CN103337576A - 图形化衬底及其制造方法、led芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图形化衬底及其制造方法、LED芯片及其制造方法。该图形化衬底为：所述图形化衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有周期性交替排列的沟槽和凸起图形，所述凸起图形与所述沟槽之间具有平台阶。本发明的图形化衬底，是由两种或两种以上单一图形组合而成的复合图形，可以有效降低GaN外延生长的位错密度，提高内量子效率，同时由于本发明的图形衬底光反射面增多，可以加强光的散射，使有源层发出的光经过衬底后反射，增加出光几率；另外，在生长GaN的时候，沟槽里面GaN无法填满，会形成空隙，可以进一步增加光的反射。

Description

图形化衬底及其制造方法、LED芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种图形化衬底及其制造方法、LED芯片及其制造方法。

背景技术

PSS(Patterned Sapphire Substrate，图形化衬底)是在蓝宝石衬底上利用光刻、ICP（Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体）刻蚀等工艺，从而形成的微图形化的蓝宝石衬底。

利用图形化衬底PSS可以有效提高GaN基LED（Light Emitting Diode，发光二极管）发光效率，图形化衬底一方面能够有效的降低GaN基LED材料中的位错密度，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高LED的内量子发光效率，另一方面，由于阵列图形结构增加了光的散射，改变了LED的光学线路，进而提升了出光几率。

传统的蓝宝石衬底图形形状集中在圆锥、半球、内槽式等单一图形，限制了光提取效率的进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种图形化衬底及其制造方法、LED芯片及其制造方法，降低LED的外延生长缺陷，增加出光几率。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种图形化衬底，所述图形化衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有周期性交替排列的沟槽和凸起图形，所述凸起图形与所述沟槽之间具有平台阶。

进一步地，上述图形化衬底还可具有以下特点，所述沟槽宽度大于或等于1.5微米并且小于或等于2.5微米。

进一步地，上述图形化衬底还可具有以下特点，所述平台阶的宽度大于或等于0.5微米并且小于或等于1微米。

进一步地，上述图形化衬底还可具有以下特点，所述凸起图形为圆锥形。

进一步地，上述图形化衬底还可具有以下特点，圆锥形凸起图形的直径大于或等于2微米并且小于或等于3微米。

进一步地，上述图形化衬底还可具有以下特点，所述凸起图形为半球形。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种上述的图形化衬底的制造方法，包括：

步骤一，在蓝宝石衬底上生长一层二氧化硅薄膜；

步骤二，在所述二氧化硅薄膜上涂布一层光刻胶；

步骤三，对光刻胶层进行光刻显影，形成阵列式排列的光刻胶凸起；

步骤四，对具有光刻胶凸起的衬底进行感应耦合等离子体ICP刻蚀，将光刻胶图形复制到所述二氧化硅薄膜层，形成二氧化硅梯形薄膜层和蓝宝石衬底间隙周期性交替排列的表面；

步骤五，对所述蓝宝石衬底间隙使用三氯化硼气体进行感应耦合等离子体ICP刻蚀，形成蓝宝石沟槽；

步骤六，将经过步骤五刻蚀后的衬底结构放在缓冲氧化蚀刻剂里面腐蚀；

步骤七，腐蚀完成后用三氯化硼和四氟甲烷的混合气体对衬底进行过刻蚀，形成沟槽和凸起图形周期性交替排列的图形化衬底。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种LED芯片，所述LED芯片具有上述的图形化衬底。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种上述的LED芯片的制造方法，其特征在于，包括：

在上述的图形化衬底上依次外延生长缓冲层、非掺杂氮化镓层，硅掺杂n型氮化镓、有源发光层、镁掺杂p型氮化镓，制备成外延片；

在所述外延片上依次生长电流扩展层、正电极和负电极，形成所述LED芯片。

本发明的图形化衬底，是由两种或两种以上单一图形组合而成的复合图形，可以有效降低GaN外延生长的位错密度，提高内量子效率，同时由于本发明的图形衬底光反射面增多，可以加强光的散射，使有源层发出的光经过衬底后反射，增加出光几率；另外，在生长GaN的时候，沟槽里面GaN无法填满，会形成空隙，可以进一步增加光的反射。

附图说明

图1为本发明实施例中在蓝宝石衬底上生长SiO2后的衬底形状图；

图2为在图1所示的衬底上涂布光刻胶后的衬底形状图；

图3为在图2所示的衬底上进行光刻后的衬底形状图；

图4为在图3所示的衬底上进行CF4/CHF3+O2ICP刻蚀后的衬底形状图；

图5为在图4所示的衬底上进行BCl3ICP刻蚀后的衬底形状图；

图6为在图5所示的衬底上进行BOE腐蚀后的衬底形状图；

图7为在图6所示的衬底上经过BCl3和CF4混合气体的ICP过刻蚀后得到的最终的衬底形状图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、蓝宝石衬底，2、二氧化硅薄膜，3、光刻胶层，4、蓝宝石沟槽，5、平台阶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明所提出的图形化衬底的制造方法包括如下步骤：

