分段式斜栅图形化蓝宝石衬底及其制备方法与流程

本发明涉及第三代半导体材料制造，具体涉及一种用于半极性或非极性氮化镓（gan）基发光二极管（led）、激光器（ld）、垂直腔面发射激光器（vcsel）的图形化蓝宝石衬底及制备方法。

背景技术：

1、半极性gan（如面）和非极性gan（如面）因其偏振比低、波长稳定性高、绿色波段内量子效率优势明显，被公认为激光二极管和高端micro led的最佳材料体系。然而，半极性/非极性gan在c面蓝宝石以外的衬底上外延时，存在两个核心难题：（1）位错密度高，通常大于109cm-2；（2）斜栅条纹连续无限长时，gan沿斜栅侧壁横向合并时在条纹中央产生严重晶界。

2、现有技术中，中国专利申请cn110335924a公开了一种r面蓝宝石上的斜栅pss结构，其中斜栅为连续无限长条纹，无分段间隙，连续斜栅导致gan横向外延合并时晶界横跨整个条纹长度，无法被局域化到特定点；中国专利申请cn120857727a公开了一种沟槽阵列加位错局域化结构，但其沟槽为连续长度，无分段设计。这些方案均未解决大尺寸衬底刻蚀均匀性问题和横向缺陷疏导问题。

3、此外，现有技术主要针对的是2英寸小尺寸蓝宝石衬底，当衬底尺寸扩大至 4-6英寸时，蓝宝石（al2o3）化学稳定性高、刻蚀难度大的问题加剧，负载效应导致不同区域图形侧壁角度和图形结构尺寸差异大，易出现非目标侧壁，严重影响外延层质量甚至导致外延失败。现有斜栅结构仅能实现纵向缺陷富集，在两图形间纵向外延层晶界处位错比例高，缺乏横向缺陷疏导和应力释放通道，会扩大缺陷富集区减少低缺陷区面积，且未考虑后续芯片切割的工艺便利性，导致切割过程中易因应力释放产生额外缺陷。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题包括：第一，如何制备一种侧壁晶体学取向可精确预设的蓝宝石图形化衬底，以通过一个统一的结构设计同时实现gan外延层的低位错密度和弱内建极化电场。第二，在大尺寸蓝宝石衬底图形化刻蚀过程中，如何通过优化图形布局改善刻蚀过程中的反应物输送与副产物排出效率，获得陡直、晶向精确的c面侧壁，并提升各个位置微结构图形刻蚀均匀性和侧壁质量的一致性。

2、第一方面，本发明提供了一种大尺寸图形化蓝宝石衬底，包括：蓝宝石基底，其表面为晶面，且所述蓝宝石基底的尺寸为4英寸及以上；以及位于所述蓝宝石基底上的分段式斜栅阵列，所述分段式斜栅阵列由多个沿长度方向平行排列的斜栅段构成；其中，每个所述斜栅段沿其长度方向被周期性间隙间隔断开，形成多个独立的斜栅单元；所述间隙同时作为刻蚀副产物横向排出通道、穿透位错终止区以及芯片切割定位槽；相邻斜栅段之间的间隙宽度g为0.2μm~2μm；所述斜栅的侧壁一侧为蓝宝石c面晶族，其倾角与蓝宝石晶面匹配，用于引导半极性或非极性氮化镓外延生长。

3、优选地，所述斜栅段的长度ls为1μm~500μm，优选为50μm~150μm；所述间隙宽度g优选为0.5μm~1.0μm。

4、优选地，所述间隙的深度dg与斜栅沟槽深度ds满足关系：dg≥ds，优选dg=ds。

5、优选地，所述斜栅的侧壁倾角θ为75°±5°，对应蓝宝石c面族晶面，引导半极性面氮化镓生长；所述斜栅的延伸方向平行于蓝宝石的m轴方向。

6、优选地，所述间隙的底部形状为u形或v形，底部倒角半径r为0.1μm~0.5μm。

7、优选地，所述间隙的侧壁具有经o2等离子体处理形成的粗糙化表面，其表面粗糙度ra≥30nm。

8、优选地，分段周期ps=ls+g为1.2-502μm。

9、第二方面，本发明提供了上述图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤s1：提供面蓝宝石晶圆，并进行标准清洗处理；

