CN102185069B - 具有多重环带结构分布图形的衬底及其制法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种具有多重环带结构的图形LED衬底及其制备方法和应用，所述图形LED衬底的图形由阵列排布的多个多重环带单胞结构组成，每一个多重环带单胞结构包含多个同心的由大到小嵌套的环形凸起脊，相邻环形凸起脊之间由曲面结构连接，环带结构中心为凸起或凹陷结构。本发明适用于制备发光二极管和用于生长GaN基外延材料，可以将外延生长时的位错缺陷分布在环形顶部上，消除了外延生长过程中的位错集中，避免出现局部高位错密度缺陷区，提高了LED器件的抗静电击穿能力和寿命。此外，环带结构还可以在获得高取光效率的同时降低对刻蚀深度的要求，降低图形LED衬底的制作成本，减小外延生长时间，提高生产效率和产品的性能，降低LED成本。

Description

具有多重环带结构分布图形的衬底及其制法与应用

技术领域

本发明涉及应用于GaN等半导体材料生长领域的一种衬底结构，尤其涉及一种可有效控制和降低GaN材料生长时位错集中并提高LED发光效率的LED微纳米衬底结构。 

背景技术

发光二极管（LED）是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。近年来，随着GaN基蓝光、绿光和紫外光LED技术飞速发展，LED已经大量应用于交通指示、装饰照明和LCD背光等领域。即使是在普通照明领域，LED也具有替代传统照明光源的巨大潜力和趋势。作为新一代光源，LED具有体积小、重量轻、节能、环保、绿色健康和长寿命等优点。LED的发光效率、可靠性和成本是决定LED能否取代传统照明光源的几个关键因素。如果不能实现高可靠、长寿命的LED光源，即使光效再好，高昂的维护成本必然限制其应用。 

LED的发光效率由内量子效率和取光效率两种效率转换形式进行表述。内量子效率主要取决于外延材料的质量及外延层的结构，取光效率则取决于衬底、芯片结构及封装技术。由于GaN材料与常用衬底材料蓝宝石或者Si之间的晶格失配较大，导致在蓝宝石或者Si衬底上生长-的GaN晶体具有较高的位错密度，造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，使得器件内量子效率下降，同时也降低了LED的可靠性。另一方面由于GaN材料折射率高于蓝宝石衬底、空气以及外部封装树脂，有源区产生的光子有70%在GaN层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的取光效率，光在多次反射过程中也被电极和有源区材料吸收并产生大量热量，影响了器件工作的稳定性。 

为了提高GaN基LED的内量子效率和取光效率，解决办法之一是在外延生长制备LED芯片的GaN材料之前，先在Si或者蓝宝石衬底上制备微纳米结构，改变衬底上GaN材料的外延生长过程，抑制材料中位错的向上延伸，提高器件内量子效率。同时合理的微纳米结构能使原本在临界角范围外的光线通过微纳米结构的反射重新进入到临界角内出射到芯片外部，提高了取光效率。 

目前，在Si或者蓝宝石衬底上制备的微纳米图形的结构基本是相互孤立的凸起点，这些孤立的凸起点的结构形状为半球形、圆锥、三角棱锥、多面棱锥等，单元结构之间为平面，如图1所示，为圆锥状结构的蓝宝石图形衬底的SEM照片。含有上述结构的Si或者蓝宝石衬底，为了获得最佳取光效率，需要微纳米结构具有一定的刻蚀深度。如果能够设计一种图形结构，使得在获得高取光效率的同时降低对刻蚀深度的要求，不仅能够降低图形衬底的制作成本，还能够缩短外延生长时间，进而提高生产效率，降低LED成本，促进LED照明技术的普及推广。此外，孤立凸起结构在外延时易在凸起结构顶点区域产生位错集中，局部形成高密度位错缺陷区或空洞，产生降低LED在大电流驱动下的内量子效率、降低器件的抗静电击穿能力和降低器件可靠性、寿命的问题。 

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种具有多重环带结构分布图形的LED衬底及其制法与应用，解决外延生长GaN等晶体材料时的位错集中的现象，提高外延晶体的质量，提高器件的抗静电击穿性能。 

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现： 

具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其特征在于：所述LED衬底的图形由阵列排布的多个多重环带单胞组成，其中每一个所述多重环带单胞包含多个由大到小相嵌套的环形凸起脊，相邻两个环形凸起脊之间由曲面连接，环带结构中心为凸起或凹陷结构。

进一步的，上述具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其中阵列排布方式可以为四方排列、六方排列或者蜂窝排列中的任何一种，相邻多重环带单胞之间由平面或曲面连接，且其单胞中心间距介于0.3μm～20μm。 

进一步的，上述具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其中所述多重环带单胞总体尺寸为0.2μm～18μm，包含1～400个、同心的环形凸起脊，相邻环形凸起脊顶点之间的距离为0.1μm～9μm，且所述环形凸起脊的轴截面为梯形，或顶点与底边两个端点之间由两条曲线连接的曲边形。 

