底表面使用磁控溅射手段沉积一层A1N薄膜，作为后续GaN 生长的籽晶层；
[0009] 2)在A1N薄膜层上采用PECVD技术生长一层Si02薄膜；
[0010] 3)在Si02薄膜上旋涂一层正性光刻胶（PR)，通过步进式光刻机对其曝光，显影后 得到柱型光刻胶掩膜；
[0011] 4)对Si02薄膜进行湿法腐蚀，腐蚀速率控制在200-300nm/min之间，Si0 2薄膜在 光刻胶掩膜的保护下被腐蚀形成图形阵列，直至腐蚀部位露出A1N表层；
[0012] 5)剥除光刻胶，最终得到A1N籽晶层上具有Si02图形阵列的ΑΙΑ衬底；
[0013] 6)清洗样片后直接生长GaN外延层。
[0014] 基于上述方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：
[0015] 步骤1)沉积A1N薄膜的厚度为20-100nm，步骤2)生长Si02薄膜的厚度为 1. 0-2. 0 μ m〇
[0016] 步骤2)旋涂正性光刻胶的厚度为1.5-3. Ομπι;显影后得到柱型光刻胶掩膜，底径 为 1. 0-5. 0 μ m，图形间距为 0· 3-2. 0 μ m。
[0017] 步骤4)进行湿法腐蚀所采用的用缓冲氧化物刻蚀液（Β0Ε)的主要成分为HF和 NH4F，两者配比（体积比）HF: NH4F = 1:6。
[0018] 步骤5)剥除光刻胶所采用的剥离液为硫酸、双氧水混合溶液（SPM)，两者配比（体 积比）H 2S04 (质量分数浓度98 % ) : H202 (质量分数浓度30 % )为3:1-4:1。
[0019] 本发明的这种图形化A1203衬底结构，其特点是：在A1A衬底表面覆盖有一层 A1N薄膜，作为后续GaN生长的籽晶层；在所述籽晶层表面生长并经湿法腐蚀形成的图形化 Si〇2阵列。
[0020] 上述A1N薄膜的厚度为20-100nm，Si02薄膜的厚度为1.0-2.0μπι ;所述图形化 Si02薄膜的表面为图形阵列，图形底径为1. 0-5. 0 μ m，图形单元间距为0. 3-2. 0 μ m。
[0021] 进一步的优化，上述A1N薄膜的厚度为30nm，Si02薄膜的厚度为1.5μπι ;图形底 径为2 μ m,图形单元间距为1 μ m。
[0022] 本发明可以使GaN材料的晶体质量大幅度提高，生长窗口增加。使用本发明制备 图形化SiOjf底生长GaN外延，（102) (002)晶面半高宽均可降低到300arcses以下，且外 延层表面光滑平整无缺陷。具体有以下有益效果：
[0023] 1.获得图形化Si02比获得图形化蓝宝石操作更容易，可以节约成本。
[0024] 2.可以根据光刻胶掩膜的形貌自由调整图形化Si02的形貌，操作简便。
[0025] 3.在外延生长过程中，由于5102与GaN晶格失配较大，因此GaN只会在裸露的A1N 籽晶层上生长，而晶格不匹配的Si02阻碍GaN在其表面生长，外延继续时，A1N籽晶上的GaN 会横向生长将Si02图形覆盖掉。此结构增加了横向外延的几率，最终获得一个平整的外延 表面，提高了外延晶体质量，扩大了生长窗口。
[0026] 4.由于A1203硬度高、化学性质稳定，因此传统方案图形化A1 203衬底返工工艺困 难且成本较高，而本发明图形化Si02用Β0Ε溶液腐蚀就可返工，操作简单、成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为传统图形化A1203衬底制备流程图。
[0028] 图2为本发明的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合图2以及一个具体的实施例进一步对本发明做详细说明。
[0030] 首先，在抛光后的A1203衬底表面使用磁控溅射手段沉积一层厚度为30nm的A1N 薄膜，这层A1N薄膜可作为后续GaN生长的籽晶层。
[0031] 然后，在A1N薄膜层上采用PECVD技术生长一层厚度为1.5μπι的Si02薄膜，通过 控制沉积时间来控制Si02薄膜的厚度。
[0032] 接着，再在Si02薄膜上旋涂一层厚度为2. 15 μ m的正性光刻胶，通过步进式光刻 机对其曝光（采用的5寸铬版，曝光能量：160ms，焦距：0. 5)，显影后得到柱型光刻 胶掩膜（图形底径为2 μ m，图形间距为1 μ m)，135°C下烘烤30min。
