一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電器件制備與微納米加工領域，具體涉及利用光刻、電子束蒸發鍍膜、金屬退火自組裝和刻蝕等方法制備一種新型的微納米復合結構圖案化藍寶石襯底。
【背景技術】
[0002]圖案化藍寶石襯底技術(patterned sapphire substrate，PSS)是近年來發展的一種可以提高LED外量子效率的一種方法。一方面，在外延生長GaN時，PSS會降低所產生的位錯密度，使得LED的內量子效率得到提高；另一方面，PSS通過增加光子的反射，改變光傳播路徑，使得原本局域在外延層中的光子可以出射到空氣中，這就增加了光提取效率(LEE)。目前普遍采用的是微米圖案化藍寶石襯底(micro-patterned sapphiresubstrate，MPSS)結構，常用光刻技術制備。
[0003]最近的研宄工作表明，當圖案化襯底的尺寸降低至納米級時，LED器件的光輸出功率(light output power, LOP)會得到提高，這是由于納米圖案化藍寶石襯底(nano-patterned sapphire substrate,NPSS)會進一步降低位錯的密度，從而提高內量子效率。然而一些理論的模擬工作表明，相比于納米尺度下的襯底圖形，微米尺度的襯底圖形其對出光效率的提高會更強；也就是說，盡管納米尺度的圖案化襯底可以更大程度上降低外延生長的位錯密度，它可能在光引出效率上的表現不如微米圖案化的襯底，目前關于這方面的報道還比較少。
[0004]目前，一種可以提升LED器件光提取效率的復合結構(hierarchical structure)已經開始被人們研宄，這種復合結構一般是在微米圖形的基礎上進行納米結構的制備，對于光提取效率的提升要優于單一的微米結構。但是，由于在高深度的微米圖形上制備納米圖形具有很高的難度，傳統的光刻不能在這種曲面上曝光，納米壓印技術也很難在高曲率的襯底上制備納米圖形。因此，受到制備方法的限制，利用微納米圖形的研宄工作目前并不多見，也未見到在圖案化藍寶石襯底上制備納米圖案的相關報道。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術存在的缺點和不足，本發明的目的在于結合光刻工藝、電子束蒸發鍍膜、金屬退火技術和ICP刻蝕工藝，提供一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，該方法能夠較容易地在高曲率、高深寬比的微米圖案化藍寶石襯底上制備出納米圖案。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，具體步驟如下:
[0008]a)通過光刻和刻蝕工藝制備出具有高曲率和高深寬比的圓錐形微米圖案化藍寶石襯底；
[0009]b)在所述微米圖案化藍寶石襯底上利用電子束蒸發鍍膜沉積一層金屬鎳層；
[0010]c)將鍍有金屬鎳層的藍寶石襯底進行退火，退火溫度為700_900°C，時間為1-3分鐘，得到具有鎳納米顆粒的微米圖案化藍寶石襯底；
[0011]d)以所述鎳納米顆粒為掩模，將步驟c)制備得到的藍寶石襯底進行感應耦合等離子體刻蝕，從而在圓錐形的藍寶石襯底上得到多個納米藍寶石柱陣列；
[0012]e)除去殘余的鎳納米顆粒，最終得到具有微米、納米復合結構的圖案化藍寶石襯底。
[0013]步驟a)的具體過程如下:首先在藍寶石襯底上旋涂光刻膠，利用光刻工藝得到微米級光刻膠點陣結構；然后以所述光刻膠點陣結構作為光刻掩膜，利用感應耦合等離子體刻蝕藍寶石襯底；最后將剩余的光刻膠除去，得到具有高曲率和高深寬比的圓錐形微米圖案化藍寶石襯底。
[0014]所述光刻膠點陣結構的周期和高度均為3 μπι;所述圓錐形微米圖案化藍寶石襯底的周期為3 μ m，深度為1.7 μπι。
[0015]進一步地，所述金屬镲層的厚度為10nm。
[0016]步驟d)中，進行感應耦合等離子體刻蝕的刻蝕深度為100-400nm。
[0017]本發明的方法具有以下優點:
