CN108346718A - 利用低折射率材料为介质的复合图形衬底及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底及其制作方法，该制作方法包括以下步骤：S1：提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底表面沉积一层低折射率介质层；其中，所述低折射率介质层的折射率小于1.8；S2：刻蚀所述低折射率介质层，得到凹陷结构，使得所述凹陷结构暴露出所述蓝宝石衬底；S3：在被所述凹陷结构暴露的蓝宝石衬底表面生长AlxGa1‑xN缓冲层，获得复合图形衬底，其中，0≤X≤1。本发明获得的复合图形衬底减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高LED芯片的出光效率，并且可以提高生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底及其制作方法。
背景技术
半导体发光二极管(light-emission diodes,LEDS)因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，蓝、绿光GaN基LED芯片在显示、照明领域发展迅速；国内LED照明已经取代普通照明约30％份额，为继续提高LED在照明市场普及率，需要继续提升LED在光亮度、光品质方面的性能。目前主流蓝绿GaN基LED外延片95％以上都是使用蓝宝石基板做衬底材料，蓝宝石衬底因硬度大、透光率高、工艺成熟等特点，在今后主流LED市场仍将会是最主要的衬底材料。目前采用的蓝宝石衬底基本上都是进行了图形化(Patterned SapphireSubstrate,PSS)加工后再用于LED外延生长。因为在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，提高外延层晶体质量以提高LED电学特性；另外，蓝宝石的折射率为1.8，氮化镓的折射率为2.5，由于折射率的差异，当光从氮化镓外延层进入蓝宝石图形衬底时，会形成全反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。基于PSS衬底的外延材料制成的LED器件参数表明，其20A/cm2电流密度下相同尺寸芯片的光功率相比蓝宝石平片衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。随着GaN基LED外延及芯片加工技术进步，目前主流蓝光LED内量子效率已经提高到约80％以上，外量子效率仅达到约60％，因GaN基LED物理特性的限制，内量子效率的提升已经非常困难，但依赖出光效率提高而提升LED的外量子效率还有较大空间。因此，亟需研发一种复合衬底减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高光在LED内部的提取效率，从而提升LED的外量子效率。
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利用低折射率材料为介质的复合图形衬底及其制作方法，该复合图形衬底减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高LED芯片的出光效率，并且可以提高生产效率，降低生产成本。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底表面沉积一层低折射率介质层；其中，所述低折射率介质层的折射率小于1.8；
S2：刻蚀所述低折射率介质层，得到凹陷结构，使得所述凹陷结构暴露出所述蓝宝石衬底；
S3：在被所述凹陷结构暴露的蓝宝石衬底表面生长AlxGa1-xN缓冲层，获得复合图形衬底，其中，0≤X≤1。
于本发明的一实施方式中，还包括以下任意一项或多项特征：
1)所述低折射率介质层的材料为氧化硅或氮化硅；
2)在步骤S1中，所述低折射率介质层的沉积速率为所述低折射率介质层的沉积温度为300-1000℃；
3)在步骤S1中，所述低折射率介质层的厚度为1-4μm。
于本发明的一实施方式中，在步骤S2中，刻蚀所述低折射率介质层的过程包括以下步骤：
S2-1：在所述低折射率介质层上制备掩模图形；
S2-2：刻蚀所述低折射率介质层，将所述掩模图形转移至所述低折射率介质层上，获得带有所述凹陷结构的图形衬底；
S2-3：清洁所述图形衬底，检测、分档和收集所述图形衬底。
于本发明的一实施方式中，在步骤S2-1中，通过涂光刻胶、曝光、坚膜和显影的黄光过程在所述介质层上制作出掩模图形。
于本发明的一实施方式中，在步骤S2-2中，要求刻蚀的深度不小于所述介质层的厚度。
于本发明的一实施方式中，在步骤S2-2中，选用ICP刻蚀所述低折射率介质层。
于本发明的一实施方式中，所述凹陷结构将所述低折射率介质层分割为若干介质柱，或者所述凹陷图形包括若干通孔。
于本发明的一实施方式中，所述介质柱的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐减小，且所述介质柱的横截面积范围是1-1000μm2，所述介质柱的横截面包括圆形、椭圆形或多边形；所述通孔的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐增大，且所述通孔的横截面积范围是1-1000μm2，所述通孔的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。
于本发明的一实施方式中，在步骤S3中，采用化学气相沉积法制备所述缓冲层，所述缓冲层的沉积速率为5-50nm/min，所述缓冲层的沉积温度为300-1000℃；所述缓冲层厚度为10-100nm。
本发明公开一种如上述所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法获得的复合图形衬底。
