一种InGaN基长波长LED的衬底结构及其制备方法

一种ingan基长波长led的衬底结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微电子技术领域，进一步涉及蓝宝石刻透衬底技术，具体为一种ingan基长波长led的衬底结构及其制备方法，可用于制作ingan基长波长发光二极管led器件。
技术背景
2.ⅲ‑ⅴ
族的氮化物半导体材料，如aln、gan、inn等半导体材料，它们的禁带宽度aln为6.2ev、gan为3.42ev、inn为0.7ev，且它们可以任意组分组成合金材料，实现禁带宽度从0.7ev到6.2ev的连续可调，用作发光器件可覆盖整个可见光谱！甚至覆盖了红外，紫外，极紫外领域。因此人们通常利用这些
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体材料制作各种led器件。特别是ingan材料体系在蓝光led上取得了巨大的成功，2014年赤崎勇、天野昊和中村修二因为在蓝光led方面的巨大贡献而获得了诺贝尔物理学奖。
3.当前氮化物led在蓝光和绿光等波长范围内有着较高的发光效率，而随着波长的增加，效率急剧降低，例如红光led发光效率仅有百分之几，甚至有的不足百分之一。长波长范围，如此低的发光效率主要是由于应力导致的较差的材料质量。更长的发光波长，需要更高的in组分，例如制备红光led时，至少需要0.4组分的in原子，但是in原子相对与ga原子具有更大的原子半径，在in原子具有较大的晶格常数下，越高的in组分会导致越大的应力产生，使得材料质量严重下降。因此应力问题成了限制长波长范围led器件效率低的最关键原因，如何解决材料生长的应力问题是提高长波长led器件效率的关键思路。
4.目前，通过改变衬底结构，来提高外延材料质量的工艺手段有图形化衬底(patterned sapphire substrate，pss)，也就是在蓝宝石衬底上刻蚀出一些微米级或毫米级的凹凸型图形，实现gan材料的横向外延，减少位错密度，提高材料质量。其实现过程为先在蓝宝石衬底上制备掩模，用标准的光刻工艺将掩模版刻蚀图形，利用刻蚀技术实现衬底的图形化，最后洗去掩膜就完成了pss工艺。虽然pss工艺对提高led器件效率有着帮助，但在长波长范围内，没有解决最关键的应力问题，其提升效率效果并不明显。因此，需要更好的衬底结构来解决外延材料的应力问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于针对上述现有技术在ingan基长波长led器件中由于材料应力严重制约发光效率的问题，提出一种在蓝宝石衬底上刻蚀通孔的结构及其制备方法。该结构可以显著的改善高in组分的ingan/gan材料中的应力问题，提升外延晶体质量，提升发光二极管发光效率。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.本发明中衬底结构，包括：衬底和通孔；所述通孔刻蚀在衬底上，为穿透衬底的孔，用于在外延gan/ingan材料上产生空位释放材料应力并提高横向外延。
8.进一步，上述衬底采用蓝宝石、si、sic材料中的任意一种；采用蓝宝石材料作衬底，厚度为350μm。
9.进一步，上述通孔，其图案包括圆形、多边形；通孔间距与孔径大小均为nm-mm级，且二者相匹配。
10.本发明中衬底结构的制备方法，包括如下步骤：
11.1)准备并清洗衬底；
12.2)在干净衬底上旋涂光刻胶；
13.3)按照预设图案要求对衬底进行光刻；
14.4)显影和烘干操作；
15.5)利用刻蚀技术在预设图案处向下刻蚀穿透衬底的孔，快速刻透衬底形成通孔；
16.6)清洗去除衬底表面光刻胶，完成刻衬底结构的制备。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.第一、由于本发明在衬底上刻蚀通孔，使得在衬底外延时引入空的位置，即外延层在衬底刻透处的上方会形成空位，生长不同晶格常数的材料时，这些空位则会在升降温过程中起到很好的缓冲作用，将外延材料的应力在整个衬底平面进行释放，达到应力缓冲目的；另外，带有通孔的衬底使外延层横向生长，能够减少位错密度，从而提升高材料质量。
