图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，公开了一种图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，衬底包括：衬底本体，以及衬底本体的上表面完全包覆的过渡层；所述凸起结构包括从下至上依次设置的底部图案层、中部多介质薄膜层和顶部低折射材料层。本发明专利技术通过设置周期性的多层介质薄膜层，进一步优化外延层与衬底界面的反射率，提升LED的光效水平，同时通过顶部低折射材料层与过渡层的双重保护，解决介质膜高温清洗过程脱漏与MOCVD高温生长过程中黑化的问题，实现高光效的LED外延片和芯片。实现高光效的LED外延片和芯片。实现高光效的LED外延片和芯片。

【技术实现步骤摘要】
图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片


[0001]本专利技术涉及半导体
，特别涉及一种图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片。

技术介绍

[0002]LED因具有高的发光效率及更长的使用寿命等优点，目前已经广泛的应用在背光、照明、景观等各个光源领域。进一步提高LED芯片的发光效率仍然是当前行业发展的重点。目前图形化蓝宝石衬底（PSS）与SiO2/Al2O3复合衬底，在提升LED出光效率方面都是依靠衬底材料与外延层材料的折射率差来提高界面的反射率，提高的幅度有限，存在天花板。
[0003]专利202010222244.X提及一种带有DBR结构的复合衬底，如图1所示，该复合图形化衬底采用了DBR结构来优化外延层与衬底界面的反射率，从而提高了LED芯片的光效。然而，由于DBR中的TiO2在高温下浓硫酸双氧水混合溶液中清洗时，会与浓硫酸反应而导致脱漏；此外TiO2在外延生长中会因高温而黑化变性，不仅会失去DBR的反射效果，同时也影响了外延层材料的晶体质量，极大地降低了LED内量子效率，另外，黑化后的TiO2会污染MOCVD等，不具备可行性。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，通过设置周期性的中部多介质薄膜层，进一步优化外延层与衬底界面的反射率，提升LED的光效水平，同时通过顶部低折射材料层与过渡层的双重保护，解决中部多介质薄膜层高温清洗过程中的脱漏以及MOCVD高温生长过程中黑化的问题，实现高光效的LED外延片和芯片。
[0005]技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种复合图形化衬底，包括衬底本体、设置于该衬底本体上的凸起结构，以及将所述凸起结构及衬底本体的上表面完全包覆的过渡层；所述凸起结构包括从下至上依次设置的底部图案层、中部多介质薄膜层和顶部低折射材料层。
[0006]优选地，所述底部图案层与所述衬底本体为一体同质结构；和/或，所述底部图案层的厚度h1为10nm
‑
500nm。
[0007]进一步地，所述中部多介质薄膜层为高折射率介质子层与低折射率介质子层交替排列组成的周期性结构；和/或，所述高折射率介质子层的材质为氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化硅Si
x
N
y
）、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二钽（Ta2O5）或氧化钛(TiO2)；所述低折射率介质子层的材质为氧化硅SiO2或氟化镁MgF2；其中，所述氮化硅Si
x
N
y
中，x=1，2或3， y=1，2，5或4；和/或，所述中部多介质薄膜层122为SiO2/TiO2、SiO2/Si
x
N
y
、SiO2/AlN、SiO2/HfO2、SiO2/ ZrO2、SiO2/ Ta2O5、SiO2/ GaN或MgF2/ TiO2交替排列组成的周期性结构。
[0008]进一步地，所述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与所述凸起结构的底面积s2
比例范围为30%~90%；优选地，所述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与所述凸起结构的底面积s2比例范围为60%~88%。前述比例越大，有效反射面积越大，衬底的反射效果就越好，所以实际应用中，既要保证中部多介质薄膜层的周期在一定的数量（周期较大则上述比例就会变小），以保证反射效果，也要保证前述比例在合适的范围。
[0009]优选地，在所述中部多介质薄膜层中，所述高折射率介质子层与所述低折射率介质子层的对数为1
‑
25对，优选为2~10对；优选地，所述高折射率介质子层1221的厚度为10nm
‑
300nm；所述低折射率介质子层1222的厚度为50nm
‑
400nm；优选地，高折射率介质子层1221的厚度为10
‑
100nm；低折射率介质子层1222的厚度50nm~200nm；与所述底部图案层接触的材料是所述低折射率介质层。因为低折射率介质层与底部图案层之间的粘附性较好。
[0010]优选地，低折射率介质子层的厚度大于高折射率介质子层的厚度，厚度比为1.1~3；优选地，所述顶部低折射材料层材质为二氧化硅；和/或，所述顶部低折射材料层的折射率范围为1.35
