led用图形化蓝宝石衬底的酸刻蚀行为研究

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1、硕士学位论文LED用图形化蓝宝石衬底的酸刻蚀行为研究STUDYONACIDETCHINGBEHAVIOURSOFPATTERNEDSAPHIRESUBSTRATESFORLEDAPPLICATION申健哈尔滨工业大学2016年7月国内图书分类号：V254.2学校代码：10213国际图书分类号：430.25密级：公开工学硕士学位论文LED用图形化蓝宝石衬底的酸刻蚀行为研究硕士研究生:申健：导师:甘阳教授：申请学位:工学硕士：学科:化学工程与技术：所在单位:化工与化学学院：答辩日期:2016：年06月ClassifiedIndex:V254.2U.D.C:430.25Disser

2、tationfortheMaster’sDegreeinEngineeringSTUDYONACIDETCHINGBEHAVIOURSOFPATTERNEDSAPHIRESUBSTRATESFORLEDAPPLICATIONCandidate：JianShenSupervisor：Prof.YangGanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandTechnologyAffiliation：SchoolofChemistryandChemicalEngineering

3、andTechnologyDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要图形化蓝宝石衬底是在平片蓝宝石衬底表面刻蚀出周期性图形阵列，其在提升GaN基LED的发光性能方面具有较大优势。针对目前湿法刻蚀图形化蓝宝石衬底的刻蚀机理不深入的问题，本文系统研究了刻蚀剂和刻蚀时间对c面蓝宝石单晶和图形化蓝宝石衬底的酸刻蚀行为的影响，深入研究了湿法刻蚀过程中图形化蓝宝石衬底的图形形貌演变、几何尺寸、刻蚀晶面暴露顺序和晶面刻蚀速率，并探讨了c面蓝

4、宝石单晶和图形化蓝宝石衬底的湿法刻蚀机理。研究结果为图形化蓝宝石衬底的湿法刻蚀提供了理论指导，为实现图形化蓝宝石衬底表面图形结构的精细控制提供了理论基础。运用AFM与SEM表征，对比研究磷酸、硫酸和磷酸硫酸混合刻蚀剂对c面蓝宝石单晶的湿化学刻蚀行为，磷酸、硫酸和磷酸硫酸混合刻蚀剂对c面蓝宝石单晶均具有刻蚀能力，其中磷酸、硫酸混合刻蚀剂对c面蓝宝石单晶刻蚀能力最强，对蓝宝石单晶c面具有最快的刻蚀速率（15.46nm/min）。硫酸与蓝宝石单晶反应生成不溶于硫酸的Al2(SO4)3·17H2O晶体，Al2(SO4)3·17H2O晶体对其底部蓝宝石单晶具有保护作用，并且Al2(SO

5、4)3·17H2O晶体随刻蚀时间增加而不断增长，使蓝宝石单晶表面被硫酸刻蚀出具有多级台阶结构的四角锥体图形。系统研究磷酸、硫酸和磷酸硫酸混合刻蚀剂对图形化蓝宝石衬底的湿化学刻蚀行为。磷酸刻蚀剂中图形化蓝宝石衬底表面图形形貌随刻蚀时间演变：由圆锥形转变为多晶面角锥形，最后转变为三角锥形，图形的尺寸不断缩小。利用SEM和AFM表征得到的图形尺寸信息，准确确定刻蚀过程中暴露的（1105）和（1107）晶面，（1105）晶面的刻蚀速率为64.13nm/min，（1107）晶面的刻蚀速率为34.73nm/min。硫酸对图形化蓝宝石衬底的表面图形具有刻蚀能力，但由于高温硫酸与图形化蓝宝石

6、衬底反应生成不溶于硫酸溶液的Al2(SO4)3·17H2O晶体，不规则分布的Al2(SO4)3·17H2O晶体对其底部蓝宝石具有保护作用，阻碍硫酸对图形的刻蚀，蓝宝石衬底表面图形的形状发生不规则演变，图形形貌不再均一。刻蚀剂为磷酸、硫酸混合溶液（体积比为1:1），图形化蓝宝石衬底表面图形形貌随刻蚀时间演变：图形由圆锥形转变为六角锥形，最后转变为三角锥形，图形的尺寸不断缩小。关键词：湿法刻蚀，c面蓝宝石单晶，图形化蓝宝石衬底，形貌演变，刻蚀速率I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractPatternedsapphiresubstrates(PSS),i.e.,etched

7、sapphiresubstrateswithperiodicallypatternedartificialstructures,havebeenprovedtobeeffectiveinimprovingtheperformanceofGaN-basedLEDs.Regardingwetetchingofsapphiresubstrates,theetchingmechanismisstillpoorlyunderstood.Takingc-planesapphireasthemodelsystems,