本发明专利技术涉及蓝宝石衬底、其制造方法，采用这种蓝宝石衬底的发光二极管及其制备方法，所述蓝宝石衬底表面具有准光子晶体结构的图形结构，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例低。所述蓝宝石衬底，表面具有准光子晶体结构的图形结构，所述图形结构由子区域周期性排列而成，晶格常数为0.2～5μm，相邻子区域之间的空间为V型或类似V型，所述子区域延伸至蓝宝石衬底C面的侧壁与蓝宝石衬底C面的夹角为25～60°，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面所占比例低于20％。蓝宝石衬底的制造方法为，在蓝宝石衬底表面形成光子晶体结构，然后用磷酸/硫酸混合液对光子晶体侧壁进行各向异性腐蚀，形成准光子晶体的图形结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种。
技术介绍
以三族氮化物半导体材料(GaN、A1N、InN及其合金)为基础的发光二极管具有体积小、寿命长、效率高等优点，在通用照明、交通指示、户外全色显示、LCD背光源、家用电器指示灯等众多领域应用前景广阔。同碳化硅(SiC)与硅(Si)衬底相比，在蓝宝石衬底上外延GaN基LED材料具有技术成熟度高、成本低、可以大规模生产等优势已经被工业界广泛采用。由于蓝宝石衬底与GaN基LED材料在晶格常数与热膨胀系数方面的差异，导致LED 外延层中存在相当高的穿透位错密度(IO8 IOicicnT2)以及非常大的压缩应力。材料缺陷与内应力的存在是feiN LED技术进一步提高内量子效率以及增加晶圆尺寸的主要瓶颈。为了降低GaN LED外延材料中的缺陷密度与内应力，目前采用等离子体刻蚀(韩国专利1020080087406)与湿法化学腐蚀(中国专利CN1700449A)技术在蓝宝石上制作图形化衬底的技术，能在一定程度上降低外延层中的位错密度、提高LED的内量子效率。但是 GaN与蓝宝石界面处对入射光的反射率不高，造成大部分进入蓝宝石衬底的光不能被有效提取，从而导致LED器件的外量子效率比较低。光子晶体是折射率在光波长的尺度上成周期分布的一种结构材料，对一个含有光子晶体的发光二极管，如果发射光的频率落在光子晶体的禁带内，理论上取光效率可以达到100%。因此，在蓝宝石上制作光子晶体图形衬底，不仅可以提高发光二极管的内量子效率、释放热失配引起的残余应力，还可以提高发光二极管取光效率。然而，光子晶体图形衬底还存在几方面的不足首先，光子晶体的几何尺寸都在亚微米量级，除了对光刻技术要求苛刻之外，在外延生长时容易形成空洞，增加LED芯片的热阻，从而限制了 LED光功率的进一步提升。其次，在蓝宝石上制造的光子晶体结构不可避免地存在大面积的C面(即蓝宝石的(0001)面)。C面上形成的穿透位错最容易扩展至LED的量子阱处，导致非辐射复合。 因此，蓝宝石光子晶体结构中C面的比例必须控制在一个比较低的水平，以降低光子晶体上氮化镓外延材料的穿透位错密度。GaN材料的折射率为2. 4左右，而表面钝化层(二氧化硅)与透明封装材料(环氧树脂)的折射率约为1. 5，LED芯片内部产生严重的全反射导致大部分的光(超过50% )被束缚在LED半导体层的内部并且最终被吸收掉。为了抑制全反射提高取光效率，采用湿法化学腐蚀粗化半导体表面的方法被广泛应用。但是粗化工艺依赖于GaN材料的缺陷密度， 随着GaN外延材料质量的不断提高，粗化工艺对取光效率的改善效果也越来越有限。因此， 急需开发一种不需要在半导体有源层表面进行粗化的新方法来提高GaN LED芯片的取光效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种蓝宝石衬底，表面具有准光子晶体结构的图形结构，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例低。本专利技术还提供所述蓝宝石衬底的制造方法。本专利技术还提供采用这种蓝宝石衬底的发光二极管及所述发光二极管的制备方法。一种蓝宝石衬底，表面具有准光子晶体结构的图形结构，所述图形结构由子区域周期性排列而成，晶格常数为0. 2 5 μ m，相邻子区域之间的空间为V型或类似V型，所述子区域延伸至蓝宝石衬底C面的侧壁与蓝宝石衬底C面的夹角为25 60°，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例低于20%。上述蓝宝石衬底的制造方法为，在蓝宝石衬底表面形成光子晶体结构，然后用磷酸/硫酸混合液对光子晶体侧壁进行各向异性腐蚀，在蓝宝石衬底表面形成准光子晶体的图形结构，所述图形结构由子区域周期性排列而成，晶格常数为0. 