论文部分内容阅读
白光照明用GaN基高效率大功率LED，近年来引起了人们研究的广泛关注，是未来LED产业的发展趋势。蓝宝石图形衬底，可有效降低其上GaN外延薄膜的穿透位错密度，同时提升GaN基LED的光提取效率。为了克服当前湿法和干法刻蚀制备图形化蓝宝石衬底面临的诸多问题，本文首先采用电子束光刻技术制备图形化Al薄膜，接着进行固相反应，进而制备蓝宝石纳米图形衬底。在此基础上，本文同时采用激光干涉光刻技术制备图形化金属Al薄膜，然后进行固相反应，以实现了蓝宝石纳米图形衬底的低成本、高效率、大面积制备。最后，针对激光干涉光刻制备的蓝宝石纳米图形衬底，生长GaN基LED外延片；通过对有无图形衬底上制备的GaN基LED外延片质量分析，对高效大功率LED外延片用蓝宝石图形衬底进行评价。直流磁控溅射法制备出蓝宝石图形化用金属Al薄膜的试验表明，蓝宝石衬底上沉积的Al薄膜表面粗糙度，随着溅射功率、工作气压、衬底温度的增加而增加。当直流溅射功率为60W，工作气压为0.2Pa，基片温度为70°C时，可制备出表面粗糙度仅为1.34nm的200nm厚金属Al薄膜。电子束光刻技术制备图形化Al薄膜的试验表明，同时采用几何修正法和剂量修正法，可以对电子束光刻的邻近效应进行校正。图形化Al薄膜图形尺寸，随着电子束曝光剂量的增加而增加。在蓝宝石衬底上，成功制备不同形状（圆形、方形），不同填充因子（0.5、0.67、0.75），不同占空比（2.31、3.85、5.39）的图形化金属Al薄膜。激光干涉光刻技术制备图形化Al薄膜理论计算结果表明，激光干涉曝光图案的周期，随着两束激光的入射角θ的减小而增加。当两束激光的入射角为9.35°，曝光时间为8min，可在蓝宝石衬底上，制备出对角线长/周期/厚度为615nm/990nm/200nm的正方形Al图案。对分别采用电子束光刻技术和激光干涉光刻技术制备的图形化Al薄膜，进行热处理以制备纳米蓝宝石图形衬底。试验表明，第一步氧化热处理：Al薄膜在空气中经450°C下24h的热处理后，表面的小丘数目最小；图形化Al薄膜的表面形貌，有较好的遗传性。第二步900-1200°C的高温热处理，可使多晶Al2O3层转变为蓝宝石单晶。SEM结果表明，温度低于1200°C的高温热处理1h，图案仍然存在。XRD和Raman结果表明，图形化金属Al薄膜在450°C低温热处理24h，1000°C高温热处理1h，获得的蓝宝石图形衬底是六方晶系，并且与蓝宝石（0001）衬底的成分和取向一致。对激光干涉光刻纳米图形化蓝宝石衬底，其上制备GaN基LED外延片。HRXRD试验表明，相比于蓝宝石未处理衬底，蓝宝石图形衬底上GaN外延薄膜位错密度将会降低1.67×1010cm-2，这主要是由于在横向过生长制备GaN外延薄膜过程中，穿透位错发生弯曲。图形化的蓝宝石衬底上制备GaN基蓝光LED外延片的InGaN/GaN多量子阱，具有更好的晶体质量，更平整的界面，并且降低了由应变引起的量子限制斯塔克效应，进而可使GaN基蓝光LED外延片的光致发光强度提高至8倍。