一种纳米级图形化蓝宝石衬底及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米级图形化蓝宝石衬底及其制备方法，1)在蓝宝石衬底上生长一层二氧化硅层；2)在二氧化硅层上自组装形成单层紧密排列的聚合物微球阵列；3)在聚合物微球阵列表面生长一层金属层；4)先后在750℃和1050℃高温下进行退火，得到非紧密排列的金属纳米球阵列；5)以金属纳米球阵列为掩模对二氧化硅层进行刻蚀，得到规则排列的二氧化硅纳米柱；6)以二氧化硅纳米柱为掩模对蓝宝石衬底进行刻蚀，除去二氧化硅纳米柱，最终得到所述纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)。本发明专利技术工艺简单、稳定性好、成品率高，适于制备各种晶圆尺寸的图形化蓝宝石衬底；获得的纳米级图形化蓝宝石衬底具有更高的光提取效率，对提高GaN基LED的发光效率具有重大的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于GaN基LED图形化衬底
，涉及一种基于自组装金属微球制备纳米级图形化蓝宝石衬底的方法，具体涉及在二氧化硅层表面利用自组装形成的聚合物微球来制备规则排列的金属微球阵列，再通过刻蚀获得规则排列的二氧化硅纳米柱并进一步刻蚀得到纳米级的图形化蓝宝石衬底。
技术介绍
GaN基LED与传统的光源相比具有体积小、寿命长、效率高、节能环保等优点，目前已广泛应用于显示、指示灯、背光灯、固态照明、交通信号灯、短程光学通信和生物传感器等各个领域。由于缺少大尺寸的GaN衬底，目前GaN薄膜一般是在蓝宝石、碳化硅或硅等衬底上通过异质外延方式进行生长。蓝宝石由于价格便宜，化学稳定性和热稳定性良好，是目前商业化GaN基LED最常用的衬底。然而，GaN外延层与蓝宝石之间的晶格失配度达到16％，使得GaN薄膜在异质外延过程中产生大量的位错，晶体质量较差。同时GaN外延层与空气之间大的折射率差使得LED有源区内产生的光由于全反射效应而大部分无法出射，仅有约5％的光可以从逃逸角射出，这两个因素极大地限制了GaN基LED的出光效率。图形化蓝宝石衬底(PSS)一方面能够有效减少GaN异质外延层的位错密度，提高薄膜的晶体质量；另一方面能够改变LED器件内部光的传播方向，使一大部分全反射光重新进入逃逸角从而显著提高LED的光提取效率(Z.T.Linetal.,PatterndesignofandepitaxialgrowthonpatternedsapphiresubstratesforhighlyefficientGaN-basedLEDs,Cryst.GrowthDes.,12:2836(2012)；G.F.Yangetal.,Investigationoflightoutputperformanceforgalliumnitride-basedlight-emittingdiodesgrownondifferentshapesofpatternedsapphiresubstrate,MaterialsScienceinSemiconductorProcessing33:149(2015))。目前，商业化的LED普遍采用PSS来提高器件性能，与传统平面蓝宝石衬底相比，采用PSS的LED出光效率可以提高30％～40％。目前商业化的PSS,其图形大小通常在微米尺寸量级。然而大量研究表明，与微米尺寸的PSS相比，纳米尺寸的PSS可以进一步提高LED器件的出光效率(J.J.Chen,andY.K.Su,EnhancedoutputpowerofGaN-basedLEDswithnano-patternedsapphiresubstrates,IEEEPhoton.Tech.Lett.,20:1193(2008)；Y.K.Suetal.,Pattern-sizedependenceofcharacteristicsofnitride-basedLEDsgrownonpatternedsapphiresubstrates,J.Cryst.Growth,311:2973(2009))。因此，实现纳米尺寸量级的PSS对进一步提高GaN基LED的性能具有重要的意义。现阶段一般是采用纳米压印技术来实现纳米尺寸的图形化蓝宝石衬底，但纳米压印技术尚未成熟，且纳米压印方法的制备工艺相对比较复杂，涉及压印模板的制备及压印图形的转移等。采用本专利技术方法制备纳米尺寸PSS不仅有效地简化了工艺流程，提高了产品的良率，降低了生产成本，而且能够通过改变金属层的厚度对纳米图形的尺寸进行有效控制。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于自组装金属微球制备纳米级图形化蓝宝石衬底的方法，目的是进一步改善GaN外延薄膜的晶体质量，并提高LED的光提取效率。所述方法通过自组装形成的聚合物微球来获得自组装非紧密排列的金属纳米球阵列，并以金属纳米球阵列为掩模刻蚀得到规则排列的二氧化硅纳米柱，再以二氧化硅纳米柱为掩模对蓝宝石衬底进行刻蚀从而得到所述基于自组装金属微球制备的纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)。纳米级的PSS较商业化的微米级PSS具有更高的光提取效率。本专利技术的制备方法简单易行、重复性好、成品率高；同时，本专利技术适用于各种晶圆尺寸的图形化蓝宝石衬底的制备，生产成本低，特别适合用于企业大批量生产。