CN104465928A - 具有镂空结构的led外延结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有镂空结构的LED外延结构及其制作方法，该LED外延结构包括：衬底；位于衬底上的AlN层，所述AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；位于AlN层上的第一GaN层，所述第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；位于第一GaN层上方的第二GaN层，所述第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上；其中，所述第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。本发明在蓝宝石衬底上制作AlN图形后通过控制GaN生长方式，在蓝宝石和GaN界面处形成镂空结构，提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，从而增加整个LED芯片的亮度，降低了芯片的发热量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种具有镂空结构的LED外延结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
现有技术中通常的GaN基LED外延片采用图形化蓝宝石衬底直接生长，蓝宝石衬底与GaN的折射率相近，背面光反射率较小，需要通过背镀反射层来反射，光在传输过程中被蓝宝石衬底吸收较多，从而降低了LED芯片的亮度，同时也增加了LED芯片的发热量。
因此，针对上述技术问题，本发明揭示了一种具有镂空结构的LED外延结构及其制作方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有镂空结构的LED外延结构及其制作方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种具有镂空结构的LED外延结构，所述LED外延结构包括：
衬底；
位于衬底上的AlN层，所述AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
位于AlN层上的第一GaN层，所述第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
位于第一GaN层上方的第二GaN层，所述第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上；
其中，所述第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
作为本发明的进一步改进，所述第一GaN层中的GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角为90°～180°。
作为本发明的进一步改进，所述第一GaN层中的GaN结构包括第一GaN结构和第二GaN结构，所述第一GaN结构和第二GaN结构均为倒置的圆台状，且第一GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角小于第二GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角。
作为本发明的进一步改进，所述第一GaN层中相邻的第二GaN结构的上表面相互连接。
作为本发明的进一步改进，所述AlN层中AlN柱状结构的截面为圆形、椭圆形、多边形、或不规则形。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为蓝宝石、Si衬底、或SiC衬底。
相应地，一种具有镂空结构的LED外延结构的制作方法，所述方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上生长AlN层，所述AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
S3、在AlN层上生长第一GaN层，所述第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
S4、在第一GaN层上生长第二GaN层，所述第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上，所述第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体为：
S21、在衬底上制作SiO2层；
S22、对SiO2层进行光刻工艺处理，得到具有阵列排布的柱状凹槽结构的SiO2图形；
S23、在具有SiO2图形的SiO2层上外延生长AlN层；
S24、刻蚀除去SiO2层及SiO2层上的AlN层，得到生长在柱状凹槽结构中的AlN层，AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3和S4具体为：
S3、控制GaN的生长方式为纵向外延生长或纵向外延生长与横向外延生长的结合，在AlN层上生长第一GaN层；
S4、控制GaN的生长方式为横向外延生长，在第一GaN层上生长第二GaN层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体为：
控制GaN的生长方式为纵向外延生长与横向外延生长的结合，在AlN层上生长由第一GaN结构和第二GaN结构构成的第一GaN层，其中，第一GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值大于第二GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值。
本发明具有以下有益效果：
本发明在蓝宝石衬底上制作AlN图形后通过控制GaN生长方式，在蓝宝石和GaN界面处形成镂空结构，提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，从而增加整个LED芯片的亮度，降低了芯片的发热量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为本发明一具体实施方式中在蓝宝石衬底上生长SiO2层的外延结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式中在SiO2层上生长AlN层的外延结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式中刻蚀除去SiO2层后的外延结构示意图；
