專利名稱：一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制作方法，尤其涉及一種外延生長(zhǎng)用 的圖形襯底及其制作方法。
背景技術(shù)：
ni-v族化合物半導(dǎo)體材料在發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器，及 電子器件方面有著廣泛的應(yīng)用。由于同質(zhì)的外延襯底制備困難，以氮化鎵
(GaN)材料為主的III-V族氮化合物一般采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法進(jìn)行制 備。襯底材料及其表面特性對(duì)于異質(zhì)外延的GaN等III-V族氮化合物的晶 體質(zhì)量影響很大。目前，由于藍(lán)寶石(A1203)和碳化硅(SiC)襯底具有高
溫穩(wěn)定性，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)等特性，因此它們是m族氮化物異質(zhì)外
延生長(zhǎng)的主要襯底材料。Si襯底生長(zhǎng)工藝成熟，價(jià)格便宜，在Si襯底生長(zhǎng) GaN也引起了研究者的關(guān)注。但是，由于GaN外延材料與Si襯底之間存在 巨大的晶格失配(20%)和熱應(yīng)力失配(56%)，將在GaN外延層中造成高 的位錯(cuò)密度并導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂，因此在Si襯底上得到很高質(zhì)量的GaN 材料比較困難。另一方面，Si在可見(jiàn)光波段有較高的吸光系數(shù)，有源層的 光進(jìn)入到較厚的硅襯底中，將被完全吸收掉，降低了器件的出光效率。
晶格的失配和高溫退火引起的應(yīng)力積聚是導(dǎo)致高位錯(cuò)密度和薄膜龜裂 的主要原因。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們采用了插入緩沖層、橫向過(guò)生長(zhǎng)、 圖形襯底等方法，大大提高了異質(zhì)夕卜延材料的晶體質(zhì)量。在藍(lán)寶石或Si襯底上制作圖形的界面，外延的GaN薄膜產(chǎn)生的熱應(yīng)力局限在圖型花紋所形 成的細(xì)小面積之內(nèi)，并在此圖形花紋上得到無(wú)裂痕的材料層，是一種行之 有效的方法。Si襯底的光吸收問(wèn)題可通過(guò)襯底剝離或內(nèi)嵌的反射層等方法 解決，但工藝復(fù)雜，不能滿足大規(guī)模生長(zhǎng)的需要。
外延用的圖形藍(lán)寶石或圖形硅襯底發(fā)展初期， 一般采用微米量級(jí)的圖 形，近年來(lái)，陽(yáng)極氧化鋁(anodic aluminum oxide， AAO)技術(shù)不斷發(fā)展和 成熟，可制作周期在10 500nm，孔洞為5 400nm的多孔氧化鋁結(jié)構(gòu)，并作 為等離子刻蝕的掩模板或作為橫向過(guò)生長(zhǎng)的掩膜應(yīng)用于半導(dǎo)體外延生長(zhǎng) 中。然而，上述技術(shù)的應(yīng)用，都沒(méi)有能解決Si襯底的光吸收問(wèn)題。同時(shí)，一 些文獻(xiàn)和專利公開(kāi)了非晶氧化鋁(A1203)在高溫下固態(tài)轉(zhuǎn)換成單晶氧化鋁， 即藍(lán)寶石的技術(shù)，這為直接利用AAO制作的多孔氧化鋁轉(zhuǎn)換成可用于外延 生長(zhǎng)的藍(lán)寶石襯底提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有亞微米圖形 的外延生長(zhǎng)用的圖形襯底及其制作方法。該襯底結(jié)構(gòu)，能有效地避免發(fā)光 器件有源層光線進(jìn)入到襯底，并有效地釋放異質(zhì)外延產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高 了外延生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量和發(fā)光器件的出光效率。.
