CN102683532A - 一种含有图形化dbr结构的衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图形化DBR结构的衬底，是在衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为6-20μm，在DBR图形中交替蒸镀高低折射率的介质膜。在该结构的衬底上生长外延薄膜晶体质量高、缺陷少，芯片器件出光效率高，适合大功率高亮度LED器件制备应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种改良的衬底结构，特别涉及一种含有图形化DBR结构的衬底，用于半导体发光二极管。
背景技术
半导体发光器件包括发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。LED应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；环保效益更佳，由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有有害辐射，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，没有污染；同时控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光强度，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。LED由于具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，被称为第四代照明光源或绿色光源，可广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
近年来，LED逐渐扩展到通用照明领域，从证券行情到股票机，从笔记本电脑到数码相机，从PDA到手机，从室内照明到汽车车灯，LED无处不在。世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月提出发展中国的半导体照明计划。
照明用白光LED多是以蓝色GaN LED为基础光源，将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光，一部分蓝色光透射出来，与荧光粉发出的黄绿光或红光和绿光组成白光。提高白光LED光效，最主要是增加其核心器件蓝色LED的出光效率，而LED效率一般包括内量子效率和外量子效率。内量子效率是指电子空穴对在LED有源区复合产生光子的效率；外量子效率是指有源区产生的光子引出LED后的总效率。内量子效率主要由外延材料结构和质量有关，外延生长过程中品格匹配、材料掺杂、PN结位移等均会影响整体LED的电子空穴的复合光子的效率，另外材料中的非辐射复合很大程度影响发光器件结温对内量子效率关联较大。LED外量子效率，即出光效率，主要在减少器件各中材料对光吸收、增大出光角度、提高光出射的有效面积和方向等方面需要进行优化。在提高LED出光效率的诸多技术中，大多是外延生长结构、晶体生长质量、芯片外观形貌、工艺粗化、背面反射镜、光子晶体等方面进行优化。在图形衬底上生长外延晶体匹配度高材料横向外延生长缺陷少，整体LED材料质量高电子空穴复合内量子效率高，图形化衬底使得光散射导致出光面积提高，采用图形衬底外延的LED器件相比普通衬底外延LED器件出光效率提高30％以上。日本的日亚化学2002年在美国专利US6870191提出了图形化蓝宝石衬底(PSS)的半导体发光二极管。指出在凹凸结构的基板上生长的LED器件通过散射或衍射发光区域中产生的光提高光出射，一方面凹或凸的结构形状可很大程度避免半导体层中产生晶体缺陷。到目前为止图形化衬底上生长外延结构已成为GaN蓝绿光高光效LED的普遍工艺，关于PSS的制备、结构、外延生长等方面的专利、文章报道很多，仅在中国申请的PSS专利已近50项。
为了提高LED器件出光效率，近年来有利用设计多层介质反射膜提高器件出光的方法报道。CN101197417A(CN200810055710.9)公开了一种氮化镓基发光二极管芯片，涉及在减薄的芯片背面蒸镀反射膜，提高发光二极管光取出效率的方法，其中反射膜包括介质膜和金属膜，介质膜成分为氧化硅和氧化钛结构。该专利从提高二极管芯片背向反射出光，利用透明无吸收高低折射率布拉格介质反射膜对LED芯片的光产生高反射，辅助金属反射膜提高宽波范围反射，以提高芯片整体反射率。
