CN108172670A - Led外延片衬底结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种LED外延片衬底结构及制造方法，其特征在于，包括：带有凸状图形的图形化衬底、生长在所述凸状图形上部的保护层、以及生长在图形化衬底和保护层上的AlN缓冲层。本发明及优选技术方案相对于现有技术的有益效果在于：通过图形化衬底、保护层和AlN缓冲层的结合，不仅很好地解决了LED出光发生全反射和逸出到衬底的问题，同时，保护层和AlN缓冲层的结合构成的折射率阶变的层次结构进一步提升了出光效率，且能够使生长在缓冲层之上的GaN的结晶质量得以提升，对GaN基LED带来的增益尤为明显。
Description
技术领域
本发明属于LED外延片制造领域，尤其涉及一种LED外延片衬底结构及制造方法。
背景技术
发光二极管（LED）具有使用寿命长，光效高的特点，因而正在取代人们一直以来使用的传统光源。LED作为一种将电能转化为光能的元件，它通过与活性层接合的半导体上的电子与空穴结合而发光。其中活性层一般是形成氮化物半导体，这种半导体的折射率为2.45，远远高出大气里的对应值（n=1)。当光从折射率高的物质射向折射率底的物质时，若光的入射角大于临界角，则会发生全反射现象。这种由全反射导致的光损失是降低发光二极管元件发光效率的重要因素之一。
为了减少由这种全反射带来的光损失，目前既有的方法是在长好氮化物半导体后，对半导体表面进行蚀刻，使其形成凹凸状。不过，若在生长好氮化物半导体之后进行蚀刻，活性层可能受到损伤，从而可能导致半导体层电性发生变化。
同时，光从外延层进入衬底时，由于界面比较平坦，光的入射角比较小，且氮化镓和衬底折射率相差不大，导致反射率低，大部分光会逸出到衬底，不能有效反射回外延层，大大降低了氮化镓基发光二极管的出光效率，尤其是碳化硅为衬底的氮化镓基蓝绿光发光二极管的衬底的折射系数与氮化镓相当，光从外延层逸出到衬底的几率为100％。
发明内容
针对现有技术存在的不足和空白，本发明采用以下技术方案：
一种LED外延片衬底结构，其特征在于，包括：带有凸状图形的图形化衬底、生长在所述凸状图形上部的保护层、以及生长在图形化衬底和保护层上的AlN缓冲层。
优选地，所述凸状图形为多个，形状为下大上小。
优选地，所述图形化衬底的材质为蓝宝石或Si或SiC或GaN。
优选地，所述保护层的材质为SiO2或Si3N4。
优选地，所述多个凸状图形在图形化衬底上均匀排布。
优选地，所述多个凸状图形在图形化衬底上对称排布。
优选地，每个所述凸状图形和其上部的保护层共同构成圆锥状结构。
优选地，每个所述凸状图形和其上部的保护层共同构成两个相交的圆锥状结构。
以及，一种LED外延片衬底结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在蓝宝石衬底上形成材质为SiO2或Si3N4的透明薄膜层；
步骤二：将所述透明薄膜层图案化后进行刻蚀；
步骤三：根据图案化后的所述透明薄膜层对蓝宝石衬底进行刻蚀，形成多个带有形状为下大上小的凸状图形的图形化衬底和生长在所述凸状图形上部的保护层；
步骤四：在图形化衬底和保护层上生长AlN缓冲层。
优选地，所述衬底的材质替换为Si或SiC或GaN。
本发明及优选技术方案相对于现有技术的有益效果在于：通过图形化衬底、保护层和AlN缓冲层的结合，不仅很好地解决了LED出光发生全反射和逸出到衬底的问题，同时，保护层和AlN缓冲层的结合构成的折射率阶变的层次结构进一步提升了出光效率，且能够使生长在缓冲层之上的GaN的结晶质量得以提升，对GaN基LED带来的增益尤为明显。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明结构实施例1剖视示意图；
图2为本发明结构实施例2剖视示意图；
图3为本发明结构实施例3剖视示意图；
图4为本发明结构实施例4俯视示意图；
图5为本发明结构实施例5俯视示意图；
图6为本发明结构实施例6俯视示意图；
图7为本发明方法实施例1步骤示意图；
图8为本发明方法实施例2步骤示意图；
图9为本发明实施例对LED发光强度对比示意图；