[0018](I)在高曲率、高深寬比的微米圖案上利用傳統方法制備納米圖案是一件非常困難的事情。金屬退火技術是一種可以快速的、低成本的、大面積的制備納米金屬顆粒的方法，目前已經被應用于在平面上制備納米顆粒。本發明巧妙利用了金屬退火技術，可以很方便、快捷地在高曲率、高深寬比的微米圖案上制備出大面積的金屬納米圖案，其成本也非常低廉。
[0019](2)在藍寶石襯底的刻蝕中，本發明采用的金屬鎳具有優秀的抗刻蝕能力，并且殘余的鎳掩模可以很容易的利用稀硝酸或者鹽酸清除掉。
[0020](3)本發明制備的微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底，同時具有微米圖案化襯底和納米圖案化襯底的優點，一方面進一步降低了外延生長氮化鎵時的位錯密度，提高外延層的質量，提高了 LED器件的內量子效率；另一方面仍然具有微米圖案化襯底較高的光提取效率，可以進一步提升LED器件的性能。
[0021](4)這種制備方法不僅可以在微米結構化的藍寶石襯底上制備納米圖案，還可以應用到其他光電器件中常用的耐高溫襯底，如硅、氧化硅和氮化硅襯底等，因此具有廣泛的適用性，在光電器件的制備、微納米加工以及光學領域有著潛在的應用，具有很好的應用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明制備微米圖案化藍寶石襯底示意圖；
[0023]圖2是本發明制備微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底示意圖；
[0024]其中，1-旋涂的光刻膠；2_平片藍寶石襯底；3_光刻膠結構；4_微米圖案化藍寶石襯底；5_金屬Ni層；6_金屬Ni納米顆粒；7_納米藍寶石柱陣列；8_制備好的微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0026]本發明首先通過光刻工藝和藍寶石刻蝕制備微米圖案化的藍寶石襯底，其周期可調；其次利用電子束蒸發鍍膜設備在襯底表面蒸鍍1nm的金屬Ni ;將鍍有1nm金屬Ni的襯底放入退火爐中，根據退火溫度和時間的不同，得到直徑可調的金屬Ni納米顆粒(平均直徑為100-400nm);將具有金屬Ni顆粒的襯底進行ICP刻蝕，根據刻蝕時間的不同，得到刻蝕不同深度的納米藍寶石柱陣列；將上述刻蝕過后的襯底在稀硝酸中除去殘余的Ni掩模，得到新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底。
[0027]本實施例制備微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法包括以下步驟:
[0028]—、3 μ m周期微米圖案化藍寶石襯底的制備，如圖1所不:
[0029]a)在平片藍寶石襯底2上旋涂一層3 μ m厚的光刻膠I ;
[0030]b)光學曝光、顯影，得到3 μπι周期，高度也為3 μπι的光刻膠點陣結構3 ；
[0031]c)堅膜并以光刻膠點陣結構3為光刻掩模，放入感應耦合等離子體刻蝕(ICP)中利用氯基刻蝕藍寶石襯底2，刻蝕深度為1.7 μπι ;
[0032]d)將殘余的光刻膠掩模利用02刻蝕除去，得到周期為3 μm，深度為1.7 μπι的圓錐形陣列的微米圖案化藍寶石襯底4。
[0033]二、在微米圖案化藍寶石襯底4上制備I1nm直徑、300nm深度的納米圖案，如圖2所示:
[0034]a)將步驟一得到的微米圖案化藍寶石襯底4放入電子束蒸發鍍膜設備中，沉積1nm厚的金屬Ni層5，得到具有金屬Ni層5的微米圖案化藍寶石襯底；
[0035]b)將藍寶石襯底C放入退火爐中快速退火，溫度為850°C，時間為I分鐘，得到具有金屬Ni納米顆粒6的微米圖案化藍寶石襯底；其中，金屬Ni納米顆粒6的平均直徑為IlOnm ；
[0036]c)以金屬Ni納米顆粒6為掩模，利用Cl2/BCl#lJ蝕上述步驟b)制備的襯底，得到多個納米藍寶石柱陣列7，納米藍寶石柱陣列7的刻蝕深度為300nm ;用稀硝酸洗去殘余的金屬Ni納米顆粒6，得到新型的微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底8。
