一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片制造技术

本实用新型专利技术涉及一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片，属于发光二极管技术领域。其主要针对进一步提高LED光亮度的问题，提出如下技术方案，包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的顶部有周期性分布的高反射薄膜与SiO2层所构成的图形，且图形化的蓝宝石衬底的顶部生长有N

【技术实现步骤摘要】
一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片


[0001]本技术涉及发光二极管
，尤其涉及一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片。

技术介绍

[0002]图形化蓝宝石衬底可以降低氮化镓外延层内的缺陷密度，提高外延氮化镓层的生长质量，提高出光效率，使得发光二极管芯片的亮度大幅度提高，因此是目前LED芯片的主流基板。但是随着技术的进一步发展，下游对LED亮度的要求越来越高，传统图形化蓝宝石衬底的亮度难以满足要求。
[0003]为了增强蓝宝石衬底的出光效率，最常见的方法是采用SiO2与蓝宝石相结合的衬底，该衬底的图形上部为SiO2，下部为蓝宝石。由于SiO2折射率为1.48，低于蓝宝石的折射率1.77，当光从LED发光层发出后，由于SiO2更低的折射率，更多的光会反射回氮化镓层并最终射出器件，提升芯片亮度。同时氮化镓层仅会在蓝宝石上生长不会在上部的SiO2上生长。因此降低了外延生长的应力，进一步提高了外延层的晶体质量。在几种有利因素的共同作用下，使用SiO2蓝宝石复合衬底制备出的LED芯片，亮度明显提高，已经被广泛应用在高性能器件上。
[0004]未来追求更高亮度的LED产品是行业的发展方向，因此需要进一步改进衬底和LED芯片结构，使其能够获得更高的亮度。目前，无法找到比SiO2折射率更低且能应用在LED芯片上的材料，因此本专利技术提出了一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片结构。通过将SiO2替换成空气，由于空气的折射率为1，使得光的反射率达到最大。同时由于空气不会对外延层产生任何压力，大幅度减小外延层表面的应力，提高了晶体质量。同时通过在空腔下方制备多层增反膜，将射入空腔底部的光线反射回去，进一步增加了亮度。相比于SiO2蓝宝石复合衬底，使用本专利所述的LED芯片亮度将进一步提高，具有更加广泛的市场前景。