光子晶体即一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人造晶体，光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响，破坏光子晶体的周期性结构时，如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强，利用光子晶体可以控制原子的自发辐射的特性，可以制作宽频带、低损耗的光反射镜，可以制作高效率的发光二极管。2003年，松下电器产业根据光子晶体原理开发成功GaN蓝色发光二极管芯片，该产品通过在蓝色LED芯片表面大量设置基于P型GaN的直径1.5μm、高约0.5μm的圆柱状凸部(折射率2.5)，形成凸部和凹部的空气层(折射率1.0)沿水平方向排列的光子晶体。照射到光子晶体中的光线因其周期性折射率分布而使光线发生衍射，使原先全反射的光违反折射定律而出射。
图形化衬底外延结构、布拉格介质反射膜、光子晶体分别从晶体质量、光反射出光、衍射增大出光角度等方面对提高半导体发光二极管光提取效率给出技术方案，如何将这些提高光效的技术方案有机结合，更大程度的提高半导体发光管的整体光效，是今后半导体照明产业快速应用发展的方向。
发明内容
针对现有提高LED出光效率的技术不足，本发明提供一种含有图形化DBR结构的衬底。
本发明还提供一种含有图形化DBR结构的衬底的制备方法及应用。
发明概述：
本发明的衬底结构特点是：生长外延结构前的衬底，先通过半导体工艺技术在衬底上制作出一系列的高低折射率周期分布的介质图形，该图形类似PSS周期性分布，显露的衬底用来生长GaN薄膜，高低折射率周期分布的介质部分用来反射LED的发光。
在该结构的衬底上再进行MOCVD外延生长，具有PSS生长外延低缺陷、高晶体质量的特点，同时因衬底上DBR结构可以反射有源层射向衬底的光，有效提高背向光反射和增强光辐射出射效率。
术语解释：
DBR，分布式布拉格反射镜的常规简称。
PSS：图形化蓝宝石衬底的常规简称。
LED：发光二极管的简称。
DBR图形的周期：两个相邻图形中心之间的距离；即圆形DBR周期为两相邻圆心的间距，非圆形DBR周期为相邻两个图形各角共有圆圆心之间的间距。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种含有图形化DBR结构的衬底，其中：在衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为6-20μm，图形尺寸为3-10μm，在DBR图形中以TiO2、SiO2、Al2O3、Ta2O5、Zr2O中的两种或三种为介质膜材，交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为2-15个。
根据本发明，优选的，所述DBR图形为正方形、圆形、六角形或三角形，所述图形尺寸是指正方形的边长，或者圆形的直径，六角形或正三角形各角所共有的圆的直径。
根据本发明，优选的，所述每个周期的介质膜层光学厚度为外延LED有源量子阱发射主波长的四分之一。
根据本发明优选的，所述衬底是Al2O3衬底或SiC衬底，所述衬底厚度为200-500μm。Al2O3衬底或SiC衬底为生长GaN外延结构的常用衬底，其器件已经广泛应用，另外在上述两种衬底上利用SiO2掩膜外延生长器件也比较成熟。
本发明优选的，以TiO2与SiO2介质膜材交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为3-5个。
进一步优选的，所述介质膜为TiO2和SiO2交替使用，电子束蒸发台设定真空10-7torr压力下，温度在120℃交替蒸镀TiO2、SiO2介质膜，交替周期为3个，即3对TiO2、SiO2介质膜共6层。TiO2和SiO2的折射率分别为2.35和1.46。LED器件中心主波长460nm，介质膜的每个周期内的TiO2和SiO2厚度分别为489A、789A。
本发明选择ZrO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、SiO2为介质膜材。选择这类无吸收稳定性好的介质膜材，可与GaN外延生长高温耐受性和化学稳定性达成一致，有利于整体器件各层的稳定性。
本发明含有图形化DBR结构的衬底的制备方法，步骤如下：
(1)制作光刻胶图形化衬底
在Al2O3衬底或SiC衬底上，通过电子束曝光或紫外曝光技术制出周期性的光刻胶图形，图形周期为6-20μm，图形尺寸为3-10μm；图形为方形、圆型、六角型或正三角型形状。
(2)制作无吸收介质膜DBR结构