2 5μπι，相邻子区域之间的空间为V型或类似V型，所述子区域延伸至蓝宝石衬底C面的侧壁与蓝宝石衬底C面的夹角为25 60°，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例低于20%。所述相邻子区域之间的空间为V型或类似V型是指相邻子区域之间的空间的中轴面为V型或类似V型，所述类似V型是指上述中轴面为U型或侧边为折线等类似V型的情形；所述中轴面的底边可以为两侧边的交点，或者为连接两侧边的一段水平线。当上述中轴面的底部为一个点时，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例为0%，当上述中轴面的底部为连接两侧边的一段水平线时，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底C面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例大于0%。所述准光子晶体结构具有二维的周期性排列，高度为发光波长的一半左右，其特征在于子区域的侧壁为倾斜形态，以缩小蓝宝石C面在整个衬底面积中所占比例，由此形成了上述特别的相邻子区域之间的空间形态。采用上述蓝宝石衬底的发光二极管，所述蓝宝石衬底上设有发光二极管。优选，所述发光二极管依次包括N型半导体层、量子阱层、P型半导体层、P电极，N 型半导体层上设有N电极，发光二极管露出P电极和N电极的台面及侧壁上由内到外依次设有第一透明钝化层和第二透明钝化层，所述第一透明钝化层、第二透明钝化层和发光二极管的透明封装材料的折射率顺次降低，第一透明钝化层的折射率不大于P型半导体层， 第一透明钝化层、第二透明钝化层的折射率为单一数值或由内至外梯度降低。优选第一透明钝化层与第二透明钝化层的内应力互相补偿，使得第一透明钝化层和第二透明钝化层组成的钝化层无应力，或具有轻微的张应力以抵消发光二极管半导体层内部的压应力。优选，除N型半导体的侧壁部分以，外发光二极管的台面上由内到外依次设有第一透明钝化层和第二透明钝化层，所述N型半导体层的侧壁具有粗化表面。所述的发光二极管的制造方法，包括以下步骤步骤A 在单晶蓝宝石衬底上沉积介质薄膜；步骤B 在介质薄膜上形成光子晶体图案；步骤C 将光子晶体图案转移到蓝宝石衬底；步骤D 采用各向异性腐蚀对光子晶体侧壁的角度进行调整，降低蓝宝石C面所占的比例，以获得具有准光子晶体结构的蓝宝石图形衬底；步骤E 在蓝宝石图形衬底上制作发光二极管。优选，步骤C中所述各向异性腐蚀是用磷酸/硫酸混合液对光子晶体侧壁进行各向异性腐蚀。优选，在蓝宝石图形衬底上制作发光二极管的步骤包括步骤El 在蓝宝石图形衬底上依次外延N型半导体层、量子阱层以及P型半导体层；步骤E2 沉积透明导电层，并完成P电极与N电极的制作；步骤E3 沉积第一透明钝化层与第二透明钝化层，刻蚀出P/N电极与划片走道的窗口 ；步骤E4:划片；步骤E5 选择性腐蚀所述N型半导体层的侧壁，形成粗化表面。 GaN LED的钝化层通常为PECVD沉积的二氧化硅(SW2的折射率为1. 5左右)，GaN 与SW2界面处的全反射临界角为38度。如果采用平滑的GaN表面，大部分的光被限制在 LED内部而被量子阱层吸收掉。如果采用双层透明钝化层设计，双层透明钝化层的折射率介于GaN半导体与封装材料之间，并且第一透明钝化层的折射率大于第二透明钝化层，就可以实现光通路的折射率由GaN半导体经过双层钝化层到封装材料的阶梯状递减。如果第一透明钝化层的折射率为2. 1，第二透明钝化层的折射率为1. 8，GaN LED内部的全反射临界角可以提高至61度，LED的取光效率将得到大幅度的提高，并且可以避免表面粗化工艺带来的复杂性。如果双层透明钝化层的折射率可以由GaN半导体向封装本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种蓝宝石衬底，其特征在于表面具有准光子晶体结构的图形结构，所述图形结构由子区域周期性排列而成，晶格常数为０．２～５μｍ，相邻子区域之间的空间为Ｖ型或类似Ｖ型，所述子区域延伸至蓝宝石衬底Ｃ面的侧壁与蓝宝石衬底Ｃ面的夹角为２５～６０°，所述图形结构中露出的蓝宝石衬底Ｃ面在整个蓝宝石衬底面积中所占比例低于２０％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪刚，张雄，
申请(专利权)人：江苏晶瑞半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：32
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