纳米一微米复合图形化衬底和其在半导体异质外延上应用摘要：报道了一种新型的纳米微米复合的蓝宝石图形化衬底，采用dipcoating的方法在微米级Si02半球阵列表面静电自组装一层Si02纳米球，形成了适合纳米范围选择性生长的区域。研究发现，该复合结构的制备过程与后续外延的工艺兼容。经封装后，在复合图形衬底上制造的LED芯片，其所测试的光通量比未添加Si02纳米颗粒的微米图形衬底制造的LED光通量提高57%左右，而光输出功率则提高了17.8%o研究表明，在传统的微米图形衬底上加入Si02纳米颗粒阵列不仅能够提供纳米级区域外延生长的模板，有效减少外延层的线位错密度，而且能够进一步粗化衬底表面，增加有源层光线逸出的几率，从而有效地提高了光提取效率。关键词：图形衬底；提拉法；Si02纳米颗粒；光提取效率；外延生长中图分类号：TN383.1文献标志码：Adoi:10.3969/j.issn.10055630.2014.01.005引言异质外延(heteroepitaxy)是半导体材料生长的一种重要手段，由于衬底与外延薄膜之间结构及性能的差异，会导致外延生长层的质量受到众多因素的影响。在异质外延生长的过程中，一方面，晶格失配会带来界面处的失配位错(misfitdislocation),该失配位错能够延伸至外延层表面而形成贯穿外延层的线位错，对薄膜乃至后期的器件质量有非常严重的影响；另一方面，晶格失配会引起外延层内存在双轴应变(strain),应变的产生、演化以及弛豫同样会影响材料的结构与性能。因此为了提高外延层薄膜的质量，一个重要的手段是在衬底与外延层界面之间引入微纳结构[16],或称为图形化衬底(patternedsubstrates)o衬底上的微纳结构可以形成选择性外延生长(selectiveepitaxialgrowth,SEG)的区域,即能够将外延生长限定在微纳米的区域范围内，利用区域的边壁(sidewall)阻止失配位错的延伸；微纳结构还能够形成表面粗化的结构，避免由于外延材料与空气间存在的巨大折射率差而造成全反射，使有源发光材料增加光线逃逸的机会，达到提高光提取效率，有效增加外量子效率的作用。1衬底原理在半导体器件设计与制造过程中，已经广泛地运用了多种微纳结构来改进材料结构和性能，如在GaN基蓝光LED芯片生产过程中。由于蓝宝石单晶衬底A1203及GaN之间存在了巨大的晶格失配，会导致外延层中产生高达lXlOlOcm-2的线位错密度，该位错会随着生长过程一直延伸到有源层的表面，成为影响器件的出光效率的重要因素。目前，已有多种方法来提高LED芯片的外延层质量及光提取效率[710],并取得了一系列进展。为了减少由于晶格失配及热失配带来的生长缺陷，人们提出了外延横向过度生长(epitaxallylaterallyovergrown,ELOG)的方法，在A1203衬底上先制备厚度达1卩m,宽度为7〜8um的条形Si02掩模，条形Si02之间的间距大约为4Um,在此掩模上通过金属有机物化学气相沉积(metalorganicchemicalvapordeposition,MOCVD)生长较厚的GaN薄膜，GaN分子首先在衬底的窗口处成核并选择性生长，当厚度增加时，GaN分子将会横向生长于Si02条形掩模之上，在厚度达到10ym左右，所生长的条形外延层最终将横向合并并形成连续的平面。人们发现在Si02条形掩模之上的GaN薄膜，其线位错密度非常低(采用静电自组装的手段将制得的纳米球组装到蓝宝石微米图形化衬底上。首先将Si02纳米球加入到去离子水中，将浓度调整至2mg/ml,并调整溶液的pH为9,使用超声振荡将小球均匀分散。自组装过程需要用到的聚阳离子体为聚二烯丙基二甲基氯化鞍[polydiallyldimethylammoniumchloride,PDDA]购自Aldrich公司，配制PDDA的水溶液，控制浓度4mg/ml,pH为9oPDDA具有在较宽的pH范围内都能带正电荷的特性，而一般的Si02胶体颗粒的等电点为2〜3,当溶液的pH高于该等电点时，胶体粒子表面会由于电离而使粒子带上负电荷。通过这种正负电荷的交替作用，就可以在PDDA的帮助下，通过溶液pH调节，将SiO2纳米球规则地组装到蓝宝石微米图形衬底的表面。实验中先将蓝宝石衬底浸入PDDA水溶液中5min,取出后用去离子水清洗数次，就能在衬底上形成PDDA单吸附层，再将衬底浸入Si02单分散液中约5min,取出后再次用去离子水清洗数次，通过这样的浸入、清洗程序，就会在PDDA吸附层外面致密地静电吸附一层SiO2纳米颗...