本发明为了提高LED的出光效率，通过低折射率介质取代蓝宝石制作成图形衬底，以减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高LED芯片的出光效率。根据光的传播原理，光从光密介质(折射率n2)传到光疏介质(折射率n1)时，在光线入射角等于全反射临界角时，光线只发生反射，不发生折射；全反射临界角ic为：ic＝arcsin n1/n2；在蓝宝石图形衬底的GaN外延层内，蓝宝石折射率n1＝1.8，GaN折射率n2＝2.5，ic1＝arcsin n1/n2＝arcsin1.8/2.5＝46.1°，则入射角大于46.1°时，入射的光会发生全反射。当使用折射率低于蓝宝石的材料制作成图形时，全反射的入射角会变小，那反射光的占比增大，比如使用SiO2作为介质制作成图形衬底时，图形尺寸规格与蓝宝石PSS衬底相同条件下，因SiO2的折射率n1＝1.4，则全反射临界角ic2＝34.1°，因此相比较蓝宝石图形衬底，利用SiO2的PSS衬底，对光的反射范围增加46.1°-34.1°＝12°，以图形衬底规格为2.8*0.2*1.7来估算，使用SiO2的图形衬底后对光的反射会增加约4.8％。使用低折射率介质制作PSS衬底，不仅可以提升LED芯片光的提取效率，而且图形衬底的加工效率提升20-30％，生产成本降低约10％。
如上所述，本发明提供一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明通过低折射率介质取代蓝宝石制作成图形衬底，减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高LED芯片的出光效率，并且可以提高生产效率，降低生产成本。并且，在图案衬底制作完成后在其表面沉积一层多晶AlxGa1-xN(0≤x≤1)成核层，制作成复合图案衬底，将复合图案衬底置于LED蓝宝石基片外延的专业设备(MOCVD)生长，避免了目前的二步法生长GaN模式的缓冲(buffer)生长层，采用一步法直接生长，生长时间可以节约0.5-1小时/炉，提高生产效率，产出率可以提升10％以上；使用此种复合图形衬底生长的外延片在对光的提取效率较同种规格的蓝宝石PSS衬底提高3-5％。
附图说明
图1显示为本发明的利用低折射率材料为介质的图形衬底的制作方法流程示意图。
图2～图3显示为本发明的利用低折射率材料为介质的图形衬底的制造方法步骤S1所呈现的结构示意图。
图4～图5显示为本发明的利用低折射率材料为介质的图形衬底的制造方法步骤S3所呈现的结构示意图。
图6～图7显示为本发明的利用低折射率材料为介质的图形衬底的制造方法步骤S5所呈现的结构示意图。
图8显示为本发明以SiO2为介质制作的图形衬底的SEM截面图。
元件标号说明
1 蓝宝石衬底
2 低折射率介质层
3 缓冲层
4 介质柱
S1-S5 步骤
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至图6，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。
如图1所示，本发明提供一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底1，在其表面沉积一层低折射率介质层2；
S2：刻蚀低折射率介质层2，得到凹陷结构；
S3：在被凹陷结构暴露的蓝宝石衬底1表面生长AlxGa1-xN(0≤X≤1)缓冲层3，获得复合图形衬底。
如图1、图2所示，首先执行步骤S1，提供一蓝宝石衬底1，在其表面沉积一层低折射率介质层2。在本实施例中，蓝宝石衬底1的表面为平直面。要求介质材料的折射率低于蓝宝石，并且具有良好的透光性。介质材料的折射率为小于1.8。优选地，介质材料的折射率为1.0-1.8。作为示例，介质材料为氧化硅或氮化硅，
在步骤S1中，低折射率介质层2的厚度为1-4μm。在本实施例中，低折射率介质层2的厚度为2.5μm。当然，此处所列举的厚度范围为最优选的范围，在其它的实施例中，低折射率介质层2的厚度可以根据实际需求进行选择，并不限定于此。
在步骤S1中，低折射率介质层2的沉积速率为低折射率介质层2的沉积温度为300-1000℃。在本实施例中，低折射率介质层2的沉积速率为低折射率介质层2的沉积温度为400℃。
在步骤S2中，刻蚀所述低折射率介质层，得到凹陷结构，使得凹陷结构暴露出蓝宝石衬底。
在步骤S2中，刻蚀低折射率介质层的过程包括以下步骤：
S2-1：在低折射率介质层上制备掩模图形。
S2-2：刻蚀所述低折射率介质层，将所述掩模图形转移至所述低折射率介质层上，获得带有凹陷结构的图形衬底。
S2-3清洁图形衬底，检测、分档和收集图形衬底。
在步骤S2-1中，通过涂光刻胶、曝光、坚膜和显影的黄光过程在低折射率介质层2上制作出掩模图形。掩模图形的形状、高度、直径依据需要制作的图形调整。作为示例，SiO2介质层上制作高度2.5μm，下圆直径2μm，上圆直径1.4μm的掩模图形。
在步骤S2-2中，选用离子束辅助自由基(ICP)刻蚀低折射率介质层2。作为示例，采用分步刻蚀法、刻蚀速率先快后慢。在ICP刻蚀低折射率介质层2过程中选用含氟基的气体，比如CHF3、BCl3或CHF3/BCl3混合气体的任意一种作为刻蚀气体，作为示例，SiO2介质层的刻蚀采用CHF3/BCl3混合气体为刻蚀气。刻蚀图形依据掩模图形形状及刻蚀速率控制获得，要求刻蚀深度大于介质层厚度，使得位于凹陷结构底部的蓝宝石表面要露出。