[0037]利用上述制備得到的微米、納米復合結構圖案化藍寶石襯底8，運用MOCVD生長技術來生長外延層，包括一層40nm厚的種子層、3 μπι厚的不摻雜GaN層、0.5 μπι厚的η型GaN層、0.2 μ m厚的電流擴散層、應變釋放層、量子阱層和10nm厚的P型GaN層，最終得到GaN/InGaN基藍光LED。
[0038]為了研宄本發明的復合結構襯底對于LED性能的提升，同樣制備平片藍寶石襯底上的LED和微米圖案化藍寶石襯底B上的LED。
[0039]通過實驗比較數據:相比于平片LED和微米圖案化藍寶石襯底LED，本發明制備的微米、納米復合圖案化藍寶石襯底LED的電致發光(EL)分別提升了 155.9%和16.4% ;其光輸出功率(LOP)分別提升了 63.8%和9.5% ;其外量子效率(EQE)分別提升了 65.6%和9.45%。
【主權項】
1.一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，具體步驟如下: a)通過光刻和刻蝕工藝制備出具有高曲率和高深寬比的圓錐形微米圖案化藍寶石襯底； b)在所述微米圖案化藍寶石襯底上利用電子束蒸發鍍膜沉積一層金屬鎳層； c)將鍍有金屬鎳層的藍寶石襯底進行退火，退火溫度為700-900°C，時間為1-3分鐘，得到具有鎳納米顆粒的微米圖案化藍寶石襯底； d)以所述镲納米顆粒為掩模，將步驟c)制備得到的藍寶石襯底進行感應親合等離子體刻蝕，從而在圓錐形的藍寶石襯底上得到多個納米藍寶石柱陣列； e)除去殘余的鎳納米顆粒，最終得到具有微米、納米復合結構的圖案化藍寶石襯底。2.如權利要求1所述的一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，步驟a)的具體過程如下:首先在藍寶石襯底上旋涂光刻膠，利用光刻工藝得到微米級光刻膠點陣結構；然后以所述光刻膠點陣結構作為光刻掩膜，利用感應耦合等離子體刻蝕藍寶石襯底；最后將剩余的光刻膠除去，得到具有高曲率和高深寬比的圓錐形微米圖案化藍寶石襯底。3.如權利要求2所述的一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述光刻膠點陣結構的周期和高度均為3 μπι ;所述圓錐形微米圖案化藍寶石襯底的周期為3 μm，深度為1.7 μπι。4.如權利要求1-3任意之一所述的一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述金屬鎳層的厚度為10nm。5.如權利要求1-3任意之一所述的一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，步驟d)中，進行感應耦合等離子體刻蝕的刻蝕深度為100-400nm。
【專利摘要】本發明公開了一種制備新型微納米復合結構圖案化藍寶石襯底的方法，具體步驟包括：a)通過光刻和刻蝕工藝制備出具有高曲率和高深寬比的圓錐形微米圖案化藍寶石襯底；b)在微米圖案化藍寶石襯底上蒸發鍍膜沉積金屬鎳層；c)將鍍有金屬鎳層的藍寶石襯底進行退火，得到具有鎳納米顆粒的微米圖案化藍寶石襯底；d)以鎳納米顆粒為掩模，將藍寶石襯底進行ICP刻蝕，從而在圓錐形藍寶石襯底上得到多個納米藍寶石柱陣列；e)除去殘余的鎳納米顆粒，最終得到具有微米、納米復合結構的圖案化藍寶石襯底。本發明制備微納米復合結構的方法方便快捷、成本低廉，可以快速的在高深寬比、高曲率的微米圖案上制備大面積的納米圖案。
【IPC分類】H01L21/02, B82Y40/00, H01L33/22
【公開號】CN104900489
【申請號】CN201510213029
【發明人】葛海雄, 郭旭, 袁長勝, 崔玉雙, 陳延峰
【申請人】南京大學
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年4月29日