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：1)选取一个表面洁净的平片蓝宝石衬底，在其表面蒸发或溅射一层高致密性的二氧化硅层；2)采用自组装方法在步骤1)中的二氧化硅层表面合成单层紧密排列的聚合物微球阵列；3)在步骤2)中的聚合物微球阵列表面生长一层金属层；4)将步骤3)中长好金属层的结构先后分别放进马弗炉中，并先后分别在低于金属层熔点的温度(如750℃)和接近金属层熔点的温度(如1050℃)下进行退火，即可在二氧化硅层表面获得规则有序的非紧密排列的金属纳米球阵列；5)以步骤4)中的金属纳米球阵列为掩模对二氧化硅层进行刻蚀，然后除去金属纳米球阵列，得到规则排列的二氧化硅纳米柱；6)以步骤5)中的二氧化硅纳米柱为掩模对平片蓝宝石衬底进行刻蚀，然后除去二氧化硅纳米柱，最后得到纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)。上述方案中，所述步骤1)中，蓝宝石衬底可以为任意尺寸大小，包括2英寸、4英寸、6英寸及更大尺寸。上述方案中，所述步骤1)中，高致密性的二氧化硅可以采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等方法来制备。上述方案中，所述步骤1)中，二氧化硅层的厚度为200纳米～300纳米。上述方案中，所述步骤2)中，自组装方法包括溶剂置换自组装法、气液界面法、蒸发自组装法及层层自组装法等。上述方案中，所述步骤2)中，聚合物为聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷及聚甲基丙烯酸甲酯等。上述方案中，所述步骤3)中，金属层为金、银、镍、铝、钛、铬、铜，或其合金，所述“生长一层金属层”的方法可以采用蒸发(如电子束蒸发)或溅射(如磁控溅射)等方法来制备。上述方案中，所述步骤3)中，所述金属层的厚度为20纳米～500纳米。上述方案中，所述步骤4)中，所述低于金属层熔点的温度范围为400℃～800℃，优选地为750℃，退火的时间为50分钟～200分钟，优选地为100分钟；所述接近金属层熔点的温度范围为650℃～1900℃，优选地为1050℃，退火的时间为50分钟～200分钟，优选地为100分钟，具体可根据选取的金属种类对其进行调整。如，在750℃退火的时间为50分钟～200分钟，优选地为100分钟，在1050℃退火的时间为50分钟～200分钟，优选地为100分钟。上述方案中，所述步骤4)中，非紧密排列金属球的尺寸范围为50纳米～1000纳米。上述方案中，所述步骤5)中，对二氧化硅层进行刻蚀可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀，其中干法刻蚀包括反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)及高密度等离子体刻蚀(HDP)等。上述方案中，所述步骤5)中，除去金属纳米球阵列可以用对应金属的腐蚀液进行湿法腐蚀。上述方案中，所述步骤6)中，对蓝宝石衬底进行刻蚀可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀，其中干法刻蚀一般采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)。上述方案中，所述步骤6)中，除去二氧化硅纳米柱可以采用氢氟酸(HF)溶液或BOE溶液进行湿法腐蚀。本专利技术提出的利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)选取蓝宝石衬底，在其表面蒸发或溅射一层高致密性二氧化硅层；2)在步骤1)中的二氧化硅层上采用自组装方法合成单层紧密排列的聚合物微球阵列；3)在步骤2)中的聚合物微球阵列表面生长一层金属层；4)将步骤3)中长好金属层的结构先后分别在低于金属层熔点的温度和接近金属层熔点的温度下进行退火，在二氧化硅层表面获得规则有序的非紧密排列的金属纳米球阵列；5)以步骤4)中的金属纳米球阵列为掩模对二氧化硅层进行刻蚀，然后除去金属纳米球阵列，得到规则排列的二氧化硅纳米柱；6)以步骤5)中的二氧化硅纳米柱为掩模对蓝宝石衬底进行刻蚀，然后除去二氧化硅纳米柱，最后得到所述纳米级图形化蓝宝石衬底。

【技术特征摘要】
1.一种纳米级图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)选取蓝宝石衬底，在其表面蒸发或溅射一层高致密性二氧化硅层；2)在步骤1)中的二氧化硅层上采用自组装方法合成单层紧密排列的聚合物微球阵列；3)在步骤2)中的聚合物微球阵列表面生长一层金属层；4)将步骤3)中长好金属层的结构先后分别在低于金属层熔点的温度和接近金属层熔点的温度下进行退火，在二氧化硅层表面获得规则有序的非紧密排列的金属纳米球阵列；5)以步骤4)中的金属纳米球阵列为掩模对二氧化硅层进行刻蚀，然后除去金属纳米球阵列，得到规则排列的二氧化硅纳米柱；6)以步骤5)中的二氧化硅纳米柱为掩模对蓝宝石衬底进行刻蚀，然后除去二氧化硅纳米柱，最后得到所述纳米级图形化蓝宝石衬底。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述二氧化硅层的厚度为200纳米～300纳米。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述自组装方法包括溶剂置换自组装法、气液界面法、蒸发自组装法和层层自组装法；所述聚合物为聚苯乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁国恩，陈少强，胡小波，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31