技术实现思路

[0005]本技术的目是针对
技术介绍
中存在的问题，提出一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片。
[0006]本技术的技术方案：一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片，包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的顶部有周期性分布的高反射薄膜与SiO2层所构成的图形，且图形化的蓝宝石衬底的顶部生长有N
‑
GaN，所述N
‑
GaN的内部具有多个空腔，所述N
‑
GaN的顶部设置有通过5
‑
10个周期In
0.2
Ga
0.8
N/GaN量子阱构成的有源区与用于联通电源的P型电极，所述有源区的顶部生长有P
‑
GaN，P
‑
GaN的顶部设置有SiO2，SiO2上安装有N型电极。
[0007]优选的，所述SiO2层位于高反射薄膜的顶部，多个所述空腔与SiO2层之间一一对应。
[0008]优选的，所述空腔的底部大小与SiO2层的顶部面积相一致，且空腔的高度为1μm
‑
3μm。
[0009]优选的，所述高反射薄膜与SiO2层均通过等离子体增强化学气相沉积法进行设置。
[0010]优选的，所述蓝宝石衬底、高反射薄膜与SiO2层组成衬底图形，衬底图形底宽1.0μm
‑
4.0μm、高度50nm
‑
500nm、图形之间的间隙为0.1μm
‑
0.5μm。
[0011]优选的，所述图形的形貌可以为圆柱、棱柱等多种柱状图形。
[0012]与现有技术相比，本技术具有如下有益的技术效果：
[0013]1.通过在SiO2和蓝宝石之间增加一层高光反射率薄膜(两层以上的DBR膜，高折射率膜与低折射率膜的厚度为1/4波长)，进一步提高了衬底对光的反射，提高了芯片亮度。更为重要的是增加高反射率薄膜仅需要多沉积一道工序，不会改变前后道工序，因此可快速导入生产，可行性高。
[0014]2.通过三维外延侧向生长技术，在SiO2层上制备出圆锥状空腔，空腔内部介质的反射率接近1。当有源区发光后，有一部分光会直接发射出芯片，还有一部分光会在芯片内反射最后从反方向射出，造成芯片亮度降低。一般SiO2的折射率为1.48，由折射定律n1*sin
ɑ
＝n2*sinβ(
ɑ
为入射角，β为反射角，n1为入射光所在介质的折射率，n2为折射光所在介质的折射率)可知，当光线由发光层入射至图形化的SiO2层时，光线是由光密介质(氮化镓折射率为2.7)进入光疏介质，此时若发生全反射，则光的入射角要大于33.2
°
，全反射回来的光会提高芯片亮度。而若将SiO2层替换为空气，则光的入射角仅需大于21.7
°
就会发生全反射。根据模拟数据，该结构的LED芯片的亮度相较于使用SiO2蓝宝石复合衬底制备出的LED芯片理论上会再提高5％以上。
[0015]3.外延层的生长质量更高。常规蓝宝石衬底或者SiO2蓝宝石复合衬底在外延生长时图形表面会与外延层接触，对外延层产生应力，这种应力会使得外延层产生缺陷，降低外延层质量，进而降低芯片的亮度。而本专用所用的结构用空气取代了SiO2，氮化镓外延层不会被挤压产生应力，大大提高了外延层质量，进一步提升亮度。
[0016]4.提高了衬底制造效率。本专利技术的衬底蚀刻时间短，同时对黄光要求不高，因此可以极大的缩短衬底生产时间，大大提升衬底生产效率。同时，本专利技术的芯片制造过程也与目前常规生产工艺兼容，大大降低了调试成本和不确定性，具有非常好的可行性，可以大批量生产。
附图说明
[0017]图1给出本技术一种实施例的正面剖视结构示意图；
[0018]图2为图1的复合衬底结构图；
[0019]图3为理论中来自有源层的光线在SiO2层表面发生反射与折射的光路图；
[0020]图4为理论中来自有源层的光线在空气腔表面发生反射与折射的光路图。
[0021]附图标记：1、蓝宝石衬底；2、高反射薄膜；3、SiO2层；4、空腔；5、N
‑
GaN；6、有源区；7、P
‑
GaN；8、SiO2；9、P型电极；10、N型电极。
具体实施方式
[0022]下文结合附图和具体实施例对本技术的技术方案做进一步说明。
[0023]实施例
[0024]如图1
‑
4所示，本技术提出的一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的顶部有周期性分布的高反射薄膜2与SiO2层3所构成的图形，且图形化的蓝宝石衬底(蓝宝石衬底1、高反射薄膜2、SiO2层3)的顶部生长有N
‑
GaN5，N
‑
GaN5的内部具有多个空腔4，N
‑
GaN5的顶部设置有通过5
‑
10个周期In
0.2
Ga
0.8
N/GaN量子阱构成的有源区6与用于联通电源的P型电极9，有源区6的顶部生长有P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯片，包括蓝宝石衬底(1)，其特征在于：所述蓝宝石衬底(1)的顶部有周期性分布的高反射薄膜(2)与SiO2层(3)所构成的图形，且图形化的蓝宝石衬底的顶部生长有N
‑
GaN(5)，所述N
‑
GaN(5)的内部具有多个空腔(4)，所述N
‑
GaN(5)的顶部设置有通过5
‑
10个周期In
0.2
Ga
0.8
N/GaN量子阱构成的有源区(6)与用于联通电源的P型电极(9)，所述有源区(6)的顶部生长有P
‑
GaN(7)，P
‑
GaN(7)的顶部设置有SiO2(8)，SiO2(8)上安装有N型电极(10)。2.根据权利要求1所述的一种复合图形化蓝宝石衬底及LED芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯想，刘熠新，钟梦洁，卢文瑞，林赛，蔡琦，肖钱枚，熊彩浩，
申请(专利权)人：福建中晶科技有限公司，
类型：新型
国别省市：