19.第二、本发明提出的衬底刻蚀通孔技术，在衬底外延时引入空位除了缓冲应力外，外延产生的空位还能作为一层反光层，这些空的位置类似于空气柱，由于空气与材料折射率不同，会将材料内的光全部反射出外界，减少材料的吸光，从而提高出光效率，极大的提高ingan基长波长led的发光效果。
20.第三、本发明在衬底上刻蚀图形为通孔的截面图像，采用的是向下挖孔方式，工艺较为简单且可供选择的图案多；相比于现有图形化衬底所需图案复杂、工艺多且要求精确，本发明的制作成本明显低廉、制作时间短，更便于实现量产。
附图说明
21.图1为本发明衬底结构的示意图；
22.图2为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步的描述。
24.参照图1，本发明提出的一种ingan基长波长led的衬底结构，包括衬底和通孔；通孔刻蚀在衬底上，为穿透衬底的孔，用于在外延gan/ingan材料上产生空位释放材料应力并提高横向外延；衬底采用蓝宝石、si、sic材料中的任意一种。所述通孔的图案包括圆形、多边形；通孔间距与孔径大小均为nm-mm级，且二者相匹配。
25.本实施例优选采用蓝宝石材料作衬底，厚度为350μm；如图1所示，为一种表面平整且打有向下通孔的蓝宝石衬底，该衬底表面没有进行条纹打磨，也没有进行图形化衬底等工艺；通孔为蓝宝石衬底表面向下刻蚀，并且刻透了衬底，留下的贯穿孔。
26.参照图2，本发明提出的一种ingan基长波长led的衬底结构的制备方法，包括如下步骤：
27.步骤1：参照图2中的(a)，准备并清洗衬底；本实施例采用蓝宝石材料作为衬底，厚度为350μm，清洗时采用超声波清洗5-10min。
28.步骤2：参照图2中的(b)，在干净衬底上旋涂光刻胶，采用的旋涂工艺是在涂胶机上旋涂操作，设置旋涂转速3700r/min，旋涂时间为30s，旋涂完毕后在100℃温度下烘干100s。
29.步骤3：参照图2中的(c)，按照预设图案要求对衬底进行光刻，这里的预设图案为圆形或多边形，预设孔径大小为nm-mm级，预设通孔间距与孔径大小均nm-mm级，且二者相匹配。
30.步骤4：参照图2中的(d)，显影和烘干操作；
31.步骤5：参照图2中的(e)，利用刻蚀技术在预设图案处向下刻蚀穿透衬底的孔，快速刻透衬底形成通孔。其中使用的刻蚀技术，包括干法刻蚀和湿法刻蚀，其中干法刻蚀包括感应耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀；本实施例选用感应耦合等离子体刻蚀技术，刻蚀过程中采用bcl3作为主刻蚀气体，流量为50-100sccm；h2作为调整光刻胶选择比的辅助气体，流量为1-20sccm；chf3和o2作为清洗气体，设置压力为2mt，功率1000w，温度40℃。
32.步骤6：参照图2中的(f)，清洗去除衬底表面光刻胶，完成刻衬底结构的制备。所述清洗去除衬底表面光刻胶，是将刻蚀后的衬底先放入hf酸或hcl酸中超声波清洗8min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗8min，再使用无水乙醇溶液超声波清洗8min，再用去离子水超声清洗8min，最后取出用氮气吹干，结束衬底结构制备过程。
33.本发明给出制备蓝宝石刻透衬底的以下三种实施例，进一步详细说明本发明结构的工艺制备过程。
34.实施例1，制备通孔直径为5nm、图案为圆形的蓝宝石刻透衬底。
35.步骤一，衬底准备。
36.选择厚度为350μm，材料质量良好的c面蓝宝石作为衬底，再进行衬底清洗，将衬底放入超声波清洗池中，用清水冲洗5mins，洗去衬底表面的灰尘沾污，最后用氮气吹干；
37.步骤二，涂光刻胶。
38.将衬底放入涂胶机上，旋涂转速3700r/min，旋涂时间：30s，均匀旋涂上光刻胶，在100℃温度下烘干100s；
39.步骤三，光刻。
40.将涂好光刻胶衬底放入光刻机中，提前准备直径为5nm圆形通孔图案，启动光刻机，刻蚀通孔图形；
41.步骤四，显影和烘干。
42.利用显影液对表面的进行曝光后的光刻胶的反应，去掉图形上方的光刻胶，并对其进行高温烘干，完成通孔图案的转移；
43.步骤五，刻蚀通孔。
44.利用感应耦合等离子体干法刻蚀技术，在通孔图案处向下刻蚀，快速的刻透衬底，形成通孔，刻蚀过程采用bcl3作为主刻蚀气体，流量为50sccm；h2作为调整光刻胶选择比的辅助气体，流量为1sccm；chf3和o2作为清洗气体，设置压力为2mt，功率1000w，温度40℃；