进一步的，上述具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其中曲边形的顶角为20°～160°，底边长度为0.1～9μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.15～4μm。 

上述具有多重环带结构分布图形的LED衬底的制备方法，包括以下步骤： 

步骤一：清洗：将浓硫酸和双氧水的混合溶液清洗蓝宝石衬底，用去离子水冲洗干净，吹干并进行脱水烘焙；

步骤二：光刻：在步骤一中清洗后的蓝宝石衬底上涂覆光刻胶，进行前烘，然后在紫外光下进行曝光，显影；

步骤三：刻蚀：以BCl₃/Cl₂作为刻蚀剂，利用ICP刻蚀技术对步骤二中得到的蓝宝石衬底进行刻蚀；

步骤四：去胶：将步骤三中刻蚀完的蓝宝石图形衬底依次用丙酮、乙醇超声处理，用去离子水冲洗干净并吹干，即得所需图形的LED衬底。

本发明适用于制备发光二极管和用于生长GaN基外延材料，可以将外延生长时的位错缺陷分布在环形顶部上，消除了外延生长过程中的位错集中，避免出现局部高位错密度缺陷区，提高了LED器件的抗静电击穿能力和寿命。此外，采用本发明提出的环带结构在降低刻蚀深度要求的同时还可以获更高的取光效率，降低了图形LED衬底的制作成本，减小外延生长时间，提高生产效率，降低LED成本，促进LED照明技术的普及推广。 

附图说明

图1是现有技术中具有圆锥状结构的蓝宝石图形衬底结构的电镜照片； 

图2是本发明一较佳实施例1的结构示意图；

图3a是本发明一较佳实施例1的多重环带单胞结构的示意图；

图3b是本发明一较佳实施例1的多重环带单胞结构的剖视图；

图4是本发明一较佳实施例4的结构示意图。

具体实施方式

本发明为改善外延生长晶体和LED器件性能，针对衬底结构深入研究，提出了一种具有多重环带结构分布图形的LED衬底，该LED衬底的图形由阵列排布的多个多重环带单胞组成，其中每一个多重环带单胞包含多个由大到小相嵌套的环形凸起脊，相邻两个环形凸起脊之间由曲面连接，环带结构中心为凸起或凹陷结构。从细化的参数结构来看： 

①、相邻多重环带单胞之间由平面或曲面连接，且其单胞中心间距介于0.3μm～20μm。

②、多重环带单胞总体尺寸为0.2μm～18μm，包含1～400个、同心的环形凸起脊，相邻环形凸起脊顶点之间的距离为0.1μm～9μm，且所述环形凸起脊的轴截面为梯形，或顶点与底边两个端点之间由两条曲线连接的曲边形。该曲边形的顶角为20°～160°，底边长度为0.1μm～9μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.15μm～4μm。 

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。 

实施例1

如图2所示，本实施例的图形LED衬底由多个六方排列的多重环带单胞结构组成，相邻多重环带单胞结构之间由平面结构连接，且相邻多重环带单胞结构中心之间的间距为0.5μm～5μm，如图3a和图3b所示，每一多重环带单胞结构包含2个同心的环形凸起脊，且其总体尺寸为0.4μm～4μm，相邻环形凸起脊之间由曲面结构连接，且相邻环形凸起脊顶点之间的距离为0.2μm～2μm，环带结构中心为凹陷结构。环形凸起脊的垂直截面为顶点与底边两个端点之间各由两条曲线连接的曲边形截面结构。所述曲边形截面的顶角为20°～160°，底边长度为0.1μm～1μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.1μm～2μm。

本实施例的蓝宝石图形衬底微纳米结构的制备工艺如下： 

（1）清洗：利用浓H₂SO₄:H₂O₂清洗蓝宝石衬底，然后用大量去离子水冲洗干净、吹干，并进行脱水烘焙；

（2）光刻：首先在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶、前烘，然后在紫外光下进行曝光，显影；

（3）刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤（2）的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中选择Cl基气体进行刻蚀；

（4）去胶：将刻蚀完的蓝宝石图形衬底用丙酮、乙醇超声处理，然后用大量去离子水冲洗干净并吹干。

实施例2

与上述实施例相似：相邻多重环带单胞结构中心之间的间距为1μm，每一多重环带单胞结构包含2个同心的环形凸起脊，且其总体尺寸为4μm，相邻环形凸起脊之间由曲面结构连接，且相邻环形凸起脊顶点之间的距离为1μm，环带结构中心为凹陷结构。环形凸起脊的垂直截面为曲边三角形。所述曲边三角形截面的顶角为60°，底边长度为1μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为1.5μm。

