一种图形化蓝宝石衬底及加工方法技术

本发明专利技术提供一种图形化蓝宝石衬底，包括在蓝宝石基底上周期性排列设置的多个图形结构，每个图形结构包括N个凸起的山峰结构且N≥3，N个山峰结构呈环形排列设置且在底部有部分区域重合；本发明专利技术还提供一种上述图形化蓝宝石衬底的加工方法，在蓝宝石基底表面制作图案化掩膜层，所述掩膜层包括周期性排列设置的多个掩膜单元，每个掩膜单元包括N个环形排列设置的掩膜子图形且N≥3，通过干法刻蚀在蓝宝石基底上对应每个掩膜子图形的位置处蚀刻形成凸起的山峰结构，实现将掩膜层的图案转移至蓝宝石基底上。本发明专利技术通过预先设计掩膜层的形状来增加蓝宝石衬底上蚀刻图形的凸起密度，有利于穿透位错的产生并形成更多V形坑缺陷，可有效提升发光效率。

A Graphical Sapphire Substrate and Its Processing Method

【技术实现步骤摘要】
一种图形化蓝宝石衬底及加工方法
本专利技术涉及半导体制造
，特别地，涉及一种图形化蓝宝石衬底及加工方法。
技术介绍
氮化镓(下称GaN)基的LED器件在半导体照明、显示、车灯、特种照明等应用领域得到广泛使用。研究表明，由于P-GaN材料具有较低的空穴浓度和较低的空穴迁移率，在多量子阱层(MQW)中的注入深度有限，因此严重制约了对LED器件发光效率的进一步提升。通过科学研究以及试验结果证明，在LED外延层的超晶格中层存在V形坑缺陷(VPits)，且这种V形坑缺陷是GaN基LED器件中非常重要的空穴注入通道，可极大地提高空穴注入效率。例如，Hangleiter等通过研究发现在材料的生长过程中，V形坑缺陷侧壁会形成侧壁量子阱，这些侧壁量子阱相对于平台区域的量子阱厚度更薄、禁带宽度更大，因而能够形成势垒有效阻挡载流子进入V形坑缺陷，从而起到屏蔽位错、提高辐射复合效率的作用。Tomiya等使用三维原子探针和高角环形暗场透射电子成像技术证实了侧壁量子阱的存在并测量了其厚度和In组分，认为V形坑缺陷有利于提高LED发光效率。Okada等通过改变V形坑缺陷尺寸来调控侧壁量子阱势垒高度，研究了V形坑缺陷尺寸对LED内量子效率的影响并得出V形坑缺陷的最佳尺寸。因此，通过提高V形坑缺陷的密度进而提供更多的特定量子阱空穴注入通道，是一个提高发LED器件发光效率的有效手段。目前，常规控制V形坑缺陷生长的方法是通过改变外界环境因素实现，主要包括应力和温度两方面。1、应力作用：一方面，在InGaN/GaN量子阱结构中，随着InGaN层总厚度的增加，当总厚度超过某一数值时(25nm)即会出现V形坑缺陷，这一数值被称为V形坑缺陷产生的临界厚度；研究人员认为这是由于达到临界厚度后需要通过使表面粗糙化的方式来释放应力，而V形坑缺陷的产生即为表面粗糙化的结果。另一方面，当In组分逐渐增加时，V形坑缺陷的密度也随着增加，在高In组分的InGaN材料中V形坑缺陷的密度尤其高；研究人员认为这是由于In组分的增加导致InGaN与GaN之间的失配应力增大，应力的增大又使得V形坑缺陷的密度也随之增加。还有研究试验将InGaN/GaN量子阱的阱层/垒层厚度比值固定，改变In组分含量与周期厚度，结果发现在周期厚度更大、In组分更高的样品中产生了V形坑缺陷了；研究人员认为，周期厚度更大、In组分更高的样品具有更大的应变能，所以应力是V形坑缺陷产生的主要原因之一。2、温度作用：吴小明等研究了Si衬底上GaN层生长温度对V形坑缺陷生长形成以及合并情况的影响；他认为在低温下原子迁移率降低、GaN层的侧向外延能力变差，进而导致V形坑缺陷形成，若提高生长温度，增强生长过程中原子的迁移能力，就可能实现V形坑缺陷尺寸变小甚至被填平。其他研究小组也报道过利用低温生长控制V形坑缺陷尺寸的实验结果，所以改变生长温度是影响V形坑缺陷密度及尺寸的主要原因之一。从上述内容可知，现有的V形坑缺陷生长方法都是通过外部因素间接干预其自然生长过程，并没有从优化内部结构方面着手去诱导V形坑缺陷朝着我们所需要的方向生长。曾将有技术方案提出通过在超晶格生长过程中插入至少一层颗粒介质层，以提高V形坑缺陷的密度，同时改善LED中空穴注入效率和空穴在MQW层中的空间分布，进而提高对空穴的利用效率以及LED的发光效率。但该方案对设备的要求很高，对工艺控制的要求也高，尤其还会影响LED器件的ESD防护能力。申请人认为还可以从图形化衬底的设计加工上考虑：在图形化衬底的表面生长GaN层时，GaN层会先生长在图形化衬底上相邻凸起图形之间的空隙内直至空隙被填满，位于各个空隙的GaN层继续生长并在超过凸起图形后相互连接融合；上述过程会在凸起图形的顶部位置产生穿透位错，继而直接诱发V形坑缺陷的形成。综上所述，行业内需要一种具有新图形结构的图形化蓝宝石衬底，该图形结构可在后续外延层的生长过程中有效诱发V形坑缺陷的形成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可增加凸起图形密度进而诱发V形坑缺陷形成的图形化蓝宝石衬底及加工方法，以解决
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种图形化蓝宝石衬底，包括分布在蓝宝石基底上的多个图形结构，每个图形结构均包括N个向上凸起的山峰结构且N≥3，N个所述山峰结构呈环形排列设置且在底部有部分区域重合，在N个所述山峰结构之间还设有一个相连的平台，所述平台的高度低于山峰结构最高点的高度。优选地，同一个图形结构中的N个山峰结构的最高点之间的连线为正多边形。优选地，所述山峰结构为圆锥形且底面直径为1.8～2.2微米、高度为1.7～1.9微米。需明确的是，这里提到的高度是指山峰结构的最高点(顶点)与底面间的垂直距离。优选地，所述平台与山峰结构最高点间的垂直距离为1.0～1.2微米。优选地，多个图形结构周期性排列设置。本专利技术还提供一种如上所述图形化蓝宝石衬底的加工方法，包括如下步骤：1)在洁净的蓝宝石基底的表面制作图案化的掩膜层，所述掩膜层包括多个掩膜单元，每个掩膜单元均包括N个掩膜子图形且N≥3，N个所述掩膜子图形呈环形排列设置；2)将掩膜层的图案转移至蓝宝石基底上，由于掩膜的缓冲作用，蓝宝石基底在掩膜覆盖区域的蚀刻量小于非掩膜覆盖区域的蚀刻量，因此在蓝宝石基底上对应每个掩膜子图形的位置处均蚀刻形成向上凸起的山峰结构，对应每个掩膜单元：N个所述山峰结构呈环形排列设置且在底部有部分区域重合，在N个所述山峰结构之间的位置处还蚀刻形成一个平台，所述平台的高度低于山峰结构最高点的高度。优选地，同一个掩膜单元中的N个掩膜子图形的底面中心点之间的连线为正多边形。优选地，所述掩膜子图形为圆柱形且底面直径为1.0～1.2微米、高度为1.8～2.3微米；同一掩膜单元中的任意两个相邻掩膜子图形，其底部图形中心点之间的距离为1.3～1.5微米。优选地，多个掩膜单元周期性排列设置；任意两个相邻掩膜单元的底面中心点之间的距离为3.1-3.5微米。优选地，所述步骤1)采用压印转移的方式在蓝宝石基底表面制作压印胶掩膜层；所述步骤2)采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机对蓝宝石进行干法刻蚀，等离子体轰击掩膜子图形并在其对应位置蚀刻出一个山峰结构，进而在N个山峰结构之间蚀刻形成一个平台，所述山峰结构为圆锥形且底面直径为1.8～2.2微米、高度为1.7～1.9微米，所述平台与山峰结构最高点间的垂直距离为1.0～1.2微米。干蚀刻工艺：控制ICP刻蚀机台腔体压力为2～4mT，上电极功率范围1200～1800W，下电极功率400～800W，使用刻蚀气体BCl3、O2、CHF3，BCl3气体流量为60～140sccm，O2气体流量为BCl3气体流量的5％～10％，CHF3气体流量为BCl3气体流量的10％～20％，控制等离子体的轰击角度，将掩膜单元的图形转移到对应的蓝宝石基底表面。本专利技术提供的技术方案至少具有如下有益效果：1、本专利技术提供的图形化蓝宝石衬底具有新的图形结构，该图形结构为侧壁光滑的多棱体且包括三个或三个以上凸起的山峰结构，相比于传统的仅具有单一凸起的图形结构，以此衬底磊晶，一方面可以在GaN外延片上生长出更多的V形坑缺陷，进而提供更多的空穴注入通道，大大提升LED的发光效率；另一方面由于多棱多峰的图形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图形化蓝宝石衬底，其特征在于，包括分布在蓝宝石基底上的多个图形结构，每个图形结构均包括N个向上凸起的山峰结构且N≥3，N个所述山峰结构呈环形排列设置且在底部有部分区域重合，在N个所述山峰结构之间还设有一个相连的平台，所述平台的高度低于山峰结构最高点的高度。