图4为本发明一具体实施方式中在AlN层上生长有第一GaN层的外延结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式中在第一GaN层上生长有第二GaN层的外延结构示意图；
图6a为本发明实施例1中具有镂空结构的LED外延结构的示意图；
图6b为本发明实施例2中具有镂空结构的LED外延结构的示意图；
图6c为本发明实施例3中具有镂空结构的LED外延结构的示意图；
图7a为本发明实施例1中LED外延结构的出光示意图；
图7b为本发明实施例2中LED外延结构的出光示意图；
图7c为本发明实施例3中LED外延结构的出光示意图；
图8a为本发明具有镂空结构的LED外延结构的光路原理图；图8b为现有技术中图形化蓝宝石衬底的LED外延结构的光路原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例或结构之间具有任何关联性。
本发明公开了一种具有镂空结构的LED外延结构，该LED外延结构包括：
衬底；
位于衬底上的AlN层，AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
位于AlN层上的第一GaN层，第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
位于第一GaN层上方的第二GaN层，第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上；
其中，第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
相应地，本发明还公开了一种具有镂空结构的LED外延结构的制作方法，具体包括：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上生长AlN层，AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
S3、在AlN层上生长第一GaN层，第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
S4、在第一GaN层上生长第二GaN层，第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上，第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
具体地，以下对本发明的LED外延结构及其制作方法作详细说明。
本发明通过在蓝宝石衬底上制作SiO2图形，然后通过剥离工艺来得到AlN周期点阵结构。通过控制GaN的生长方式，使其首先在垂直方向优先生长成柱状或倒置的圆台状，再进行水平生长连接成平面，在GaN下方形成镂空结构，之后按照正常的LED外延生长和芯片制造流程进行制作。
本发明一具体实施方式中的LED外延结构制作方法具体如下：
本发明首先提供了一衬底10，本发明中以蓝宝石衬底为例进行说明，当然该衬底也可以为Si衬底、SiC衬底等。
参图1所示，在衬底10上制作SiO2层20，然后对SiO2层进行光刻工艺处理，得到具有阵列排布的柱状凹槽结构的SiO2图形。具体地，本发明实施方式中中通过PECVD方法生长SiO2，然后依次进行匀胶、曝光、显影、SiO2刻蚀制作SiO2图形。
参图2所示，在制作有SiO2图形的衬底10上采用MOCVD或RPD等方法生长AlN层，然后用BOE或氢氟酸刻蚀除去SiO2层得到与SiO2图形相对应的AlN层30，得到图3所示的结构。该AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构，AlN柱状结构的截面为圆形，当然在其他实施方式中也可以为椭圆形、多边形、或不规则形等。该AlN层作为成核层，可以在其上生长高质量的半导体外延结构。
参图4所示，在AlN层30上生长第一GaN层40，第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成。第一GaN层中的GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角为90°～180°，本实施方式中第一GaN层中的GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角为90°。
参图5所示，在第一GaN层40上生长第二GaN层50，第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上，第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构100。
进一步地，第一GaN层40和第二GaN层50的生长方式具体为：
控制GaN的生长方式为纵向外延生长或纵向外延生长与横向外延生长的结合，在AlN层上生长第一GaN层；控制GaN的生长方式为横向外延生长，在第一GaN层上生长第二GaN层。
其中，本实施方式图5中第一GaN层的生长方式为纵向外延生长，第二GaN层的生长方式为横向外延生长，生长出来的第一GaN层为柱状结构，第二GaN层为平面结构，第二GaN层和衬底之间形成若干镂空结构。
第一GaN层的生长方式还可以为纵向外延生长与横向外延生长的结合，控制纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值相同或不同，当速率相同时，生长出来的第一GaN层为倒置的圆台状，当生长速率不同时，生长出来的GaN层为呈倒置的圆台状的第一GaN结构和第二GaN结构，相邻的第二GaN结构的上表面相互连接。
进一步地，控制第一GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值大于第二GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值，则第一GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角小于第二GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角。
其中，本实施方式中在AlN层上生长的外延层为GaN层，在其他实施方式中外延层也可以为GaAs层、InP层、InGaAsP层等中的一种或多种的组合。
参图6、图7所示，控制第一GaN层的外延生长方式可以形成不同的镂空结构，通过结构的调整可以有效地控制出光的方向。以下结合具体实施例进行说明。
实施例1：
参图6a所示，控制纵向外延生长与横向外延生长的速率，首先在AlN层30上生长第一GaN结构41，本实施例中第一GaN结构的侧面与AlN层上表面的夹角为为120°左右；然后再次控制纵向外延生长与横向外延生长的速率，在第一GaN结构41上生长第二GaN结构42，本实施例中第二GaN结构的侧面与AlN层上表面的夹角为为150°左右。
