CN108550673A - 图形化衬底、外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图形化衬底、外延片及其制作方法，属于半导体技术领域，该图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，多个第二锥状凸起围绕多个第一锥状凸起布置，第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同，由于第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同，这样在生长外延层时，可以降低外延层边缘的应力，减少翘曲，使外延片厚度更加均匀，降低外延片边缘和中部的厚度差异，同时通过实验对比发现，还有利于生长量子阱时In的并入，从而提高了外延片发光波长的均匀性和一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图形化衬底、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。图形化衬底是一种常用的衬底，相比于传统的平片衬底，在图形化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：
通过现有的图形化衬底制作外延片时，形成的外延片的边缘的发光波长相较于中部要短，使得发光波长均匀性和一致性较差。
发明内容
为了解决现有图形化衬底制成的外延片发光波长均匀性和一致性较差的问题，本发明实施例提供了一种图形化衬底、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衬底，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述多个第二锥状凸起围绕所述多个第一锥状凸起布置，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
可选地，所述第一锥状凸起呈圆锥状，所述第二锥状凸起呈圆台状，所述第二锥状凸起的顶面上形成有多个圆锥凸起，或者所述第二锥状凸起的顶面为弧状凸面。
可选地，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的底面直径为0.2um～1.0um。
可选地，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的高度为0.1um～0.5um。
可选地，沿从所述图形化衬底的中部向边缘延伸的任意方向上，所述第二锥状凸起的数量为1～300个。
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衬底和形成在所述图形化衬底上的外延层。
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，以形成图形化衬底，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
可选地，所述掩膜层为光刻胶或SiO2。
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。
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：
提供一图形化衬底；
在所述图形化衬底上生长外延层，
其中，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述多个第二锥状凸起围绕所述多个第一锥状凸起布置，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将图形化衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，其中多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，由于第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同，这样在生长外延层时，可以降低外延层边缘的应力，减少翘曲，使外延片厚度更加均匀，降低外延片边缘和中部的厚度差异，同时通过实验对比发现，还有利于生长量子阱时In的并入，从而提高了外延片发光波长的均匀性和一致性。
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衬底的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种图形化衬底的截面示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种图形化衬底的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制作方法流程图；
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图6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衬底的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种图形化衬底的截面示意图，结合图1和图2，该图形化衬底10的图形11包括阵列布置的多个锥状凸起。
锥状凸起指的是横截面沿高度方向逐渐缩小的回转体，包括但不限于圆锥凸起。
多个锥状凸起包括位于图形化衬底10的中部的多个第一锥状凸起111和位于图形化衬底10的边缘的多个第二锥状凸起112，多个第二锥状凸起112围绕多个第一锥状凸111起布置，第一锥状凸起111和第二锥状凸起112的形状不同。
通过将图形化衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，其中多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，由于第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同，这样在生长外延层时，可以降低外延层边缘的应力，减少翘曲，使外延片厚度更加均匀，降低外延片边缘和中部的厚度差异，同时通过实验对比发现，还有利于生长量子阱时In的并入，从而提高了外延片发光波长的均匀性和一致性。
如图2所示，第一锥状凸起111呈圆锥状，第二锥状凸起112呈圆台状，第二锥状凸起112的顶面上形成有多个圆锥凸起112a。
图3是本发明实施例提供的另一种图形化衬底的结构示意图，如图3所示，第一锥状凸起111呈圆锥状，第二锥状凸起112呈圆台状，第二锥状凸起112的顶面为弧状凸面112b。
可选地，第一锥状凸起111和第二锥状凸起112的底面直径可以为0.2um～1.0um，锥状凸起的底面直径过小会加大制作的难度，导致制作成本增加，锥状凸起的底面直径过大则会导致发光效率降低。
第一锥状凸起111和第二锥状凸起112的高度可以为0.1um～0.5um，锥状凸起的高度过大会导致制作难度太大，将锥状凸起的高度h设置为0.1um～0.5um可以满足大多数情况的需要。
第一锥状凸起111和第二锥状凸起112的底面直径可以相同，第一锥状凸起111和第二锥状凸起112的高度可以相同，这样可以便于制作。
可选地，沿从图形化衬底10的中部向边缘延伸的任意方向上，第二锥状凸起112的数量为1～300个，如图1所示，在本实施例中，沿从图形化衬底10的中部向边缘延伸的任意方向上，第二锥状凸起112的数量为2个。
需要说明的是，图1中所示的锥状凸起的数量仅为示意，并不用以限定锥状凸起的数量。
图4是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制作方法流程图，该方法用于制作图1所示的图形化衬底，如图4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或SiO2。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，以形成图形化衬底。
其中，图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同。
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。
通过将图形化衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，其中多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，由于第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同，这样在生长外延层时，可以降低外延层边缘的应力，减少翘曲，使外延片厚度更加均匀，降低外延片边缘和中部的厚度差异，同时通过实验对比发现，还有利于生长量子阱时In的并入，从而提高了外延片发光波长的均匀性和一致性。
图5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5所示，该外延片包括图1所示的图形化衬底10和形成在图形化衬底10上的外延层20。
该外延层20包括依次层叠在图形化衬底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5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。
通过将图形化衬底的图形设置成包括阵列布置的多个锥状凸起的形式，其中多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，由于第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同，这样在生长外延层时，可以降低外延层边缘的应力，减少翘曲，使外延片厚度更加均匀，降低外延片边缘和中部的厚度差异，同时通过实验对比发现，还有利于生长量子阱时In的并入，从而提高了外延片发光波长的均匀性和一致性。
图6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5所示的外延片，如图6所示，该制作方法包括：
S21：提供一图形化衬底。
其中，图形化衬底为图1所示的图形化衬底，该图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，多个锥状凸起包括位于图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，多个第二锥状凸起围绕多个第一锥状凸起布置，第一锥状凸起和第二锥状凸起的形状不同。
S22：在图形化衬底上生长外延层。
具体可以在图形化衬底上依次形成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，可以对图形化衬底进行预处理，将图形化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)
1.一种图形化衬底，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，其特征在于，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述多个第二锥状凸起围绕所述多个第一锥状凸起布置，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一锥状凸起呈圆锥状，所述第二锥状凸起呈圆台状，所述第二锥状凸起的顶面上形成有多个圆锥凸起，或者所述第二锥状凸起的顶面为弧状凸面。
3.根据权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的底面直径为0.2um～1.0um。
4.根据权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的高度为0.1um～0.5um。
5.根据权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，沿从所述图形化衬底的中部向边缘延伸的任意方向上，所述第二锥状凸起的数量为1～300个。
6.一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1～5任一项所述图形化衬底和形成在所述图形化衬底上的外延层。
7.一种图形化衬底的制作方法，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，以形成图形化衬底，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述掩膜层为光刻胶或SiO2。
9.根据权利要求7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。
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：
提供一图形化衬底；
在所述图形化衬底上生长外延层，
其中，所述图形化衬底的图形包括呈阵列状分布的多个锥状凸起，所述多个锥状凸起包括位于所述图形化衬底的中部的多个第一锥状凸起和位于所述图形化衬底的边缘的多个第二锥状凸起，所述多个第二锥状凸起围绕所述多个第一锥状凸起布置，所述第一锥状凸起和所述第二锥状凸起的形状不同。
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