45.步骤六，去光刻胶。
46.将刻蚀后的衬底先放入hf酸或hcl酸中超声波清洗8min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗8min，再使用无水乙醇溶液超声波清洗8min，再用去离子水超声清洗8min，最后取出用氮气吹干。制备完毕。
47.实施例2，制备通孔直径为500nm、图案为圆形的蓝宝石刻透衬底。
48.步骤1，衬底准备。
49.选择厚度为350μm，材料质量良好的c面蓝宝石作为衬底，再进行衬底清洗，将衬底放入超声波清洗池中，用清水冲洗8mins，洗去衬底表面的灰尘沾污，最后用氮气吹干；
50.步骤2，涂光刻胶。
51.将衬底放入涂胶机上，旋涂转速3700r/min，旋涂时间：30s，均匀旋涂上光刻胶，在100℃温度下烘干100s；
52.步骤3，光刻。
53.将涂好光刻胶衬底放入光刻机中，提前准备直径为50nm圆形通孔图案，启动光刻机，刻蚀通孔图形；
54.步骤4，显影和烘干。
55.利用显影液对表面的进行曝光后的光刻胶的反应，去掉图形上方的光刻胶，并对其进行高温烘干，完成通孔图案的转移；
56.步骤5，刻蚀通孔。
57.利用感应耦合等离子体干法刻蚀技术，在通孔图案处向下刻蚀，快速的刻透衬底，形成通孔，刻蚀过程采用bcl3作为主刻蚀气体，流量为50sccm；h2作为调整光刻胶选择比的辅助气体，流量为10sccm；chf3和o2作为清洗气体，设置压力为2mt，功率1000w，温度40℃；
58.步骤6，去光刻胶。
59.将刻蚀后的衬底先放入hf酸或hcl酸中超声波清洗8min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗8min，再使用无水乙醇溶液超声波清洗8min，再用去离子水超声清洗8min，最后取出用氮气吹干。制备完毕。
60.实施例3，制备500nm直径的正六边形图案蓝宝石刻透衬底。
61.步骤a，衬底准备。
62.选择厚度为350μm，材料质量良好的c面蓝宝石作为衬底，再进行衬底清洗，将衬底放入超声波清洗池中，用清水冲洗10mins，洗去衬底表面的灰尘沾污，最后用氮气吹干；
63.步骤b，涂光刻胶。
64.将衬底放入涂胶机上，旋涂转速3700r/min，旋涂时间：30s，均匀旋涂上光刻胶，在100℃温度下烘干100s；
65.步骤c，光刻。
66.将涂好光刻胶衬底放入光刻机中，提前准备直径为500nm正六边形通孔图案，启动光刻机，刻蚀通孔图形；
67.步骤d，显影和烘干。
68.利用显影液对表面的进行曝光后的光刻胶的反应，去掉图形上方的光刻胶，并对其进行高温烘干，完成通孔图案的转移；
69.步骤e，刻蚀通孔。
70.利用感应耦合等离子体干法刻蚀技术，在通孔图案处向下刻蚀，快速的刻透衬底，形成通孔，刻蚀过程采用bcl3作为主刻蚀气体，流量为50sccm；h2作为调整光刻胶选择比的辅助气体，流量为20sccm；chf3和o2作为清洗气体，设置压力为2mt，功率1000w，温度40℃；
71.步骤f，去光刻胶。
72.将刻蚀后的衬底先放入hf酸或hcl酸中超声波清洗8min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗8min，再使用无水乙醇溶液超声波清洗8min，再用去离子水超声清洗8min，最后取出用氮气吹干。制备完毕。
73.本发明可用于实现高效率的长波长ingan基led器件，填补n化物在长波长发光领域的不足。方案中的刻蚀通孔技术，在解决长波长ingan基led器件中严重应力问题的同时，还能起到减少位错、提高出光效率等作用；且制备工艺简单，选择图案和制作工艺众多，成本少、耗时短，易于实现量产，可快速应用到工艺生产中。此外，本发明缓解应力、减少位错的优势能显著提高材料质量，因此不会仅局限于n化物的长波长led器件中，蓝绿光、甚至紫外led领域也能使用该技术，来调高发光效率；另外，在hemt等领域也能使用本技术来改善外延材料质量，提高器件的性能。本发明为外延材料和器件提供了新的思路和方案。
74.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
75.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。