如图7a所示，从上方入射的光线可以从第一GaN结构或第二GaN结构的内侧面进行反射。
实施例2：
参图6b所示，控制纵向外延生长与横向外延生长的速率，首先在AlN层30上生长第一GaN结构41，本实施例中第一GaN结构的侧面与AlN层上表面的夹角为为100°左右；然后再次控制纵向外延生长与横向外延生长的速率，在第一GaN结构41上生长第二GaN结构42，本实施例中第二GaN结构的侧面与AlN层上表面的夹角为为170°左右。
如图7b所示，从上方入射的光线基本从第二GaN结构的内侧面进行反射，可以有效加强LED的正向出光。
实施例3：
参图6c所示，控制纵向外延生长与横向外延生长的速率恒定，在AlN层30上生长第一GaN层40，本实施例中第一GaN层的侧面与AlN层上表面的夹角为为120°左右。
如图7c所示，从上方入射的光线均从第一GaN层的内侧面进行反射，可以有效加强LED的侧面出光。
与现有技术相比，参图8b所示，现有技术中在图形化蓝宝石衬底上生长GaN外延层的LED芯片，背面的光在蓝宝石-GaN界面的反射率只有2.2％，其余光则通过DBR反射回来，透射进去的光两次通过蓝宝石衬底，在蓝宝石中光损耗较大同时也增加了芯片的发热量。
而通过本发明在蓝宝石与GaN层中间增加了空气层，由于光从折射率高的介质进入折射率低的介质时会产生全反射，如图8a所示。蓝宝石的折射率为1.72，GaN的折射率为2.3，空气折射率为1，通过在蓝宝石和空气中间增加镂空结构，则全反射角度由原来48°(GaN/蓝宝石)减少至25.7°(空气/蓝宝石)，可以有效地减少入射至蓝宝石的光，减少衬底对光的吸收，提高了正面和/或侧面的出光效率。
通过本发明不仅有效地提高LED芯片的出光效率，同时在一定程度上减少了芯片的发热，也不会影响外延层与芯片的制作以及芯片的外观等。
进一步地，本发明中GaN层包括一层或两层GaN结构，在其他实施方式中也可以通过控制GaN层的生长方式，生长具有多层的GaN结构，其外侧表面与AlN层的夹角在90°～180°范围内，且角度为连续或间断增大，即控制GaN纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值，使其为多个依次减小的比值或为连续减小(包括线性减小和非线性减小)的比值，同样可以提高LED芯片正面和/或侧面的出光效率。
综上所述，由以上技术方案可以看出，本发明在蓝宝石衬底上制作AlN图形后通过控制GaN生长方式，在蓝宝石和GaN界面处形成镂空结构，提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，从而增加整个LED芯片的亮度，降低了芯片的发热量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种具有镂空结构的LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构包括：
衬底；
位于衬底上的AlN层，所述AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
位于AlN层上的第一GaN层，所述第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
位于第一GaN层上方的第二GaN层，所述第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上；
其中，所述第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中的GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角为90°～180°。
3.根据权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中的GaN结构包括第一GaN结构和第二GaN结构，所述第一GaN结构和第二GaN结构均为倒置的圆台状，且第一GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角小于第二GaN结构的侧面与AlN层中AlN柱状结构的上表面的夹角。
4.根据权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中相邻的第二GaN结构的上表面相互连接。
5.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述AlN层中AlN柱状结构的截面为圆形、椭圆形、多边形、或不规则形。
6.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、Si衬底、或SiC衬底。
7.一种具有镂空结构的LED外延结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上生长AlN层，所述AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构；
S3、在AlN层上生长第一GaN层，所述第一GaN层由若干沿AlN柱状结构向上延伸形成的GaN结构组成；
S4、在第一GaN层上生长第二GaN层，所述第二GaN层覆盖于所有第一GaN层中的GaN结构上，所述第一GaN层或第一GaN层与第二GaN层在衬底上方形成镂空结构。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21、在衬底上制作SiO2层；
S22、对SiO2层进行光刻工艺处理，得到具有阵列排布的柱状凹槽结构的SiO2图形；
S23、在具有SiO2图形的SiO2层上外延生长AlN层；
S24、刻蚀除去SiO2层及SiO2层上的AlN层，得到生长在柱状凹槽结构中的AlN层，AlN层包括若干分离设置且阵列排布的AlN柱状结构。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3和S4具体为：
S3、控制GaN的生长方式为纵向外延生长或纵向外延生长与横向外延生长的结合，在AlN层上生长第一GaN层；
S4、控制GaN的生长方式为横向外延生长，在第一GaN层上生长第二GaN层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
控制GaN的生长方式为纵向外延生长与横向外延生长的结合，在AlN层上生长由第一GaN结构和第二GaN结构构成的第一GaN层，其中，第一GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值大于第二GaN结构纵向外延生长速率与横向外延生长速率的比值。
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