11、步骤s2：在清洗后的蓝宝石晶圆表面涂覆光刻胶，使用包含分段间隙图案的掩模版进行步进式曝光；掩模版设计为斜栅周期p’=10~250μm，段长ls’=5-2500μm，间隙宽度g’=1~10μm；

12、步骤s3：对曝光后的光刻胶进行显影处理，形成光刻胶掩模；

13、步骤s4：以感应耦合等离子体干法刻蚀进行图形转移，刻蚀气体为bcl3和ar的混合气体；

14、步骤s5：去除残余光刻胶，获得分段式斜栅图形化蓝宝石衬底。

15、优选地，步骤s4中刻蚀工艺参数为：bcl3流量为60~80sccm，ar流量为20~40sccm，反应腔压力2~4mtorr，icp功率为1000~1500w，偏置功率为400~800w，刻蚀时间为7~15分钟；步骤s5中对获得分段式斜栅图形化蓝宝石衬底的间隙侧壁进行o2等离子体粗糙化，功率为100w，时间为10~30秒。

16、第三方面，本发明提供了一种半导体器件，包括本发明的上述图形化蓝宝石衬底，以及位于所述图形化蓝宝石衬底上的氮化镓基外延层，所述半导体器件为发光二极管、激光二极管或垂直腔面发射激光器。

17、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

18、（1）大尺寸衬底适配优势：解决了4-6英寸蓝宝石衬底刻蚀的负载效应问题，通过分段间隔排出刻蚀副产物，优化了侧壁角度控制与图形均匀性。

19、（2）缺陷控制升级：分段间隙处缺乏成核基底，穿透位错到达间隙时自然终止，实现横纵向协同控缺陷。

20、（3）工艺便利性提升：分段间隔可直接作为芯片切割通道，简化了加工流程，降低了切割缺陷风险。

21、（4）刻蚀副产物累积量大幅降低：副产物累积因子与连续斜栅结构相比降低了两个数量级以上。

1.一种大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，包括：蓝宝石基底，其表面为晶面，且所述蓝宝石基底的尺寸为4英寸及以上；以及位于所述蓝宝石基底上的分段式斜栅阵列，所述分段式斜栅阵列由多个沿长度方向平行排列的斜栅段构成；其中，每个所述斜栅段沿其长度方向被周期性间隙间隔断开，形成多个独立的斜栅单元；所述间隙同时作为刻蚀副产物横向排出通道、穿透位错终止区以及芯片切割定位槽；相邻斜栅段之间的间隙宽度g为0.2μm~2μm；所述斜栅的侧壁一侧为蓝宝石c面晶族，其倾角与蓝宝石晶面匹配，用于引导半极性或非极性氮化镓外延生长。

2.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述斜栅段的长度ls为1μm~500μm，优选为50μm~150μm，所述间隙宽度g为0.5μm~1.0μm。

3.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述间隙的深度dg与斜栅沟槽深度ds满足关系：dg≥ds，优选dg=ds。

4.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述斜栅的侧壁倾角θ为75°±5°，对应蓝宝石c面族晶面，引导半极性面氮化镓生长；所述斜栅的延伸方向平行于蓝宝石的m轴方向。

5.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述间隙的底部形状为u形或v形，底部倒角半径r为0.1μm~0.5μm。

6.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述间隙的侧壁具有经o2等离子体处理形成的粗糙化表面，其表面粗糙度ra≥30nm。

7.根据权利要求1所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，分段周期ps=ls+g为1.2-502μm。

8.一种制备如权利要求1至7任一项所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s4中刻蚀工艺参数为：bcl3流量为60~80sccm，ar流量为20~40sccm，反应腔压力2~4mtorr，icp功率为1000~1500w，偏置功率为400~800w，刻蚀时间为7~15分钟；步骤s5中对获得分段式斜栅图形化蓝宝石衬底的间隙侧壁进行o2等离子体粗糙化，功率为100w，时间为10~30秒。

10.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的大尺寸图形化蓝宝石衬底，以及位于所述图形化蓝宝石衬底上的氮化镓基外延层，所述半导体器件为发光二极管、激光二极管或垂直腔面发射激光器。