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底， 包括基板，該基板上依次形成有A1層及藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層，該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層的 上表面形成有多孔圖形。
該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層的厚度為100nm-2 P m，該Al層的厚度為50nm~5 P m。
該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層上的多孔圖形為不規(guī)則的、或局部規(guī)則的或?yàn)橹芷谛缘墓庾泳w圖形，且孔徑在5 400nm之間。
該基板為Si基板、絕緣體上硅基板、GaAs基板或GaP基板。 一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底的制作方法，其包括以下步驟a、在基板
上蒸鍍一層A1層；b、在A1層的上表面，采用陽(yáng)極氧化的方法，使A1層
上部一定厚度的Al轉(zhuǎn)化成多孔圖形的Al203結(jié)構(gòu)；c、將上述結(jié)構(gòu)從低溫到
高溫漸變的分段加熱方法，加熱至1000°C以上且在"203熔點(diǎn)以下的溫度， 直至非晶的八1203轉(zhuǎn)變成單晶八1203層，最終形成藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層，完成該襯 底的制作。
具有多孔圖形的Al203結(jié)構(gòu)樣品置于空氣或氧氣或惰性氣體環(huán)境中，從
低溫到高溫，分段進(jìn)行加熱，在300 600。C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)， 在這個(gè)過(guò)程中，非晶的氧化鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?；隨后，在700 900。C 溫度段加熱1到5小時(shí)，多晶Al203層將晶變?yōu)閱尉У腲203層；最后，在 1000。C以上，^203熔點(diǎn)以下溫度中加熱樣品1到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化 鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹旅艿乃{(lán)寶石結(jié)構(gòu)層。
具有多孔圖形的Al203結(jié)構(gòu)樣品置于空氣或氧氣或惰性氣體環(huán)境中，從
低溫到高溫，分段進(jìn)行加熱，在300 600。C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)， 在這個(gè)過(guò)程中，非晶的氧化鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?；然后，?000°C以上， 2050°C以下溫度中加熱樣品1到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦?為致密的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層。
該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層的厚度為100nm~2 y m，該Al層的厚度為50nrn 5 P m。 陽(yáng)極氧化的電解液使用一預(yù)定濃度的低溫的硫酸或磷酸或草酸或鉻酸 溶液；使用H3P04溶液浸泡或離子束刻蝕樣品，進(jìn)行通孔或擴(kuò)孔，調(diào)節(jié)孔洞大小；孔洞的深度與氧化時(shí)間成正比。
該多孔圖形的A1203結(jié)構(gòu)通過(guò)一次陽(yáng)極氧化或者通過(guò)二次陽(yáng)極氧化的 方法制備，得到多孔圖形，該二次陽(yáng)極氧化方法為使用一定濃度比的HgCl2 或HsP04或HC1或CuCl2或上述酸的混合，把一次陽(yáng)極氧化得到的氧化層 去掉，留下表面的周期性微孔，重復(fù)步驟b，再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，得到多孔 圖形。
步驟b和c之間還包括以下步驟采用電子束光刻、多光束干涉或離 子束刻蝕方法，制作具有周期性圖形的硬膜，然后采用壓印的方法，在Al 層表面形成周期性微孔，得到周期性的光子晶體圖形。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的圖形結(jié)構(gòu)襯底，形成有高反射率的A1層 及單晶Al203層，能有效的避免發(fā)光器件有源層光線進(jìn)入到襯底，并有效的 釋放異質(zhì)外延產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在此襯底上外延的生長(zhǎng)與傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底外 延技術(shù)相兼容，提高了外延生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量和發(fā)光器件的出光效率。本發(fā) 明的襯底制作方法通過(guò)在Al層表面采用陽(yáng)極氧化方法形成多孔圖形，不須 經(jīng)過(guò)掩膜光刻工藝，降低了制作工藝難度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的半導(dǎo)體外延圖形襯底的側(cè)面圖2是本發(fā)明實(shí)施例2和實(shí)施例3制備的半導(dǎo)體外延圖形襯底的側(cè)面圖。
上述圖中，1為Si基板，2為Al層，3為具有多孔圖形結(jié)構(gòu)的單晶A1203