【技术特征摘要】
1.一种图形化蓝宝石衬底，其特征在于，包括分布在蓝宝石基底上的多个图形结构，每个图形结构均包括N个向上凸起的山峰结构且N≥3，N个所述山峰结构呈环形排列设置且在底部有部分区域重合，在N个所述山峰结构之间还设有一个相连的平台，所述平台的高度低于山峰结构最高点的高度。2.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，同一个图形结构中的N个山峰结构的最高点之间的连线为正多边形。3.根据权利要求2所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述山峰结构为圆锥形且底面直径为1.8～2.2微米、高度为1.7～1.9微米。4.根据权利要求2所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述平台与山峰结构最高点间的垂直距离为1.0～1.2微米。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，多个图形结构周期性排列设置。6.一种如权利要求1所述图形化蓝宝石衬底的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在洁净的蓝宝石基底的表面制作图案化的掩膜层，所述掩膜层包括多个掩膜单元，每个掩膜单元均包括N个掩膜子图形且N≥3，N个所述掩膜子图形呈环形排列设置；2)将掩膜层的图案转移至蓝宝石基底上，由于掩膜的缓冲作用，蓝宝石基底在掩膜覆盖区域的蚀刻量小于非掩膜覆盖区域的蚀刻量，因此在蓝宝石基底上对应每个掩膜子图形的位置处均蚀刻形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯磊，徐平，陈欢，王杰，
申请(专利权)人：湘能华磊光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43