CN103855257B - 蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法，先于蓝宝石衬底表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形；然后采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形，最后于该蓝宝石衬底表面制作发光二极管。本发明具有以下有益效果：本发明在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证外延生长时能够侧向生长出高质量的单晶晶体；增加了图形衬底的图形占空比，从而有效地增加了发光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点,在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用.尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明,引起人类照明史的革命,从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点.为了获得高亮度的LED,关键要提高器件的内量子效率和外量子效率.目前,芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素,其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大,导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。
目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法,主要包括:改变芯片的几何外形,减少光在芯片内部的传播路程,降低光的吸收损耗,如采用倒金字塔结构;控制和改变自发辐射,通常采用谐振腔或光子晶体等结构;采用表面粗糙方法,使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射,增加其投射的机会等。由于发光二极管芯片的衬底对芯片的发光效率有很大的影响，为减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收,可制备具有凸形微结构的发光二极管芯片衬底，该微结构还可有效改善外延生长的缺陷，即图形衬底。
中国专利公开号为CN101325237，公开日为2008年12月17日，名称为“一种发光二极管芯片及其制造方法”的申请案公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，该方法包括：制备衬底，在该衬底的上表面上形成多个凹凸微结构；在该衬底的上表面上形成缓冲图案层，该缓冲图案层具有多个分别与衬底上的所述凹凸微结构相对应的凹凸微结构；在该缓冲图案层上形成n型半导体层；在该n型半导体层的一部分上形成发光层；在该发光层上形成p型半导体层；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。该发明可以提高发光二极管芯片的发光效率。
然而，为了制备出出光效率更高的LED芯片，研究人员通过改变图形衬底的图形周期来增加界面反射面积和减少成核缺陷面积，提高出光效率。目前图形衬底经历的几个图形规格有3μm（底宽）*3μm（间距）*1.8μm（高度）、4μm（底宽）*2μm（间距）*1.8μm（高度）、3μm（底宽）*2μm（间距）*1.8μm（高度）、2μm（底宽）*1μm（间距）*1.5μm（高度）、2.4μm（底宽）*0.6μm（间距）*1.5μm（高度）等各种规格，这样不断的缩小图形周期和图形之间的间距实际上是改变图形的占空比，即是衬底表面有图形区域与没图形区域的比值。但是这个占空比的增加会涉及到图形制作工艺的可行性，以及在此衬底上生长外延层的可行性，具体点讲是：1、图形周期不断的缩小的话，对光刻工艺线宽实现不了；2、图形底宽增大的话，在长外延侧向生长时会因宽度过宽而桥接不了；3、间距太小的话，在长外延层时会因成核面积较小而无法成长出高质量的单晶层。
鉴于此，实有必要提供一种图形占空比优良的图形衬底，以制备出一种高效出光发光二极管芯片。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法，用于解决现有技术中由于图形衬底占空比不佳导致图形衬底制备工艺难度过高、发光二极管外延生长质量低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种蓝宝石图形衬底的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形；
2）采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形。
作为本发明的蓝宝石图形衬底的制备方法的一种优选方案，步骤1）中，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为4μm、间距为1μm、直径为3μm、高度为2.3~2.6μm的圆柱体光刻胶图形。
作为本发明的蓝宝石图形衬底的制备方法的一种优选方案，步骤2）中，形成周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形。
本发明还提供一种蓝宝石图形衬底，表面具有周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形。
作为本发明的蓝宝石图形衬底的一种优选方案，表面具有周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形。
本发明还提供一种发光二极管的制造方法，所述制造方法至少包括以下步骤：
1）提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形；
2）采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形；
3）于所述蓝宝石衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构；
4）制作光刻图形，并刻蚀所述P型层、量子阱层及部分的N型层形成N电极制备区域；