—具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例1
參照?qǐng)D1， 一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底的側(cè)面示意圖，其包括基板1及
基板1之上的Al層2， Al層2之上的具有多孔圖形結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層3。 其中，基板l可以為Si，也可為SOI基板，也可以為AsGa基板，也可
以為GaP基板，也可以為其它可見(jiàn)光吸收較大的基板。
該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層3的厚度為100nm~2 P m，該Al層2的厚度為50nm 5
U m。多孔氧化鋁的孔徑在5~400nm之間。
以Si基板為例，圖1所示的圖形襯底的制備方法包括以下步驟-
a、 先把Si基板1用化學(xué)溶液和純水，超聲清洗干凈，通過(guò)電子束蒸發(fā)， 離子濺射，熱蒸發(fā)，分子束外延，化學(xué)汽相沉積等方法備制100nm 7"m 厚的Al層2。
b、 把樣品放置在具有一定濃度的低溫的硫酸/磷酸/草酸/鉻酸溶液中。 如3。C的0.3M的草酸或3OC的0.5M的硫酸，Si基板l背面接陽(yáng)極，鉑電 極作陰極。采用不同的電解液采用不同的電解電壓，電解電壓在10V 250V 之間?？锥吹纳疃扰c氧化時(shí)間成正比，氧化時(shí)間為10分鐘 若干天，可得 到厚度為幾十納米到幾微米的氧化鋁層。不同的材料和不同的電解液，不 同的電解電壓，使得氧化的時(shí)間會(huì)有所不同。如圖1所示，樣品經(jīng)過(guò)上述 處理后，將會(huì)形成表面不規(guī)則或部分規(guī)則的多孔氧化鋁結(jié)構(gòu)。
c、 使用H3P04溶液浸泡或離子束刻蝕樣品，進(jìn)行通孔或擴(kuò)孔，調(diào)節(jié)孔 洞大小。
d、 把上述步驟處理后的樣品，在空氣或氧氣或惰性氣體氛圍下加熱。在300~600°C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，非晶的氧化 鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?；隨后，在700~900°C溫度段加熱1到5小時(shí)，多 晶Al203層將晶變?yōu)閱尉У腲203層；最后，在1000。C以上，2050。C以下 溫度中加熱樣品1到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹旅艿乃{(lán) 寶石材料。
e、 樣品退火后，使用化學(xué)溶液和純水，超聲清洗干凈。
f、 上述步驟制備完的樣品，可作為外延生長(zhǎng)的襯底，生長(zhǎng)高質(zhì)量的外 延厚膜。
實(shí)施例2
如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1相似，其區(qū)別在于為了制備周期 性更好的圖形襯底，我們采用二次陽(yáng)極氧化的方法。為實(shí)現(xiàn)此目的，我們 在實(shí)施例1步驟b和C之間插入以下步驟
使用一定濃度比的HgCl2或H3P04或HC1或CuCl2或上述酸的混合，
把一次陽(yáng)極氧化得到的氧化層去掉，留下表面較淺的周期性微孔，重復(fù)實(shí) 施例l步驟b，再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，可得到周期性良好的表面圖形。
實(shí)施例3
如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1相似，其區(qū)別在于為了制備周期 性更好的圖形襯底，我們?cè)跇悠逢?yáng)極氧化之前，采用圖案預(yù)成型的方法，
在A1層表面先形成較淺的圖案。為實(shí)現(xiàn)此目的，我們?cè)趯?shí)施例l步驟a和 b之間插入以下步驟
采用電子束光刻，多光束干涉，離子束刻蝕等方法，制作具有周期性
圖案的硬膜，然后采用壓印的方法，在A1層表面形成較淺的周期性微孔。此方法可形成六角晶格，正方晶格，三角晶格等圖案。
實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例l相似，其區(qū)別在于根據(jù)時(shí)間和晶體質(zhì)量的需要， 適當(dāng)?shù)臏p少或刪除前兩個(gè)加熱段的加熱時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)此目的，我們對(duì)實(shí)施 例1中的步驟d修改如下
d、把上述步驟處理后的樣品，在空氣或氧氣或惰性氣體氛圍下加熱。
在300 600。C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，非晶的氧化 鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑В蝗缓?，?000。C以上，2050°C以下溫度中加熱樣 品1到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹旅艿膯尉{(lán)寶石材料。
權(quán)利要求
1、一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底，包括基板，其特征在于該基板上依次形成有Al層及藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層，該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層的上表面形成有多孔圖形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的外延生長(zhǎng)用的圖形襯底，其特征在于該藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層的厚度為100nm 2li m，該Al層的厚度為50nm~5 u m。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的外延生長(zhǎng)用的圖形襯底，其特征在于該藍(lán) 寶石結(jié)構(gòu)層上的多孔圖形為不規(guī)則的、或局部規(guī)則的或?yàn)橹芷谛缘墓庾泳?體圖形，且孔徑在5 400nm之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用的圖形襯底，其特征 在于該基板為Si基板、絕緣體上硅基板、GaAs基板或GaP基板。
