CN104332541A - 图形化衬底及其制备方法、外延片制作方法及外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图形化衬底及其制备方法、外延片制作方法及外延片，属于发光二极管领域。所述方法包括：在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层；采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀二氧化硅层直至裸露出部分蓝宝石衬底，形成多个凸起；在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层；除去凸起顶面的光刻胶掩膜以及光刻胶掩膜上溅射的氮化铝；采用湿法腐蚀法除去凸起。当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(Light Emitting Diode，简称“LED”)领域，特别涉及一种图形化衬底及其制备方法、外延片制作方法及外延片。
背景技术
图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，简称“PSS”)技术是目前异质衬底氮化镓材料生长领域较为成熟的技术方案。其中，采用PSS技术可以较好地缓解蓝宝石衬底和氮化镓外延生长中的应力，降低氮化镓外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
当光从有源层进入图形化的蓝宝石衬底时，由于蓝宝石的折射率(1.7～1.8)与氮化镓的折射率(2.5)二者之间相差较小，光较容易在蓝宝石衬底的界面上发生透射，而使光的反射率不高，从而导致发光二极管的光提取效率较低。
发明内容
为了解决现有技术中光较容易在蓝宝石衬底的界面上发生透射，而使光的反射率不高的问题，本发明实施例提供了一种图形化衬底及其制备方法、外延片制作方法及外延片。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种图形化衬底制备方法，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层；
采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀所述二氧化硅层直至裸露出部分蓝宝石衬底，形成多个凸起，所述凸起为台体结构且所述凸起顶面留有光刻胶掩膜；
在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，；
除去所述凸起顶面的光刻胶掩膜以及所述光刻胶掩膜上溅射的氮化铝，使所述氮化铝层的表面与所述凸起的顶面处于同一平面；
采用湿法腐蚀法除去所述凸起，在所述氮化铝层中形成多个空心结构。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，包括：
采用等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述凸起为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述凸起的顶面半径或宽度为0.05～0.5um，所述凸起的底面半径或宽度为0.5～10um，所述凸起的高度为0.5～5um。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述多个凸起按矩阵排列。
在本发明实施例的另一种实现方式中，在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，包括：
按以下参数在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层：溅射功率为1～3kW，设备真空度为10-6～10-8Torr，氮气溅射气压为5～10mTorr。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述采用湿法腐蚀法除去所述凸起，包括：
采用四氟化铵与氢氟酸的混合液除去所述凸起，所述混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1～8:1。
另一方面，本发明实施例还提供了一种外延片制作方法，所述方法包括：
按前述方法制备图形化衬底；
在所述图形化衬底上依次生长n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，制成外延片。
另一方面，本发明实施例还提供了一种图形化衬底，所述衬底包括：
蓝宝石衬底和设于所述蓝宝石衬底上的氮化铝层，所述氮化铝层中设有多个空心结构，所述空心结构为台体结构。
另一方面，本发明实施例还提供了一种外延片，所述外延片包括：
图形化衬底、以及依次覆盖在衬底上的n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，所述衬底包括蓝宝石衬底和氮化铝层，蓝宝石衬底和设于所述蓝宝石衬底上的氮化铝层，所述氮化铝层中设有多个空心结构，所述空心结构为台体结构。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀出多个凸起，在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，采用湿法腐蚀法除去凸起，形成多个空心结构；当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率；其次，空心结构为台体结构，一是提高光反射率，从而提高LED出光效率，二是有利于外延晶体结构的生长，使其缺陷及位错更少；另外，氮化铝层更有利于外延生长，具有替代外延缓冲层的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的图形化衬底制备方法流程图；