在上述步骤(1)制得的光刻胶图形化衬底上，蒸镀高低折射率交替的无吸收介质膜形成DBR结构；所述无吸收介质膜材料选自Ta2O5、ZrO2、Al2O3、TiO2、SiO2中的两种或三种交替蒸镀，周期为2-15个。每个周期介质膜厚度为外延LED有源量子阱发射主波长四分之一。
(3)剥离
将步骤(2)制得的衬底上图形以外区域的光刻胶及介质膜剥离掉并清洗干净。所得Al2O3衬底或SiC衬底上形成一个个图形尺寸在3-10μm、周期为6-20μm的DBR图形结构。
根据本发明的方法，进一步优选的，步骤(1)中所述的光刻胶图形高度1-3μm。
根据本发明的方法，进一步优选的，步骤(2)中所述的无吸收介质膜为TiO2和SiO2交替使用，电子束蒸发台设定真空10-7torr压力下，温度在120℃交替蒸镀TiO2、SiO2介质膜，交替周期为3个，即3对TiO2、SiO2介质膜共6层。TiO2和SiO2的折射率分别为2.35和1.46。LED器件中心主波长460nm，介质膜的每个周期内的TiO2和SiO2厚度分别为489A、789A。
本发明的含有图形化DBR结构的衬底的应用
在本发明的含有图形化DBR结构的衬底上，按现有技术生长LED外延结构，并进行芯片制作，制备出LED管芯。
一种LED管芯，包括本发明的含有图形化DBR结构的衬底。
本发明在衬底上制备图形化DBR结构，在该结构上生长外延层因为DBR介质膜存在外延生长过程为高质量GaN材料横向外延生长晶体质量高，材料缺陷少。另一方面因为DBR介质膜在原衬底和GaN外延层之间插入，缓解了GaN外延层薄膜与蓝宝石衬底之间应力失配，外延薄膜晶体质量比常规图形衬底更优。
在本发明的图形化DBR结构衬底上外延制备LED管芯结构，其管芯出光方面除了具有PSS LED管芯结构出光的特点外，凸点DBR图形很大程度上无吸收反射了背向光，增强了光辐射强度，增大出射面，提高出光效率。
与现有提高出光技术的工艺相比本发明的创新点在于：将图形化衬底和DBR反射膜完好结合，有效提高外延生长薄膜质量，提高光出光效率20％以上。
附图说明
图1本发明的衬底结构示意图。衬底上面制备图形化DBR结构。
图2是本发明实施例1衬底的俯视图，其中，11、DBR图形周期，两相邻圆心的间距。
图3是应用本发明衬底外延制备的LED管芯结构光出射示意图。图中带箭头的直线表示光出射方向。其中，1、衬底，2、图形化DBR，3、N型层，4、P型层，5、有源区，6、P电极，7、N电极。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种含有图形化DBR结构的衬底，如图1-2所示，其中：在SiC衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为10μm，图形为圆形直径为6μm，在DBR图形中以TiO2、SiO2为介质膜材，交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为3个，共6层。
制备方法如下：
(1)在SiC衬底上通过光刻掩模方式制备图形衬底光刻胶结构，其中：图形周期为10μm，图形为圆形，直径为6μm，高度3μm；
(2)在上述图形衬底的圆台上用电子束蒸发方式蒸镀高低折射率的介质反射膜，其中介质膜材料TiO2和SiO2，介质膜系设计光学厚度每个周期的膜厚为LED量子阱发射光主波长的四分之一；电子束蒸发台设定真空10-7torr压力下，温度在120℃交替蒸镀TiO2和SiO2介质膜，周期为3对；TiO2和SiO2的折射率分别为2.35和1.46。LED器件中心主波长460nm，介质膜的每个周期内的TiO2和SiO2厚度分别为489A、789A。
(3)剥离将步骤(2)制得的衬底上图形以外区域的光刻胶及介质膜剥离掉并清洗干净。所得SiC衬底上形成一个个图形尺寸在6μm、周期为10μm的DBR图形结构。
实施例2：含有实施例1图形化DBR结构衬底的LED管芯器件
在实施例1处理干净的图形化DBR结构衬底上，利用MOCVD技术生长LED外延结构，并进行芯片制作，制备出LED管芯器件；如图3所示。
实施例3：
一种含有图形化DBR结构的衬底，其中：在Al2O3衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为15μm，图形为六角形，六角所在圆的直径为8μm，在DBR图形中以TiO2、Ta2O5、SiO2为介质膜材，交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为4个，共12层。
制备方法，步骤如下：
(1)在Al2O3衬底上通过光刻掩模方式制备图形衬底光刻胶结构，其中：图形周期为15μm，图形为圆形，直径为8μm，高度2μm。
