CN108336202A - 图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法 - Google Patents

图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法，图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小，使锥状凸起的侧壁呈下凹的形式，相比于现有的图形化蓝宝石衬底，可以进一步提高外延层的晶体质量，同时可以更好的将射向图形化蓝宝石衬底的光向外延层一侧反射，减少衬底对光线的吸收，提高LED芯片的发光效率。

Description

图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片，外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。
外延片包括衬底和生长在衬底上的外延层。图形化蓝宝石衬底是一种常用的衬底，相比于传统的平片衬底，在图形化蓝宝石衬底上生长的外延层位错密度更小，制成的LED芯片的发光效率也更高。
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：
随着产品的更新换代，对LED芯片的发光效率要求越来越高，现有的LED芯片的发光效率已经难以满足产品的需要。。
发明内容
为了解决现有LED芯片的发光效率低的问题，本发明实施例提供了一种图形化蓝宝石衬底、外延片及其制作方法。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蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
可选地，所述图形的周期为3um～3.1um。
可选地，所述锥状凸起的底面直径为2.9um～2.98um。
可选地，所述锥状凸起的高度为1.7um～1.9um。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括如前所述的任一种图形化蓝宝石衬底和形成在所述图形化蓝宝石衬底上的外延层。
又一方面，本发明实施例还提供了一种图形化蓝宝石衬底的制作方法，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底表面形成掩膜层；
对所述掩膜层进行图形化处理，以形成掩膜图形；
利用所述掩膜图形对所述蓝宝石衬底进行刻蚀，以形成图形化蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
可选地，所述掩膜层为光刻胶、Ni、SiO2中的任意一种。
可选地，利用所述掩膜图形对所述蓝宝石衬底进行刻蚀时，刻蚀溶液为硫酸和磷酸的混合溶液。
可选地，所述混合溶液中硫酸和磷酸的浓度比为3∶1～5∶1。
再一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片的制作方法，所述制作方法包括：
提供一图形化蓝宝石衬底；
在所述图形化蓝宝石衬底上生长外延层，
其中，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小可选地，所述第二InGaN层的生长压力为300～400mbar。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将图形化蓝宝石衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，由于锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小，使锥状凸起的侧壁呈下凹的形式，相比于现有的图形化蓝宝石衬底，可以进一步提高外延层的晶体质量，同时可以更好的将射向图形化蓝宝石衬底的光向外延层一侧反射，减少衬底对光线的吸收，提高LED芯片的发光效率。
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是本发明实施例提供的一种图形化蓝宝石衬底的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种锥状凸起的轴截面图；
图3是本发明实施例提供的一种图形化蓝宝石衬底的制作方法流程图；
图4是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法的流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种图形化蓝宝石衬底的结构示意图，如图1所示，该图形化蓝宝石衬底10的图形11包括阵列布置的多个锥状凸起11a。
图2是本发明实施例提供的一种锥状凸起的轴截面图，如图2所示，锥状凸起11a的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边(如图2中的曲边111和曲边112)，两腰关于曲边等腰三角形的底边113的中垂线a对称，从曲边的靠近底边113的一端向远离底边113的一端，曲边的切线与底边的中垂线a的夹角逐渐减小。
通过将图形化蓝宝石衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，由于锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小，使锥状凸起的侧壁呈下凹的形式，相比于现有的图形化蓝宝石衬底，可以进一步提高外延层的晶体质量，同时提高LED芯片的发光效率。
可选地，图形11的周期可以为3um～3.1um，优选为3um。将图形11的周期设置为该范围可以使图形11较好的反射光线，有利于进一步提高发光效率。
可选地，锥状凸起11a的底面直径(即底边113的长度)可以为2.9um～2.98um，锥状凸起11a的底面直径过小会加大制作的难度，导致制作成本增加，锥状凸起11a的底面直径过大则会导致发光效率降低。
锥状凸起11a的高度h可以为1.7um～1.9um，在锥状凸起11a的底面直径和周期固定的情况下，锥状凸起11a的高度h越高，则对发光效率的提升作用越强，但是锥状凸起11a的高度越大，制作难度也越大，将锥状凸起11a的高度h设置为1.7um～1.9um可以满足大多数情况的需要。
图3是本发明实施例提供的一种图形化蓝宝石衬底的制作方法流程图，该方法用于制作图1所示的图形化蓝宝石衬底，如图3所示，该制作方法包括：
S11：在蓝宝石衬底表面形成掩膜层。
可选地，掩膜层可以为光刻胶、Ni、SiO2中的任意一种。优选为光刻胶，便于制作和去除。
S12：对掩膜层进行图形化处理，以形成掩膜图形。
当掩膜层为光刻胶时，具体可以通过曝光、显影工艺形成掩膜图形，在对光刻胶进行图形化处理时可以采用半透掩膜板，以形成厚度不同的掩膜层，确保后续步骤中可以形成阵列布置的多个锥状凸起。
S13：利用掩膜图形对蓝宝石衬底进行刻蚀，以形成图形化蓝宝石衬底。
其中，图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
可选地，利用掩膜图形对蓝宝石衬底进行刻蚀时，刻蚀溶液为硫酸和磷酸的混合溶液。硫酸和磷酸的混合溶液是常用的刻蚀溶液，工艺成熟，成本低。
进一步地，混合溶液中硫酸和磷酸的浓度比可以为3∶1～5∶1。在该浓度比范围内，刻蚀的速度较快，且刻蚀后形成的图形质量较好。
通过将图形化蓝宝石衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，由于锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小，使锥状凸起的侧壁呈下凹的形式，相比于现有的图形化蓝宝石衬底，可以进一步提高外延层的晶体质量，同时提高LED芯片的发光效率。
图4是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图4所示，该外延片包括图1所示的图形化蓝宝石衬底10和形成在图形化蓝宝石衬底10上的外延层20。
该外延层20包括依次层叠在图形化蓝宝石衬底10上的u型GaN层21、n型GaN层22、发光层23和p型GaN层24，其中，发光层23包括交替层叠设置的InxGa(1-x)N层231和GaN层232，0＜x＜1。
需要说明的是，图4仅为示例，并不用以限制InxGa(1-x)N层231和GaN层232的层数。
可选地，u型GaN层21和n型GaN层22的厚度均可以为1.5～2.5um，在本实施例中，u型GaN层21和n型GaN层22的厚度均为2um。
可选地，p型GaN层24中Mg的掺杂浓度可以为1E19cm-3～1E20cm-3。将Mg的掺杂浓度设置的较低可以有利于提高晶体质量，有利于空穴的传输，可以提高电子和空穴在发光层中的复合效率，使发光效率得到提高。但如果p型GaN层24中Mg的掺杂浓度过低，则又会增大p型GaN层24的电阻，不利于空穴的传输，还会增大正向工作电压。
可选地，p型GaN层24的厚度可以为150～250nm。优选为200nm。若p型GaN层24过厚，会导致正向电压升高，若p型GaN层24的厚度过薄，则不利于电流的横向扩展，造成电流拥挤。
通过将图形化蓝宝石衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，由于锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小，使锥状凸起的侧壁呈下凹的形式，相比于现有的图形化蓝宝石衬底，可以进一步提高外延层的晶体质量，同时提高LED芯片的发光效率。
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法的流程图，该制作方法用于制作图4所示的外延片，如图5所示，该制作方法包括：
S21：提供一图形化蓝宝石衬底。
其中，图形化蓝宝石衬底为图1所示的图形化蓝宝石衬底，该图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，曲边等腰三角形的两腰均为曲边，两腰关于曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
S22：在图形化蓝宝石衬底上生长外延层。
具体可以在图形化蓝宝石衬底上依次形成u型GaN层、n型GaN层、发光层和p型GaN层。u型GaN层、n型GaN层、发光层和p型GaN层的形成方法可以采用现有技术中的形成方法，此处不详述。
可选地，在步骤S21中，可以对图形化蓝宝石衬底进行预处理，将图形化蓝宝石衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中，对图形化蓝宝石衬底进行退火处理5分钟。
具体地，退火温度可以为1000～1100℃，本实施例中退火温度为1060℃。
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)