图2是本发明实施例一提供的图形化衬底制备过程中的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的图形化衬底制备过程中的结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的图形化衬底制备过程中的结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的图形化衬底制备过程中的结构示意图；
图6是本发明实施例一提供的图形化衬底的结构示意图；
图7是本发明实施例二提供的外延片制作方法流程图；
图8是本发明实施例三提供的图形化衬底的结构示意图；
图9是本发明实施例四提供的外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种图形化衬底制备方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层。
在本实施例中，在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，包括：
采用等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层。
如图2所示，蓝宝石衬底11上沉积二氧化硅层12。
步骤102：采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀二氧化硅层直至裸露出部分蓝宝石衬底，形成多个凸起，凸起为台体结构且凸起顶面留有光刻胶掩膜。
具体地，凸起可以为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
进一步地，凸起的顶面半径或宽度为0.05～0.5um，凸起的底面半径或宽度为0.5～10um，凸起的高度为0.5～5um。这种尺寸的凸起在制成空心结构后，在反射率方面的效果明显，能最大化提高LED出光效率。
在本实施例中，多个凸起按矩阵排列，构成周期性图形阵列。
如图3所示，对图2中的二氧化硅层12采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺进行处理，刻蚀出多个凸起13，凸起13的顶面上余留了光刻胶掩膜10。
步骤103：在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层。
在本实施例中，在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，包括：
按以下参数在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层：溅射功率为1～3kW，设备真空度为10-6～10-8Torr，氮气溅射气压为5～10mTorr。
如图4所示，刚溅射完的氮化铝层14分布在凸起13之间以及凸起13的顶面上。
步骤104：除去凸起顶面的光刻胶掩膜以及光刻胶掩膜上溅射的氮化铝，使氮化铝层的表面与凸起的顶面处于同一平面。
将溅射完的氮化铝层在显影液中浸泡后，光刻胶掩膜会与其上面的氮化铝一起剥离掉，达到除去光刻胶掩膜以及光刻胶掩膜上溅射的氮化铝的目的。
如图5所示，经过步骤104处理，氮化铝层14表面与凸起13的顶面处于同一平面内。
步骤105：采用湿法腐蚀法除去凸起，在氮化铝层中形成多个空心结构。
在本实施例中，采用湿法腐蚀法除去凸起，包括：
采用四氟化铵与氢氟酸的混合液除去凸起，混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1～8:1。
最终制备出的图形化衬底包括蓝宝石衬底11、氮化铝层14和空心结构15，其具体结构如图6所示。
其中，氮化铝层中的氮化铝会有利于外延的生长，氮化铝层能够替代外延结构中的缓冲层，并减少外延的晶格缺陷及位错，从而提高发光效率。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀出多个凸起，在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，采用湿法腐蚀法除去凸起，形成多个空心结构；当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率；其次，空心结构为台体结构，一是提高光反射率，从而提高LED出光效率，二是有利于外延晶体结构的生长，使其缺陷及位错更少；另外，氮化铝层更有利于外延生长，具有替代外延缓冲层的功能。
实施例二
本发明实施例提供了一种外延片制作方法，参见图7，该方法包括：
步骤201：按实施例一中的方法制备图形化衬底。
步骤202：在图形化衬底上依次生长n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，制成外延片。
具体地，采用侧向外延生长法在图形化衬底上依次生长n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，制成外延片。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀出多个凸起，在蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，采用湿法腐蚀法除去凸起，形成多个空心结构；当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率；其次，空心结构为台体结构，一是提高光反射率，从而提高LED出光效率，二是有利于外延晶体结构的生长，使其缺陷及位错更少；另外，氮化铝层更有利于外延生长，具有替代外延缓冲层的功能。
实施例三
