一种图形化衬底、LED外延片制造技术

技术编号:20845798 阅读:22 留言:0更新日期:2019-04-13 09:04
本实用新型专利技术公开了一种图形化衬底、LED外延片,其中,图形化衬底包括:蓝宝石基板;位于所述蓝宝石基板上的图形化二氧化硅层,所述图形化二氧化硅层包括多个微结构,所述微结构带有侧壁弧度。本实用新型专利技术提供的图形化衬底、LED外延片及图形化衬底制备方法通过在蓝宝石基板上形成带有侧壁弧度的二氧化硅微结构,构成图形化二氧化硅层,能够利用侧壁弧度改变微结构对光的有效散射面积,从而使得以其制备而成的LED器件可以打破出光界面的全反射限制,进一步提高LED有源区的出射光出光效率,提高LED的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种图形化衬底、LED外延片
本技术实施例涉及半导体领域,尤其涉及一种图形化衬底、LED外延片。
技术介绍
以氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金材料为主的III-V族氮化物半导体材料,由于其能带宽度范围可在0.7eV至6.2eV连续可调,且均为直接带隙,以及其优异的物理、化学稳定性,高饱和电子迁移率等特性,成为GaN基发光二极管(Light-EmittingDiode,LED)、激光器、电子功率器件等光电器件的优选材料。特别地,GaN基LED发光波长可从深紫外至远红外波段进行调控,有着非常广泛的应用领域,其中,应用在半导体照明领域的GaN基白光LED器件得到蓬勃发展。由于GaN单晶材料制备非常困难,又很难找到与GaN晶格匹配的衬底材料,目前99%以上的GaN基LED器件均是通过异质外延生长获得的,所采用的衬底材料主要是蓝宝石基板。然而,蓝宝石与GaN材料的晶格常数相差约15%,也存在严重的热失配问题,这两方面导致在蓝宝石基板上生产的氮化物材料晶体质量差,位错密度达到108-1010/cm2,从而影响器件的使用寿命和发光效率。氮化物与蓝宝石二种材料的折射率差导致光的全反射限制,使得LED内部大约75%的光被限制在器件内部不能出射,最终形成热散失掉,因此,如何提高基于蓝宝石基板的GaN基LED器件的发光效率,成为制约LED发展的关键问题。近年来,图形化蓝宝石基板(Patternedsapphiresubstrate,PSS)技术在GaN基LED外延生长中得到大幅度推广与应用,呈现迅猛发展的势头。PSS技术是首先在蓝宝石基板上制备微/纳米尺寸的微结构图形阵列,并按照侧向外延生长技术的理念,进行金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organicChemicalVaporDeposition,MOCVD)外延生长,一步到位获得高品质的GaN基LED外延片。相对平片蓝宝石基板,PSS具有二方面的优势:其一,PSS能减少GaN外延层的位错密度,弛豫异质外延生长过程中产生的应力,从而提高外延材料的晶体质量以减少有源区的非辐射复合,提高内量子效率;其二,PSS可以通过图形阵列对有源层产生的光的反射、衍射作用而减少因材料折射率差异所造成的内部全反射,以提高LED的出光效率,进而提高GaN基LED整体的发光效率。目前,PSS已经成为LED产业的主流衬底材料,相对采用平片蓝宝石基板制作的LED器件,PSS对应的LED器件的光功率增加了30%左右。由于异质材料界面的折射率差越大,越有利于改变LED内部光子的散射效果,更有利于LED出光效率的提高。然而,蓝宝石折射率(n≈1.78)与GaN材料折射率(n≈2.5)的差值只有0.7左右,不利于进一步提升LED的出光效率;同时,PSS本身与GaN的晶格失配大等因素限制了LED内量子效率的进一步提升。此外,由于蓝宝石材料的化学键能大性能稳定的特点,导致制备PSS的干法刻蚀过程存在刻蚀速率慢、选择比低、设备成本高、产能低、均匀性难以控制等缺点。
技术实现思路