实施例3

与上述实施例相似：相邻多重环带单胞结构中心之间的间距为20μm，每一多重环带单胞结构包含9个同心的环形凸起脊，且其总体尺寸为18μm，相邻环形凸起脊之间由曲面连接，且相邻环形凸起脊顶点之间的距离为1μm，环带结构中心为凹陷结构。环形凸起脊的垂直截面为顶点与底边两个端点之间各由两条曲线连接的曲边形截面结构。所述曲边形截面的顶角为120°，底边长度为1μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.8μm。

实施例4

如图4所示，本实施例的图形LED衬底由多个六方排列的多重环带单胞结构组成，相邻多重环带单胞结构之间由平面结构连接，且相邻多重环带单胞结构中心之间的间距为0.4μm～20μm，每一多重环带单胞结构包含1个环形凸起脊和一个中心凸起结构，且其总体尺寸为0.3μm～18μm。多重环带单胞结构中凸起脊与中心凸起结构之间由曲面结构连接，且中心凸起结构顶点与最近邻环形凸起脊顶点之间的距离为0.1μm～6μm。环形凸起脊的垂直截面为顶点与底边两个端点之间各由两条曲线连接的曲边形截面结构。所述曲边形截面的顶角为20°～160°，底边长度为0.1μm～6μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.1μm～4μm。

本实施例的蓝宝石图形衬底微纳米结构的制备工艺如下： 

（1）清洗：利用浓H₂SO₄:H₂O₂清洗蓝宝石衬底，然后用大量去离子水冲洗干净、吹干，并进行脱水烘焙；

（2）光刻：首先在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶、前烘，然后在紫外光下进行曝光，显影；

（3）刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤（2）的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中选择BCl3/Cl2作为刻蚀剂；

（4）去胶：将刻蚀完的蓝宝石图形衬底用丙酮、乙醇超声处理，然后用大量去离子水冲洗干净并吹干。

适用于制备发光二极管和用于生长GaN基外延材料，较之于传统孤立凸起结构的LED图形衬底外延生长GaN等材料时，先在底部平面区成核，然后GaN材料逐渐向上生长，产生的位错在凸起结构顶部区域集中，从而导致局部高位错密度缺陷区和孔洞缺陷的技术不同，可以将外延生长时的位错缺陷分布在环形顶部上，消除了外延生长过程中的位错集中，避免出现局部高位错密度缺陷区，提高了LED器件的抗静电击穿能力和寿命。此外，采用本发明提出的环带结构在降低刻蚀深度要求的同时还可以获更高的取光效率，降低了图形衬底的制作成本，减小外延生长时间，提高生产效率，降低LED成本，促进LED照明技术的普及推广。 

以上仅是本发明的两个较佳应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。实际上，本领域技术人员经由本发明技术方案之启示，亦可想到采用上述方案制备具有四方排列和蜂窝排列的环带结构。但是，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。 

Claims (6)

1.具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其特征在于：所述LED衬底的图形由阵列排布的多个多重环带单胞组成，其中每一个所述多重环带单胞包含多个由大到小相嵌套的环形凸起脊，相邻两个环形凸起脊之间由曲面连接，环带结构中心为凸起或凹陷结构。

2.根据权利要求1所述的具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其特征在于：相邻多重环带单胞之间由平面或曲面连接，且其单胞中心间距介于0.3μm～20μm。

3.根据权利要求1所述的具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其特征在于：所述多重环带单胞总体尺寸为0.2μm～18μm，包含1～400个、同心的环形凸起脊，相邻环形凸起脊顶点之间的距离为0.1μm～9μm，且所述环形凸起脊的轴截面为梯形，或顶点与底边两个端点之间由两条曲线连接的曲边形。

4.根据权利要求3所述的具有多重环带结构分布图形的LED衬底，其特征在于：曲边形的顶角为20°～160°，底边长度为0.1～9μm，截面顶点与底边之间的垂直距离为0.15～4μm。

5.一种权利要求1所述具有多重环带结构分布图形的LED衬底的制备方法，其特征在于包括步骤：

步骤一：清洗：将浓硫酸和双氧水的混合溶液清洗蓝宝石衬底，用去离子水冲洗干净，吹干并进行脱水烘焙；

步骤二：光刻：在步骤一中清洗后的蓝宝石衬底上涂覆光刻胶，进行前烘，然后在紫外光下进行曝光，显影；

步骤三：刻蚀：以BCl₃/Cl₂作为刻蚀剂，利用ICP刻蚀技术对步骤二中得到的蓝宝石衬底进行刻蚀；

步骤四：去胶：将步骤三中刻蚀完的蓝宝石图形衬底依次用丙酮、乙醇超声处理，用去离子水冲洗干净并吹干，即得所需图形的LED衬底。

6.权利要求1所述具有多重环带结构分布图形的LED衬底的应用，其特征在于：制备发光二极管和生长GaN基外延材料时运用所述具有环带结构分布图形的LED衬底。

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