本发明实施例提供了一种图形化衬底，参见图8，该衬底包括：
蓝宝石衬底301和设于蓝宝石衬底301上的氮化铝层302，氮化铝层302中设有多个空心结构302a，空心结构302a为台体结构。
具体地，空心结构302a可以为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
进一步地，空心结构302a的顶面半径或宽度为0.05～0.5um，空心结构302a的底面半径或宽度为0.5～10um，空心结构302a的高度为0.5～5um。这种尺寸的空心结构在反射率方面的效果明显，能最大化提高LED出光效率。
在本实施例中，多个空心结构302a按矩阵排列，构成周期性图形阵列。
其中，氮化铝层302厚度与凸起的高度相等。
本发明实施例通过设于蓝宝石衬底上的氮化铝层，氮化铝层中设有多个空心结构；当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率；其次，空心结构为台体结构，一是提高光反射率，从而提高LED出光效率，二是有利于外延晶体结构的生长，使其缺陷及位错更少；另外，氮化铝层更有利于外延生长，具有替代外延缓冲层的功能。
实施例四
本发明实施例提供了一种外延片，参见图9，该外延片包括：
图形化衬底401、以及依次覆盖在衬底401上的n型氮化镓层402、多量子阱层403和p型氮化镓层404，衬底401包括蓝宝石衬底4011和设于蓝宝石衬底4011上的氮化铝层4012，氮化铝层4012中设有多个空心结构401a，空心结构401a为台体结构。
具体地，空心结构401a可以为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
进一步地，空心结构401a的顶面半径或宽度为0.05～0.5um，空心结构401a的底面半径或宽度为0.5～10um，空心结构401a的高度为0.5～5um。这种尺寸的空心结构在反射率方面的效果明显，能最大化提高LED出光效率。
在本实施例中，多个空心结构401a按矩阵排列，构成周期性图形阵列。
其中，氮化铝层4012厚度与凸起的高度相等。
本发明实施例通过设于蓝宝石衬底上的氮化铝层，氮化铝层中设有多个空心结构；当在图形化衬底上生长氮化镓层时，空心结构成为空气间隙，氮化镓材料折射率为2.5，氮化铝材料折射率为2.0，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、氮化铝、空气蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率；其次，空心结构为台体结构，一是提高光反射率，从而提高LED出光效率，二是有利于外延晶体结构的生长，使其缺陷及位错更少；另外，氮化铝层更有利于外延生长，具有替代外延缓冲层的功能。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (10)
1.一种图形化衬底制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层；
采用光刻胶掩膜及刻蚀工艺刻蚀所述二氧化硅层直至裸露出部分蓝宝石衬底，形成多个凸起，所述凸起为台体结构且所述凸起顶面留有光刻胶掩膜；
在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层；
除去所述凸起顶面的光刻胶掩膜以及所述光刻胶掩膜上溅射的氮化铝，使所述氮化铝层的表面与所述凸起的顶面处于同一平面；
采用湿法腐蚀法除去所述凸起，在所述氮化铝层中形成多个空心结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层，包括：
采用等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸起为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸起的顶面半径或宽度为0.05～0.5um，所述凸起的底面半径或宽度为0.5～10um，所述凸起的高度为0.5～5um。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个凸起按矩阵排列。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层，包括：
按以下参数在所述蓝宝石衬底设置凸起的表面溅射氮化铝层：溅射功率为1～3kW，设备真空度为10-6～10-8Torr，氮气溅射气压为5～10mTorr。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用湿法腐蚀法除去所述凸起，包括：
采用四氟化铵与氢氟酸的混合液除去所述凸起，所述混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1～8:1。
8.一种外延片制作方法，其特征在于，所述方法包括：
按权利要求1～7任一项所述的方法制备图形化衬底；
在所述图形化衬底上依次生长n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，制成外延片。
9.一种图形化衬底，其特征在于，所述衬底包括：
蓝宝石衬底和设于所述蓝宝石衬底上的氮化铝层，所述氮化铝层中设有多个空心结构，所述空心结构为台体结构。
10.一种外延片，其特征在于，所述外延片包括：
图形化衬底、以及依次覆盖在衬底上的n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，所述衬底包括蓝宝石衬底和设于所述蓝宝石衬底上的氮化铝层，所述氮化铝层中设有多个空心结构，所述空心结构为台体结构。
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