[0033] 再用Β0Ε (缓冲氧化物刻蚀液，体积比HF: NH4F = 1:6)缓冲液对Si02薄膜进行湿 法腐蚀，腐蚀速率控制在200-300nm/min，Si02会在光刻胶掩膜的保护下被腐蚀出特定的图 形阵列，直至腐蚀部位露出A1N表层，通过控制腐蚀时间得到不同尺寸的Si0 2图形阵列。
[0034] 最后用SPM(硫酸、双氧水混合溶液，体积比H2S04 (98% ) :H202 (30% ) = 4:1)剥除 光刻胶，就得到A1N籽晶层上具有Si02图形阵列的A120 3衬底。
[0035] 清洗样片后可直接生长GaN外延层。
[0036] 以上实施例根据实际需要给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温 度、厚度、压力等具体参数不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本 发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度 的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
【权利要求】
1. 一种用于提高外延质量的图形化衬底的制备方法，主要包括以下步骤： 1) 在抛光后的A1203衬底表面使用磁控溅射手段沉积一层A1N薄膜，作为后续GaN生 长的籽晶层； 2) 在A1N薄膜层上采用PECVD技术生长一层Si02薄膜； 3) 在Si02薄膜上旋涂一层正性光刻胶（PR)，通过步进式光刻机对其曝光，显影后得到 柱型光刻胶掩膜； 4) 对Si02薄膜进行湿法腐蚀，腐蚀速率控制在200-300nm/min之间，Si02薄膜在光刻 胶掩膜的保护下被腐蚀形成图形阵列，直至腐蚀部位露出A1N表层； 5) 剥除光刻胶，最终得到A1N籽晶层上具有Si02图形阵列的A1203衬底； 6) 清洗样片后直接生长GaN外延层。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)沉积A1N薄膜的厚度为 20-100nm，步骤2)生长Si02薄膜的厚度为1. 0-2. Ο μ m。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)旋涂正性光刻胶的厚度为 1. 5-3. 0 μ m ;显影后得到柱型光刻胶掩膜，底径为1. 0-5. 0 μ m，图形间距为0. 3-2. 0 μ m。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)进行湿法腐蚀所采用的用缓 冲氧化物刻蚀液（BOE)的主要成分为HF和NH4F，两者配比（体积比）HF:NH4F= 1:6。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5)剥除光刻胶所采用的剥离液 为硫酸、双氧水混合溶液（SPM)，两者配比（体积比）H2S04(质量分数浓度98% ) :H202 (质量 分数浓度30% )为3:1-4:1。
6. -种图形化A1203衬底结构，其特征在于：在A1 203衬底表面覆盖有一层A1N薄膜，作 为后续GaN生长的籽晶层；在所述籽晶层表面生长并经湿法腐蚀形成的图形化Si0 2阵列。
7. 根据权利要求6所述的图形化衬底结构，其特征在于：所述A1N薄膜的厚度为 20-100nm，Si02薄膜的厚度为1. 0-2. 0 μ m ;所述图形化Si02薄膜的表面为图形阵列，图形 底径为1. 0-5. 0 μ m，图形单元间距为0· 3-2. 0 μ m。
8. 根据权利要求7所述的图形化衬底结构，其特征在于：所述A1N薄膜的厚度为30nm， Si02薄膜的厚度为1. 5 μ m ;图形底径为2 μ m,图形单元间距为1 μ m。
【文档编号】H01L33/00GK104051583SQ201410267085
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】韩沈丹, 缪炳有, 黄宏嘉, 张汝京 申请人:西安神光安瑞光电科技有限公司