5）于所述P型层表面形成透明导电层，于该透明导电层表面制作P电极，并于所述N电极制备区域制备N电极。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案，步骤1）中，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为4μm、直径为3μm、间距为1μm、高度为2.3~2.6μm的圆柱体光刻胶图形。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案，步骤2）中，形成周期为4μm、底宽为3.7μm、图形间距为0.3μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案，所述N型层为N-GaN层，所述量子阱层为InGaN多量子阱层，所述P型层为P-GaN层。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案，步骤5）后还包括对所述蓝宝石衬底进行减薄的步骤。
如上所述，本发明提供一种蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法，先于蓝宝石衬底表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形；然后采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形，最后还包括于该蓝宝石衬底表面制作发光二极管的步骤。本发明具有以下有益效果：本发明在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证外延生长时能够侧向生长出高质量的单晶晶体；增加了图形衬底的图形占空比，从而有效地增加了发光二极管的出光效率。
附图说明
图1~图2显示为本发明的蓝宝石图形衬底的制备方法步骤1）所述呈现的截面结构示意图。
图3~图4显示分别为本发明的蓝宝石图形衬底的制备方法步骤2）所述呈现的截面结构及平面结构示意图。
图5显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤3）所呈现的截面结构示意图。
图6显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤4）所呈现的截面结构示意图。
图7~图9显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤5）所呈现的截面结构示意图。
元件标号说明
101 蓝宝石衬底
102 光刻胶图形
103 圆锥体凸起图形
104 N型层
105 量子阱层
106 P型层
107 N电极制备区域
108 透明导电层
109 P电极
110 N电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
请参阅图1~图4，本实施例提供一种蓝宝石图形衬底的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
如图1~图2所示，首先进行步骤1），提供一蓝宝石衬底101，于所述蓝宝石衬底101表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形102。
所述蓝宝石衬底101为未经表面处理的平片型蓝宝石衬底101，然后通过光刻胶制作工艺于所述蓝宝石衬底101表面制作以四方阵列排列，周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形102，其中，周期是指相邻两个光刻胶的中心距离，间距实施相邻两个光刻胶的最短距离。各该光刻胶的排列和形状一定程度决定后续蓝宝石衬底101表面的刻蚀所形成的图形。在本实施例中所述光刻胶图形102的周期为4μm、间距为1μm、直径为3μm、高度为2.3~2.6μm的圆柱体光刻胶图形102。
如图3~图4所示，然后进行步骤2），采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底101，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形103。
具体地，将形成有光刻胶图形102的蓝宝石衬底101置于感应耦合等离子体ICP刻蚀设备中，对所述蓝宝石衬底101表面进行刻蚀，适当调整刻蚀设备的功率、刻蚀剂的流速、温度等参数，逐渐从所述蓝宝石表面开始刻蚀，最终形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形103。在本实施例中，所述圆锥体凸起图形103的周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形103，该蓝宝石图形衬底的占空比约为3.46，远远高于目前市场上主流的2.4μm（底宽）*0.6μm（间距）*1.5μm（高度）占空比为1.38的图形衬底。本发明的蓝宝石图形衬底的设计，在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证了外延生长时侧向生长出高质量的单晶晶体，实现了增加图形衬底的图形占空比，达到增加出光效率更高的出光发光二极管芯片的目的，其中，占空比是指蓝宝石表面圆锥体凸起所占的空间与剩余的蓝宝石平面所占的空间的比例。
如图3~图4所示，本实施例还提供一种蓝宝石图形衬底，表面具有周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形103。
在本实施例中，所述圆锥体凸起图形103以四方阵列方式排列，其周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm。该蓝宝石图形衬底的占空比约为3.46，远远高于目前市场上主流的2.4μm（底宽）*0.6μm（间距）*1.5μm（高度）占空比为1.38的图形衬底。本发明的蓝宝石图形衬底的设计，在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证了外延生长时侧向生长出高质量的单晶晶体，实现了增加图形衬底的图形占空比，达到增加出光效率更高的出光发光二极管芯片的目的。
实施例2
如图1~图9所示，本实施例提供一种发光二极管的制造方法，所述制造方法至少包括以下步骤：
如图1~图2所示，首先进行步骤1），提供一蓝宝石衬底101，于所述蓝宝石衬底101表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形102。
所述蓝宝石衬底101为未经表面处理的平片型蓝宝石衬底101，然后通过光刻胶制作工艺于所述蓝宝石衬底101表面制作以四方阵列排列，周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形102，其中，周期是指相邻两个光刻胶的中心距离，间距实施相邻两个光刻胶的最短距离。各该光刻胶的排列和形状一定程度决定后续蓝宝石衬底101表面的刻蚀所形成的图形。在本实施例中所述光刻胶图形102的周期为4μm、间距为1μm、直径为3μm、高度为2.3~2.6μm的圆柱体光刻胶图形102。
如图3~图4所示，然后进行步骤2），采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底101，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形103。