图中：11-衬底；13-凸状图形；15-保护层；15’-透明薄膜层；17-缓冲层。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文对本发明结构特举6个实施例，对本发明制造方法特举2个实施例，作详细说明如下：
在本发明的所有实施例中，包括：带有凸状图形13的图形化衬底11、生长在凸状图形13上部的保护层15、以及生长在图形化衬底11和保护层15上的AlN缓冲层17。
其中，凸状图形13为多个，形状为下大上小。
图形化衬底11的材质为蓝宝石（Al2O3）或Si或SiC或GaN，其中蓝宝石为最常规的选择方案。
保护层13的要求是，折射率低于衬底11和构成活性层的氮化物半导体，其优选材质为SiO2或Si3N4，其中SiO2为最常规的选择方案。
此外，缓冲层17为AlN是最优选方案，但也可替换为 GaN、AlGaN或InGaN， 且根据需要可以组合成复数层，也可以是成分变化的单一层。
如图1所示，在本发明结构的第1个实施例中，凸状图形13和其上部的保护层15共同构成圆锥状结构，其中，凸状图形13的底面半径为R2，高为h2；保护层15的底面半径为R1，高为h1，且R2大于R1；多个凸状图形13在图形化衬底11上均匀排布，每个圆锥状结构之间的间距为d1。
如图2所示，在本发明结构的第2个实施例中，凸状图形13和其上部的保护层15共同构成圆台状结构，其中，凸状图形13的底面半径为R2，高为h2；保护层15的底面半径为R1，高为h1，且R2大于R1。多个凸状图形13在图形化衬底11上均匀排布，每个圆台状结构之间的间距为d1。
并且，由于保护层15的折射率低于衬底11和构成活性层的氮化物半导体，可以使光的散射效果增强，并能增大发光功效。
在上述两个实施例中，由于R2大于R1，因此凸状图形13有倾斜面，这可以调节构建于其上的半导体活性层发出的光，使其从衬底11和凸状图形13散射出来，并以小于临界角的角度入射到氮化物半导体和空气层的临界面。
如图3所示，在本发明结构的第3个实施例中，凸状图形13和其上部的保护层15共同构成两个相交的圆锥状结构，其中，在每个圆锥状结构中凸状图形13的底面半径为R2，高为h2；保护层15的底面半径为R1，高为h1，且R2大于R1。多个凸状图形13在图形化衬底11上均匀排布，每个两个相交的圆锥状结构之间的间距为d1，相交的两个圆锥状结构顶点之间的间距为d2。
在该实施例中，相交的两个圆锥状结构顶点之间会形成浅凹面，生成了新形态的图案，则可以进一步提供随R1, R2, h1 以及 h2发生变化而增大光散射效果的多种形态图案。
图4、图5是关于本发明结构在排布上的实施例。
如图4所示，在本发明结构的第4个实施例中，多个凸状图形13在图形化衬底11上呈轴对称排布，其中凸状图形13的底面半径为R2，保护层15的底面半径为R1，凸状图形13之间的间距为d；如图5所示，在本发明结构的第5个实施例中，多个凸状图形13在图形化衬底11上呈均匀排布，其中凸状图形13的底面半径为R2，保护层15的底面半径为R1，凸状图形13之间的间距为d。
上述两个实施例的排布结构对应中心点间距相同的六方晶系和正方晶系，但就本发明的主旨而言，中心点间距也不要求必须相同，此时斜晶系(oblique lattice)，长方晶系，斜方晶系（rhombic lattice）等多种形态的排列也是允许的。
如图6所示，在本发明结构的第6个实施例中，展示的是保护层15俯视为圆环形态的结构，该结构的剖视图可以是本发明结构的第3个实施例中展示的形态，其中每个圆锥状结构中凸状图形13的底面半径为R2，保护层15的底面半径为R1，每个两个相交的圆锥状结构之间的间距为d1，相交的两个圆锥状结构顶点之间的间距为d2。依此图案形态继续推演，则可知，在本发明主旨下，保护层15还可构成其他诸如线、环、面等各类形态，以满足对折射率、折射角的匹配从而提高整体出光效率的需求。
如图7所示，在本发明方法的第1个实施例中，包括以下步骤：
步骤一：在清洗干净的衬底11上形成透明薄膜层15’，其中衬底11的优选材料为蓝宝石，也可替换为Si或SiC或GaN。，透明薄膜层15’的优选材质为SiO2或Si3N4，透明薄膜层15’可利用热氧化、物理化学气相沉积、热蒸镀、溅射以及溶液工艺中任意一种来形成；当衬底11的材质为Si时，透明薄膜层15’可通过热氧化形成；