步骤一，在蓝宝石衬底1上沉积一层SiO2（二氧化硅）薄膜2；

生长SiO2后的衬底形状如图1所示。

SiO2的厚度范围在大于0.5微米并且小于1微米，在BOE腐蚀时间相同的情况下，SiO2厚度越厚，台阶宽度会越大。

步骤二，在图1所示的二氧化硅薄膜2上涂布一层光刻胶；

涂布光刻胶后的衬底形状如图2所示，在图1所示的衬底基础上增加了光刻胶层3。

步骤三，对图2所示的光刻胶层3进行光刻显影，形成阵列式排列的光刻胶凸起，如图3所示；

步骤四，对具有光刻胶凸起的衬底进行ICP刻蚀，将光刻胶图形复制到二氧化硅薄膜层，形成二氧化硅梯形薄膜层和蓝宝石衬底间隙周期性交替排列的表面，如图4所示；

步骤四中，ICP刻蚀可以采用CF4（四氟甲烷）和O2（氧气）混合气体进行刻蚀，也可以采用CHF3（三氟甲烷）和O2的混合气体进行刻蚀。

经过步骤四的刻蚀后，光刻胶图形被转移到SiO2上。

步骤五，对蓝宝石衬底间隙进行BCl3（三氯化硼）刻蚀，形成蓝宝石沟槽4，如图5所示；

步骤五中，利用BCl3刻蚀SiO2速率慢，刻蚀蓝宝石速率快的特点形成蓝宝石沟槽。蓝宝石沟槽的宽度的取值范围在1.5微米至2.5微米之间。

步骤六，将经过BCl3刻蚀后的衬底结构放在BOE（缓冲氧化蚀刻剂）里面腐蚀，腐蚀完成后的衬底外观如图6所示；

经过步骤六后，形成了图6中所示的平台阶5。平台阶5的宽度的取值范围在0.5微米至1微米之间。

步骤七，腐蚀完成后用BCl3和CF4混合气体对衬底进行过刻蚀，形成最终的图形化衬底，该最终的图形化衬底的形状如图7所示。

图7中，圆锥形凸起的直径的取值范围在2微米至3微米之间。

在本发明其他实施例中，改变步骤七中的刻蚀时间和刻蚀功率可以得到半球形凸起和沟槽的复合图形。

本发明的图形化衬底的制造方法，能够制造出由两种或两种以上单一图形组合而成的复合图形的图形化衬底，该图形化衬底可以有效降低GaN外延生长的位错密度，提高内量子效率，同时由于该图形衬底光反射面增多，可以加强光的散射，使有源层发出的光经过衬底后反射，增加出光几率；另外，在生长GaN的时候，沟槽里面GaN无法填满，会形成空隙，可以进一步增加光的反射。

由上可见，本发明的图形化衬底能够降低发光二极管的外延生长缺陷，增加出光几率。

如图7所示，本发明的图形化衬底为蓝宝石衬底，该蓝宝石衬底上具有周期性交替排列的沟槽和凸起图形，凸起图形与沟槽之间具有平台阶5。

其中，沟槽的宽度的范围在1.5微米至2.5微米之间。平台阶的宽度的取值范围在0.5微米至1微米之间。

本发明的图形化衬底，是由两种或两种以上单一图形组合而成的复合图形，可以有效降低GaN外延生长的位错密度，提高内量子效率，同时由于本发明的图形衬底光反射面增多，可以加强光的散射，使有源层发出的光经过衬底后反射，增加出光几率；另外，在生长GaN的时候，沟槽里面GaN无法填满，会形成空隙，可以进一步增加光的反射。

本发明还提出了一种LED芯片，该LED芯片具有本发明上述的图形化衬底。

本发明的LED芯片既适用于正装结构，也适用于倒装结构。

本发明的LED芯片，具有由两种或两种以上单一图形组合而成的复合图形的图形化衬底，能够降低发光二极管的外延生长缺陷，增加出光几率。

本发明还提出了一种LED芯片的制造方法，该方法用于制造本发明提出的LED芯片，该方法包括：

在本发明提出的图形化衬底上依次外延生长缓冲层、非掺杂氮化镓层，硅掺杂n型氮化镓、有源发光层、镁掺杂p型氮化镓，制备成外延片；

在外延片上依次生长电流扩展层、正电极和负电极，形成LED芯片。

本发明的LED芯片的制造方法，制造出的LED芯片外延生长缺陷少，出光几率较大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图形化衬底，其特征在于，所述图形化衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有周期性交替排列的沟槽和凸起图形，所述凸起图形与所述沟槽之间具有平台阶。

2.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述沟槽宽度大于或等于1.5微米并且小于或等于2.5微米。

3.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述平台阶的宽度大于或等于0.5微米并且小于或等于1微米。

4.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述凸起图形为圆锥形。

5.根据权利要求4所述的图形化衬底，其特征在于，圆锥形凸起图形的直径大于或等于2微米并且小于或等于3微米。

6.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述凸起图形为半球形。

7.一种权利要求1所述的图形化衬底的制造方法，包括：

步骤一，在蓝宝石衬底上生长一层二氧化硅薄膜；

步骤二，在所述二氧化硅薄膜上涂布一层光刻胶；

步骤三，对光刻胶层进行光刻显影，形成阵列式排列的光刻胶凸起；

步骤四，对具有光刻胶凸起的衬底进行感应耦合等离子体ICP刻蚀，将光刻胶图形复制到所述二氧化硅薄膜层，形成二氧化硅梯形薄膜层和蓝宝石衬底间隙周期性交替排列的表面；

步骤五，对所述蓝宝石衬底间隙使用三氯化硼气体进行感应耦合等离子体ICP刻蚀，形成蓝宝石沟槽；

步骤六，将经过步骤五刻蚀后的衬底结构放在缓冲氧化蚀刻剂里面腐蚀；

步骤七，腐蚀完成后用三氯化硼和四氟甲烷的混合气体对衬底进行过刻蚀，形成沟槽和凸起图形周期性交替排列的图形化衬底。

8.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片具有权利要求1所述的图形化衬底。

9.一种权利要求8所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，包括：

在权利要求1所述的图形化衬底上依次外延生长缓冲层、非掺杂氮化镓层，硅掺杂n型氮化镓、有源发光层、镁掺杂p型氮化镓，制备成外延片；

在所述外延片上依次生长电流扩展层、正电极和负电极，形成所述LED芯片。

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