本技术提供一种图形化衬底、LED外延片及图形化衬底制备方法,以减少图形化衬底的制备周期,提高图形化衬底的性能,改善外延层的生长品质。第一方面,本技术实施例提供了一种图形化衬底,包括:蓝宝石基板;位于所述蓝宝石基板上的图形化二氧化硅层,所述图形化二氧化硅层包括多个微结构,所述微结构带有侧壁弧度。可选地,所述微结构为类圆锥形、类圆台型、类多边锥形或类多边台形。可选地,所述微结构的侧壁弧度的隆起高度为70~300nm。可选地,所述微结构的高度为0.1μm~2.5μm。可选地,所述微结构的底部直径为0.1μm~5μm。可选地,所述微结构的间距为0μm~2μm。可选地,所述图形化衬底还包括缓冲层,所述缓冲层位于所述图形化二氧化硅层背离所述蓝宝石基板一侧。可选地,所述缓冲层为AlN缓冲层,所述AlN缓冲层厚度为1nm~100nm。可选地,所述多个微结构呈周期性正方格子排布、周期性六角密堆积排布、非周期性的准晶排布或随机排布。第二方面,本技术实施例还提供了一种LED外延片,包括如第一方面任一所述的图形化衬底,以及形成于图形化衬底上的外延层。本技术实施例提供的一种图形化衬底、LED外延片及图形化衬底的制备方法,通过在蓝宝石基板上形成带有侧壁弧度的二氧化硅微结构,构成图形化二氧化硅层,相对传统的图形化衬底其制备过程简单,可以大幅度降低刻蚀时间,提高刻蚀设备产能并降低生产成本。此外,图形化的二氧化硅层可节省外延层的生长时间,起到提高化学气相沉积设备的利用率和降低LED器件成本的作用;更重要的是,本技术提供的图形化衬底中,利用二氧化硅与GaN折射率更大的优点,可以提高LED出光效率;并且带有侧壁弧度的微结构能够更好地利用散射作用,将LED有源区的出射光进行散射,打破出光界面的全反射限制,改善微结构对管的有效散射面积,提高LED出光效率,并且微结构的因此具有更优良的性能,可以大幅度提升LED芯片的内量子效率和出光效率。附图说明图1为本技术实施例提供的一种图形化衬底的结构示意图;图2是本技术实施例提供的多种图形化二氧化硅层的微结构的俯视图和剖面图;图3是本技术实施例提供的类圆锥形微结构的剖面示意图及典型的带有不同侧壁弧度的图形凸起的SEM图像;图4是本技术实施例提供的另一种图形化衬底的结构示意图;图5是本技术实施例提供的多种图形化衬底的俯视图;图6是本技术实施例提供的一种LED外延片的结构示意图;图7是本技术实施例提供的图形化衬底的制备方法的流程图;图8是本技术实施例提供的图形化衬底制备方法的示意图;图9是本技术实施例提供的又一种图形化衬底制备方法流程图;图10是本技术实施例提供的图形化衬底制备方法的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术,而非对本技术的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。图1为本技术实施例提供的一种图形化衬底的结构示意图,参考图1,该图形化衬底包括:蓝宝石基板11;位于蓝宝石基板11上的图形化二氧化硅层12,图形化二氧化硅层12包括多个微结构121,微结构带有侧壁弧度。其中需要说明的是,图形化二氧化硅层12并非一平整的二氧化硅层,而是由多个微结构121构成的凹凸结构层,且微结构121带有侧壁弧度是指微结构的侧表面并非平面,而是沿侧表面的垂直中心线隆起一定高度的弧型侧表面。对于带有侧壁弧度的微结构组成的图形化二氧化硅层,其上可以生长GaN材料等组成的外延层,进而在外延层上形成LED器件。由于该二氧化硅层为带有侧壁弧度的微结构,相较于在未有侧壁弧度的微结构组成的图形化二氧化硅层上生长外延层,在带有侧壁弧度的微结构组成的图形化二氧化硅层上生长外延层,能够更好地实现侧向外延生长,更多地减少GaN外延层的位错密度,弛豫一致外延生长过程中产生的应力,进一步地提高外延材料的晶体质量,减少有源区的非辐射符合,提高内量子效率;而且图形化的二氧化硅层生长外延层时,可节省外延层的生长时间,缩短外本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种图形化衬底,其特征在于,包括:蓝宝石基板;位于所述蓝宝石基板上的图形化二氧化硅层,所述图形化二氧化硅层包括多个微结构,所述微结构带有侧壁弧度。

【技术特征摘要】
1.一种图形化衬底,其特征在于,包括:蓝宝石基板;位于所述蓝宝石基板上的图形化二氧化硅层,所述图形化二氧化硅层包括多个微结构,所述微结构带有侧壁弧度。2.根据权利要求1所述的图形化衬底,其特征在于,所述微结构为类圆锥形、类圆台型、类多边锥形或类多边台形。3.根据权利要求2所述的图形化衬底,其特征在于,所述微结构的侧壁弧度的隆起高度为70~300nm。4.根据权利要求3所述的图形化衬底,其特征在于,所述微结构的高度为0.1μm~2.5μm。5.根据权利要求3所述的图形化衬底,其特征在于,所述微结构的底部直径为0.1μm~5μm。6.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:付星星康凯陆前军
申请(专利权)人:东莞市中图半导体科技有限公司
类型:新型
国别省市:广东,44

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