具体地，将形成有光刻胶图形102的蓝宝石衬底101置于感应耦合等离子体ICP刻蚀设备中，对所述蓝宝石衬底101表面进行刻蚀，适当调整刻蚀设备的功率、刻蚀剂的流速、温度等参数，逐渐从所述蓝宝石表面开始刻蚀，最终形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形103。在本实施例中，所述圆锥体凸起图形103的周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形103，该蓝宝石图形衬底的占空比约为3.46，远远高于目前市场上主流的2.4μm（底宽）*0.6μm（间距）*1.5μm（高度）占空比为1.38的图形衬底。本发明的蓝宝石图形衬底的设计，在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证了外延生长时侧向生长出高质量的单晶晶体，实现了增加图形衬底的图形占空比，达到增加出光效率更高的出光发光二极管芯片的目的。
如图5所示，接着进行步骤3），于所述蓝宝石衬底101表面形成至少包括N型层104、量子阱层105及P型层106的发光外延结构。
在本实施例中，采用化学气相沉积法于所述蓝宝石衬底101表面依次形成N-GaN层、InGaN多量子阱层105以及P-GaN层。当然，在其它实施例中，也可以形成如GaP基发光外延等发光外延结构，且并不限于此处所列举的两种。
如图6所示，接着进行步骤4），制作光刻图形，并刻蚀所述P型层106、量子阱层105及部分的N型层104形成N电极制备区域107。在本实施例中，采用ICP等刻蚀法去除部分的P型层106及量子阱层105及部分的N型层104，获得一N型层平台，即所述N电极制备区域107为N型层104平台。
如图7~图9所示，最后进行步骤5），于所述P型层106表面形成透明导电层108，于该透明导电层108表面制作P电极109，并于所述N电极制备区域107制备N电极110。
在本实施例中，所述透明导电层108为ITO材料的透明导电层，当然，也可以为如FZO等透明导电材料。
为了进一步增加发光二极管的出光效率，在本实施例中，电极制备完成后还包括对所述蓝宝石衬底101进行减薄的步骤，具体地，采用研磨或湿法腐蚀工艺从所述蓝宝石衬底101的背面开始进行减薄。
由于所述蓝宝石衬底101表面进行了预设占空比的图形化处理，在保证了外延生长时侧向生长出高质量的单晶晶体的同时降低了晶体内部光线全反射的几率，达到增加出光效率更高的出光发光二极管芯片的目的。
综上所述，本发明提供一种蓝宝石图形衬底及其制备方法和发光二极管的制造方法，先于蓝宝石衬底表面制作周期为3.9~4.1μm、间距为0.9~1.1μm、直径为2.9~3.1μm、高度为2.1~2.8μm的圆柱体光刻胶图形；然后采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9~4.1μm、图形间距为0.2~0.4μm、底宽为3.6~3.8μm、高度为1.9~2.3μm的圆锥体凸起图形，最后还包括于该蓝宝石衬底表面制作发光二极管的步骤。本发明具有以下有益效果：本发明在不增加光刻工艺的难度以及能够批量制作的情况下，保证外延生长时能够侧向生长出高质量的单晶晶体；增加了图形衬底的图形占空比，从而有效地增加了发光二极管的出光效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种蓝宝石图形衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1)提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为3.9～4.1μm、间距为0.9～1.1μm、直径为2.9～3.1μm、高度为2.1～2.8μm的圆柱体光刻胶图形；
2)采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9～4.1μm、图形间距为0.2～0.4μm、底宽为3.6～3.8μm、高度为1.9～2.3μm的圆锥体凸起图形。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石图形衬底的制备方法，其特征在于：步骤1)中，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为4μm、间距为1μm、直径为3μm、高度为2.3～2.6μm的圆柱体光刻胶图形。
3.根据权利要求2所述的蓝宝石图形衬底的制备方法，其特征在于：步骤2)中，形成周期为4μm、图形间距为0.3μm、底宽为3.7μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形。
4.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括以下步骤：
1)提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为3.9～4.1μm、间距为0.9～1.1μm、直径为2.9～3.1μm、高度为2.1～2.8μm的圆柱体光刻胶图形；
2)采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀所述蓝宝石衬底，形成周期为3.9～4.1μm、图形间距为0.2～0.4μm、底宽为3.6～3.8μm、高度为1.9～2.3μm的圆锥体凸起图形；
3)于所述蓝宝石衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构；
4)制作光刻图形，并刻蚀所述P型层、量子阱层及部分的N型层形成N电极制备区域；
5)于所述P型层表面形成透明导电层，于该透明导电层表面制作P电极，并于所述N电极制备区域制备N电极。
5.根据权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤1)中，于所述蓝宝石衬底表面制作周期为4μm、直径为3μm、间距为1μm、高度为2.3～2.6μm的圆柱体光刻胶图形。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤2)中，形成周期为4μm、底宽为3.7μm、图形间距为0.3μm、高度为2.1μm的圆锥体凸起图形。
7.根据权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述N型层为N-GaN层，所述量子阱层为InGaN多量子阱层，所述P型层为P-GaN层。
8.根据权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤5)后还包括对所述蓝宝石衬底进行减薄的步骤。
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