1.一种图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述图形的周期为3um～3.1um。
3.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述锥状凸起的底面直径为2.9um～2.98um。
4.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述锥状凸起的高度为1.7um～1.9um。
5.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括如权利要求1～4任一项所述图形化蓝宝石衬底和形成在所述图形化蓝宝石衬底上的外延层。
6.一种图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底表面形成掩膜层；
对所述掩膜层进行图形化处理，以形成掩膜图形；
利用所述掩膜图形对所述蓝宝石衬底进行刻蚀，以形成图形化蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述掩膜层为光刻胶、Ni、SiO2中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，利用所述掩膜图形对所述蓝宝石衬底进行刻蚀时，刻蚀溶液为硫酸和磷酸的混合溶液。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述混合溶液中硫酸和磷酸的浓度比为3∶1～5∶1。
10.一种发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一图形化蓝宝石衬底；
在所述图形化蓝宝石衬底上生长外延层，
其中，所述图形化蓝宝石衬底的图形包括阵列布置的多个锥状凸起，所述锥状凸起的轴截面为曲边等腰三角形，所述曲边等腰三角形的两腰均为曲边，所述两腰关于所述曲边等腰三角形的底边的中垂线对称，从所述曲边的靠近底边的一端向远离底边的一端，所述曲边的切线与底边的中垂线的夹角逐渐减小。
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