在步骤S2-2中，凹陷结构将低折射率介质层分割为若干介质柱4。如图4、图5所示，介质柱4的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐减小，且介质柱4的横截面积范围是1-1000μm2，介质柱4的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。图8显示为本发明以SiO2为介质制作的图形衬底的SEM截面图，如图所示，SiO2图形刻蚀深度2.7-2.8μm，刻蚀出的介质柱4为圆锥状，介质柱4底部直径2.6-2.7μm，间距0.3-0.4μm，高度1.7-1.9μm。或者，凹陷图形包括若干通孔，通孔的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐增大，且通孔的横截面积范围是1-1000μm2，通孔的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。
在步骤S2-3中，通过Plasma、清洗、烘干等工序后清洁衬底表面，并利用OM、SEM、AOI设备对图形形状、大小、缺陷情况进行检测，并根据需要进行分档收集。
在步骤S3中，缓冲层3优选为低温AlxGa1-xN层(0≤X≤1)，采用低温化学气相沉积法制备而成，缓冲层3的沉积速率为5-50nm/min，缓冲层3沉积温度为300-1000℃。在本实施例中，缓冲层3的沉积速率为7nm/min，缓冲层3的沉积温度为550℃，缓冲层3为Al0.1Ga0.9N缓冲层。
作为示例，缓冲层3厚度为10-100nm。在本实施例中，缓冲层3的厚度为30nm。当然，此处所列举的厚度范围为最优选的范围，在其它的实施例中，缓冲层3的厚度可以根据实际需求进行选择，并不限定于此。
由于AlxGa1-xN材料构成的缓冲层制备的温度较低，所需制备的厚度较小，在保证后续发光外延结构(尤其是GaN基发光外延结构)成核生长的同时，可以有效地降低生产成本。
综上所述，本发明通过低折射率介质取代蓝宝石制作成图形衬底，减小芯片内部光的折射，提高光的反射，提高LED芯片的出光效率，并可以提高图案衬底生产效率，降低生产成本。并且，在图案衬底制作完成后在其表面沉积一层多晶AlxGa1-xN(0≤x≤1)成核层，制作成复合图案衬底，将复合图案衬底置于LED蓝宝石基片外延的专业设备(MOCVD)生长，避免了目前的二步法生长GaN模式的缓冲(buffer)生长层，采用一步法直接生长，生长时间可以节约0.5-1小时/炉，提高生产效率，产出率可以提升10％以上；使用此种复合图形衬底生长的外延片在对光的提取效率较同种规格的蓝宝石PSS衬底提高3-5％。
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 (10)
1.一种利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底表面沉积一层低折射率介质层；其中，所述低折射率介质层的折射率小于1.8；
S2：刻蚀所述低折射率介质层，得到凹陷结构，使得所述凹陷结构暴露出所述蓝宝石衬底；
S3：在被所述凹陷结构暴露的蓝宝石衬底表面生长AlxGa1-xN缓冲层，获得复合图形衬底，其中，0≤X≤1。
2.根据权利要求1所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，还包括以下任意一项或多项特征：
1)所述低折射率介质层的材料为氧化硅或氮化硅；
2)在步骤S1中，所述低折射率介质层的沉积速率为所述低折射率介质层的沉积温度为300-1000℃；
3)在步骤S1中，所述低折射率介质层的厚度为1-4μm。
3.根据权利要求1所述的利用低折射率材料为介质的复合衬底的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，刻蚀所述低折射率介质层的过程包括以下步骤：
S2-1：在所述低折射率介质层上制备掩模图形；
S2-2：刻蚀所述低折射率介质层，将所述掩模图形转移至所述低折射率介质层上，获得带有所述凹陷结构的图形衬底；
S2-3：清洁所述图形衬底，检测、分档和收集所述图形衬底。
4.根据权利要求3所述的利用低折射率材料为介质的复合衬底的制作方法，其特征在于，在步骤S2-1中，通过涂光刻胶、曝光、坚膜和显影的黄光过程在所述介质层上制作出掩模图形。
5.根据权利要求3所述的利用低折射率材料为介质的复合衬底的制作方法，其特征在于，在步骤S2-2中，要求刻蚀的深度不小于所述介质层的厚度。
6.根据权利要求1所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，在步骤S2-2中，选用ICP法刻蚀所述低折射率介质层。
7.根据权利要求1所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述凹陷结构将所述低折射率介质层分割为若干介质柱，或者所述凹陷图形包括若干通孔。
8.根据权利要求7所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述介质柱的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐减小，且所述介质柱的横截面积范围是1-1000μm2，所述介质柱的横截面包括圆形、椭圆形或多边形；所述通孔的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐增大，且所述通孔的横截面积范围是1-1000μm2，所述通孔的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。
9.根据权利要求1所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，在步骤S3中，采用化学气相沉积法制备所述缓冲层，所述缓冲层的沉积速率为5-50nm/min，所述缓冲层的沉积温度为300-1000℃；所述缓冲层厚度为10-100nm。
10.一种如权利要求1至9任一所述的利用低折射率材料为介质的复合图形衬底的制作方法获得的复合图形衬底。
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