5、 一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底的制作方法，其特征在于包括以下步驟:a、 在基板上蒸鍍一層A1層；b、 在A1層的上表面，采用陽(yáng)極氧化的方法，使A1層上部一定厚度的 Al轉(zhuǎn)化成多孔圖形的A1203結(jié)構(gòu)；c、 將上述結(jié)構(gòu)從低溫到高溫漸變的分段加熱方法，加熱至1000°C以上且在Al203熔點(diǎn)以下的溫度，直至非晶的Ab03轉(zhuǎn)變成單晶Al203層，最終形成藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層，完成該襯底的制作。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于具有多孔圖形的Al203結(jié)構(gòu)樣品置于空氣或氧氣或惰性氣體環(huán)境中，從低溫到高溫，分段進(jìn)行加熱，在300 600。C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，非 晶的氧化鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑В浑S后，在700~900°C溫度段加熱1到5 小時(shí)，多晶入1203層將晶變?yōu)閱尉У陌?203層；最后，在1000°C以上，A1203熔點(diǎn)以下溫度中加熱樣品l到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮?致密的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于具有多孔圖形的A1203結(jié)構(gòu)樣品置于空氣或氧氣或惰性氣體環(huán)境中，從低溫到高溫，分段進(jìn)行加熱，在300 600。C溫度段，加熱20分鐘到5小時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，非晶的 氧化鋁層會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑В蝗缓?，?000。C以上，2050。C以下溫度中加 熱樣品1到5小時(shí)，此過(guò)程中，氧化鋁固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹旅艿乃{(lán)寶石結(jié)構(gòu) 層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于陽(yáng)極氧化的電解液 使用一預(yù)定濃度的低溫的硫酸或磷酸或草酸或鉻酸溶液；使用H3P04溶液 浸泡或離子束刻蝕樣品，進(jìn)行通孔或擴(kuò)孔，調(diào)節(jié)孔洞大??；孔洞的深度與 氧化時(shí)間成正比。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于該多孔圖形的A1203 結(jié)構(gòu)通過(guò)一次陽(yáng)極氧化或者通過(guò)二次陽(yáng)極氧化的方法制備，得到多孔圖形， 該二次陽(yáng)極氧化方法為使用一定濃度比的HgCl2或H3P04或HC1或CuCl2 或上述酸的混合，把一次陽(yáng)極氧化得到的氧化層去掉，留下表面的周期性 微孔，重復(fù)步驟b，再次進(jìn)行陽(yáng)極氧化，得到多孔圖形。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5至9任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于步驟b和C之間還包括以下步驟采用電子束光刻、多光束干涉或離子束刻蝕方法，制作具有周期性圖形的硬膜，然后采用壓印的方法，在A1層表面形成 周期性微孔，得到周期性的光子晶體圖形。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制作方法，尤其涉及一種外延生長(zhǎng)用的圖形襯底及其制作方法，在基板上蒸鍍一層Al層；在Al層的上表面，采用陽(yáng)極氧化的方法，使Al層上部一定厚度的Al轉(zhuǎn)化成多孔圖形的Al₂O₃結(jié)構(gòu)；將上述結(jié)構(gòu)從低溫到高溫漸變的分段加熱方法，加熱至1000℃以上且在Al₂O₃熔點(diǎn)以下的溫度，直至非晶的Al₂O₃轉(zhuǎn)變成單晶Al₂O₃層，最終形成藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層，從而自下而上形成基板/Al層/具有多孔圖形的藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)層。此圖形結(jié)構(gòu)襯底的制作不須經(jīng)過(guò)掩膜光刻工藝；此襯底具有高反射特性，可有效釋放外延層的熱應(yīng)力；在此襯底上外延的生長(zhǎng)與傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底外延技術(shù)相兼容。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101599466SQ20091004103
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者瑜 招, 鋼 王 申請(qǐng)人:中山大學(xué)