‑
1.55；和/或，所述顶部低折射材料层的厚度h2为0
‑
2000nm；优选为100nm~1000nm。
[0011]优选地，所述凸起结构的底径R为600 nm
‑
5000nm；优选为1000nm~3000nm；和/或，所述凸起结构120之间的间距S为50 nm
‑
400 nm；和/或，所述凸起结构为圆锥、圆台、圆柱、多棱锥或多棱台结构；和/或，所述凸起结构呈周期性六角密堆积排布、周期性正方格子排布、准晶结构排布或高密度随机排布。
[0012]优选地，所述过渡层为AlN材质；和/或，所述过渡层的厚度h3为5 nm ~ 90 nm；优选地，过渡层厚度为5~50nm，如5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm。
[0013]优选地，所述凸起结构与所述过渡层的总高度H为500nm
‑
4000nm。
[0014]优选地，所述底部图案层的厚度h1＜所述中部多介质薄膜层的厚度≤所述顶部低折射材料层的厚度h3。
[0015]第二方面，本专利技术还提供了一种LED外延结构，包括如上述任一项所述的复合图形化衬底。
[0016]第三方面，本专利技术还提供了一种LED芯片，包括如第二方面所述的LED外延结构。
[0017]第四方面，本专利技术还提供了一种如第一方面任一项所述的复合图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：S1：在所述衬底本体上沉积所述中部多介质薄膜层的材料；S2：在所述中部多介质薄膜层上沉积所述顶部低折射材料层的材料；S3：在所述顶部低折射材料层的上表面涂覆正性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，制备出光刻窗口；S4：将所述光刻窗口内的所述顶部低折射材料层的材料及中部多介质薄膜层的材料完全刻蚀干净后，去除剩余正性光刻胶并清洗；S5：沉积过渡层，所述过渡层将所述凸起结构及暴露的衬底本体的上表面完全包覆，得所述复合图形化衬底。
[0018]有益效果：本专利技术提供的复合图形化衬底，通过引入具有高反射率特性的中部多介质薄膜层，以进一步提升外延层与衬底界面的反射率，同时，通过缩短LED内光子的传输路径来降低材料层对光子的重吸收作用，从而大大提升LED芯片的发光效率；此外，本专利技术通过顶部低折射材料层与AlN层的双重包裹作用，彻底解决了中部多介质薄膜层材料在高温清洗过程中脱漏，以及MOCVD高温生长过程中黑化外溢等问题，有利于实现一致性高的高光效的LED外延片和芯片。
附图说明
[0019]图1为现有技术中复合图形化衬底结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合图形化衬底，包括衬底本体（110）、设置于该衬底本体（110）上的凸起结构（120），以及将所述凸起结构（120）及衬底本体（110）的上表面完全包覆的过渡层（124）；所述凸起结构（120）包括从下至上依次设置的底部图案层（121）、中部多介质薄膜层（122）和顶部低折射材料层（123）。2.根据权利要求1所述的复合图形化衬底，其特征在于：所述底部图案层（121）与所述衬底本体（110）为一体同质结构；和/或，所述底部图案层（121）的厚度h1为10nm
‑
500nm。3.根据权利要求1所述的复合图形化衬底，其特征在于：所述中部多介质薄膜层（122）为高折射率介质子层（1221）与低折射率介质子层（1222）交替排列组成的周期性结构；和/或，所述高折射率介质子层（1221）的材质为氮化镓GaN、氮化铝AlN、氮化硅Si
x
N
y
、二氧化铪HfO2、二氧化锆ZrO2、五氧化二钽Ta2O5或氧化钛TiO2；所述低折射率介质子层（1222）的材质为氧化硅SiO2或氟化镁MgF2；其中，所述氮化硅Si
x
N
y
中，x=1，2或3， y=1，2，5或4；和/或，所述中部多介质薄膜层（122）为SiO2/TiO2、SiO2/Si
x
N
y
、SiO2/AlN、SiO2/HfO2、SiO2/ ZrO2、SiO2/ Ta2O5、SiO2/ GaN或MgF2/ TiO2交替排列组成的周期性结构。4.根据权利要求3所述的复合图形化衬底，其特征在于：所述中部多介质薄膜层（122）最顶层的表面积s1与所述凸起结构（120）的底面积s2比例范围为30%~90%。5.根据权利要求3所述的复合图形化衬底，其特征在于：在所述中部多介质薄膜层（122）中，所述高折射率介质子层（1221）与所述低折射率介质子层（1222）交替周期性重叠的对数为1
‑
25对；其中，所述高折射率介质子层（1221）的厚度为10nm
‑
300nm；所述低折射率介质子层（1222）的厚度为50nm
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400nm；与所述底部图案层（121）接触的材料是所述低折射率介质层（1222）；和/或，所述低折射率介质子层（1222）的厚度大于所述高折射率介质子层（...

【专利技术属性】
技术研发人员：付星星，孙帅，王乐浩，王思博，黄静，芦玲，
申请(专利权)人：淮安澳洋顺昌光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：