步骤二：将透明薄膜层15’图案化后进行刻蚀，其中图案化可以通过光刻工艺、纳米压印工艺，金属掩模板等方法实现，透明薄膜层15’可以通过湿法或干法刻蚀剔除薄膜层图案以外的多余部分；
步骤三：将被刻蚀的透明薄膜层15’当做掩膜版，根据图案化后的透明薄膜层15’对衬底11进行刻蚀，形成多个带有形状为下大上小的凸状图形13的图形化衬底11和生长在凸状图形13上部的保护层15，其中凸状图形13和保护层15的形状参数可根据实际情况进行适当调整、如高度、底面半径等；
步骤四：在图形化衬底11和保护层上生长AlN缓冲层17，其中缓冲层17可以通过溅射方式生成。
如图8所示，在本发明方法的第2个实施例中，其基本步骤与本发明方法的第1个实施例中基本相同，其区别在于，是为了形成如本发明结构的第3个实施例的结构，主要体现在步骤二和步骤三中：
在步骤二中，透明薄膜层15’图形与图形之间的距离有2个或以上的值；
在步骤三种，对图案化后的透明薄膜层15’对衬底11进行刻蚀的相关参数，特别是深度也会有2个或以上的值，需要为此做出调整。
如图9所示，根据本发明的实施例1制作的衬底11选用蓝宝石、保护层15选用SiO2、缓冲层17选用AlN、且凸状图形13为圆锥状的氮化物LED作为实验组，以及根据其他结构完全相同，但不具备SiO2保护层15和AlN缓冲层17的氮化物LED作为对照组，进行发光功率对比试验，得到的测试结果表明：实验组（SiO2+AlN结构）相对于对照组（普通结构）的发光效率提升了大约2%。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的LED外延片衬底结构及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种LED外延片衬底结构，其特征在于，包括：带有凸状图形的图形化衬底、生长在所述凸状图形上部的保护层、以及生长在图形化衬底和保护层上的AlN缓冲层。
2.根据权利要求1所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：所述凸状图形为多个，形状为下大上小。
3.根据权利要求1所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：所述图形化衬底的材质为蓝宝石或Si或SiC或GaN。
4.根据权利要求1所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：所述保护层的材质为SiO2或Si3N4。
5.根据权利要求2所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：所述多个凸状图形在图形化衬底上均匀排布。
6.根据权利要求2所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：所述多个凸状图形在图形化衬底上对称排布。
7.根据权利要求2所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：每个所述凸状图形和其上部的保护层共同构成圆锥状结构。
8.根据权利要求2所述的LED外延片衬底结构，其特征在于：每个所述凸状图形和其上部的保护层共同构成两个相交的圆锥状结构。
9.一种LED外延片衬底结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在蓝宝石衬底上形成材质为SiO2或Si3N4的透明薄膜层；
步骤二：将所述透明薄膜层图案化后进行刻蚀；
步骤三：根据图案化后的所述透明薄膜层对蓝宝石衬底进行刻蚀，形成多个带有形状为下大上小的凸状图形的图形化衬底和生长在所述凸状图形上部的保护层；
步骤四：在图形化衬底和保护层上生长AlN缓冲层。
10.根据权利要求9所述的LED外延片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述衬底的材质替换为Si或SiC或GaN。
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