(1)蒸镀无吸收高反射DBR介质膜TiO2、Ta2O5、SiO2的复合的膜
在步骤(1)制得的Al2O3衬底上，用电子束蒸发方式蒸镀高低折射率交替的无吸收介质膜形成DBR结构；所述无吸收介质膜材料选自TiO2、Ta2O5、SiO2三种交替使用，交替周期为4个，每周期介质膜厚度为外延LED有源量子阱发射波长四分之一。TiO2、Ta2O5、和SiO2的折射率分别为2.35、2.06和1.46。
(3)将步骤(2)制得的衬底上图形以外区域的光刻胶及介质膜剥离掉并清洗干净。所得SiC衬底上形成一个个图形尺寸在8μm、周期为15μm的DBR图形结构。
Claims (10)
1.一种含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，在衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为6-20μm，图形尺寸为3-10μm，在DBR图形中以TiO2、SiO2、Al2O3、Ta2O5、Zr2O中的两种或三种为介质膜材，交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为2-15个。
2.根据权利要求1所述的含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，所述DBR图形为正方形、圆形、六角形或三角形，所述图形尺寸是指正方形的边长，或者圆形的直径，六角形或正三角形各角所共有的圆的直径。
3.根据权利要求1所述的含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，所述每个周期的介质膜层光学厚度为外延LED有源量子阱发射主波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，所述衬底是Al2O3衬底或SiC衬底，所述衬底厚度为200-500μm。
5.根据权利要求1所述的含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，以TiO2与SiO2介质膜材交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为3-5个。
6.根据权利要求5所述的含有图形化DBR结构的衬底，其特征在于，所述介质膜为TiO2和SiO2，电子束蒸发台设定真空10-7torr压力下，温度在120℃交替蒸镀TiO2、SiO2介质膜，交替周期为3个；TiO2和SiO2的折射率分别为2.35和1.46；LED器件中心主波长460nm，介质膜的每个周期内的TiO2和SiO2厚度分别为489A、789A。
7.一种含有图形化DBR结构的衬底的制备方法，步骤如下：
(1)制作光刻胶图形化衬底
在Al2O3衬底或SiC衬底上，通过电子束曝光或紫外曝光技术制出周期性的光刻胶图形，图形周期为6-20μm，图形尺寸为3-10μm；图形为方形、圆型、六角型或正三角型形状；
(2)制作无吸收介质膜DBR结构
在上述步骤(1)制得的光刻胶图形化衬底上，蒸镀高低折射率交替的无吸收介质膜形成DBR结构；所述无吸收介质膜材料选自Ta2O5、ZrO2、Al2O3、TiO2、SiO2中的两种或三种交替蒸镀，周期为2-15个；每个周期介质膜厚度为外延LED有源量子阱发射主波长四分之一；
(3)剥离
将步骤(2)制得的衬底上图形以外区域的光刻胶及介质膜剥离掉并清洗干净；所得Al2O3衬底或SiC衬底上形成一个个图形尺寸在3-10μm、周期为6-20μm的DBR图形结构。
8.根据权利要求7所述的含有图形化DBR结构的衬底的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的无吸收介质膜为TiO2和SiO2交替使用，电子束蒸发台设定真空10-7torr压力下，温度在120℃交替蒸镀TiO2、SiO2介质膜，交替周期为3个，即3对TiO2、SiO2介质膜共6层；TiO2和SiO2的折射率分别为2.35和1.46；LED器件中心主波长460nm，介质膜每个周期中TiO2和SiO2的厚度分别为489A、789A。
9.权利要求1-6任一项所述的含有图形化DBR结构的应用，在所述含有图形化DBR结构的衬底上，按现有技术生长LED外延结构，并进行芯片制作，制备出LED管芯。
10.一种LED管芯，包括权利要求1-6任一项所述的含有图形化DBR结构的衬底。
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