CN109786524A - 一种具有新型pss结构的led外延层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有新型PSS结构的LED外延层，包括依次设置的图形化衬底、U型GaN层、N型GaN层、MQW有源层和P型GaN层；所述图形化衬底包括衬底材料以及按照阵列排布在衬底材料上的衬底图形，所述衬底图形为圆锥体且其下底直径为1.5～3.5um、高度为0.8～2.5um，所述圆锥体包括上下设置的PSS膜层和衬底材料凸出结构或仅包括PSS膜层，所述PSS膜层的材质由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧硅中的一种或多种组合而成，在图形化衬底和U型GaN层间还设有氮化铝膜层；本发明还提供了上述LED外延层的制备方法。本发明通过设置复合材质的PSS衬底，增加了光线的全反射，有效提高了芯片的出光效率。

Description

一种具有新型PSS结构的LED外延层及其制备方法

技术领域

本发明涉及LED半导体生产技术领域，具体地，涉及一种具有新型PSS结构的LED外延层以及该LED外延层的制备方法。

背景技术

LED产品被广泛应用于各行各业并在人们的日常生活及生产中起到重要作用。目前，行业内主要采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)法来制备LED的外延片，由于在生产过程中存在着误差和晶格失配等因素，制备出的GaN材料具有位错密度高、产品质量提高难等缺陷。因此，如何制备得到更加完美的外延片是LED产品在工业量产过程中努力的方向。

图形化衬底(PatternedSapphire Substrate，PSS)，也就是在衬底材料上生长干法刻蚀用掩膜，并用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，再利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石并去掉掩膜，在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面的多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。因此，利用PSS技术可使LED的出射光亮度相比于传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。

随着LED领域工艺技术的发展，以及整个LED行业的迅速壮大，各厂家纷纷采用PSS技术，以提高LED器件的光提取效率，行业内对于GaN基LED器件PSS衬底的研究也逐渐增多。目前普遍使用的PSS衬底在衬底材料和衬底图形上均采用相同材质，申请人认为在这一方面还有进一步优化提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、便于推广且有效提高出光效率的LED外延结构，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有新型PSS结构的LED外延层，包括沿轴向依次设置的图形化衬底、不掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、MQW有源层和P型GaN层；所述图形化衬底包括衬底材料以及设置在所述衬底材料上的衬底图形，所述衬底图形为按照阵列均匀排布的圆锥体，该圆锥体包括上下设置的PSS膜层和衬底材料的凸出结构或仅包括PSS膜层，所述PSS膜层的材质由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧硅中的一种或多种组合而成。

优选地，所述圆锥体的下底直径为1.5～3.5um，所述圆锥体的高度为0.8～2.5um。

优选地，所述衬底材料的凸出结构的厚度控制在0～1um之间。PSS结构的整体高度不能太高，否则不利于外延层的生长。

优选地，还包括设置在图形化衬底和U型GaN层间的氮化铝膜。更优选地，所述氮化铝膜的厚度控制在5～50nm之间。氮化铝膜层可以视作缓冲层，可用于解决不同材料间晶格失配的问题，有利于氮化镓更好地生长，同时，氮化铝膜层越薄越有利于发光亮度的提升。

优选地，所述衬底材料的材质采用蓝宝石、硅、氮化镓中的任意一种。

由于本发明中所用衬底材料与PSS膜层的材质不同，而二者的折射率n值也不同，因此该结构设计有利于增大光反射中的全反射角，进而提升光亮度。

一种关于上述具有新型PSS结构的LED外延层的制备方法，包括如下步骤：处理图形化衬底、生长不掺杂Si的U型GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长MQW有源层和生长P型GaN层。

所述处理图形化衬底的步骤包括：首先在衬底材料上沉积一层PSS膜层，所述PSS膜层的材质由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧硅中的一种或多种组合而成，然后通过黄光光刻工艺在沉积好PSS膜层的衬底材料上进行光刻，最后通过ICP刻蚀工艺刻蚀出按照阵列均匀排布的图形化PSS结构。

优选地，所述PSS结构为圆锥体且其下底直径为1.5～3.5um，高度为0.8～2.5um。

优选地，对衬底材料的刻蚀深度L控制在0～1um之间。

优选地，在生长U型GaN层之前，采用溅射的方式在处理好的图形化衬底上镀上一层5～50nm厚度的氮化铝膜。

本发明的主要目的在于对LED外延层中PSS结构的改良，在实际生产过程中，可根据需要设置缓冲层、电子阻挡层、透明导电层等结构，而在本发明技术方案中并不对外延层的其余结构进行限定。

本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

本发明中的LED外延层采用了一种复合材质的PSS衬底，改变了光线在GaN内部的传播角度和传播路径，使得光线的出光角度增大，更有利于提高LED芯片的出光效率；而且用于制备该外延层的工艺路线简洁，有利于LED产业化推广。

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它的附图，其中：

图1是本发明实施例1的LED外延层的结构示意图；

图2是图1中图形化衬底的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图1中衬底材料经过ICP刻蚀后的结构示意图；

图5是本发明实施例1亮度提高的原理示意图；

图中：1衬底材料，2PSS膜层，3氮化铝膜，4U型GaN层，5N型GaN层，6MQW有源层，7P型GaN层。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1～图4，一种具有新型PSS结构的LED外延层，包括沿轴向依次设置的图形化衬底、不掺杂Si的U型GaN层4、掺杂Si的N型GaN层5、MQW有源层6和P型GaN层7。

所述图形化衬底包括衬底材料1以及设置在所述衬底材料1上的衬底图形，所述衬底图形为按照阵列均匀排布的圆锥体，该圆锥体包括上下设置的PSS膜层2和衬底材料1的凸出结构。

在本实施例中，所述衬底材料1的材质为蓝宝石，所述PSS膜层2的材质为氧化硅。

在本实施例中，在图形化衬底和U型GaN层4之间还设置有一层氮化铝膜3，所述氮化铝膜3的厚度为20nm。

本实施例中LED外延层的制备方法包括如下步骤：处理图形化衬底、溅射镀氮化铝膜、生长不掺杂Si的U型GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长MQW有源层和生长P型GaN层。

所述处理图形化衬底的步骤包括：

1、首先在蓝宝石衬底上沉积一层PSS膜层2且其沉积厚度为1.4um；

2、然后通过黄光光刻工艺在沉积好PSS膜层的蓝宝石衬底上进行光刻；

3、最后通过ICP刻蚀工艺刻蚀出按照阵列均匀排布的图形化PSS结构，对衬底的刻蚀深度L为0.2um，所述PSS结构为下底直径2.7um，高度1.6um的圆锥体。

按照上述步骤最终形成具有完整结构的外延层，进一步地，在全结构外延层上，经过芯片制程、研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选等工序制备出LED芯片。对该LED芯片与传统LED芯片的光电性能进行比较，结果表1所示。

表1

	PSS衬底	亮度	电压	波长
					实施例1	蓝宝石衬底材料+氧化硅PSS膜层	145.2Mw	3.020V	449nm
传统LED芯片	蓝宝石衬底材料+蓝宝石PSS结构	138.7mW	3.021V	449.7nm

结合表1与图5，可知当光线L1从光密介质射向光疏介质，且入射角θ1≥全反射角时，只有反射光L2而没有折射光L3，因此，对于传统LED芯片来说，MQW有源层发出的光从GaN射向蓝宝石PSS结构时，入射角度必须大于46.5°才能被全反射；而对于本发明实施例1中的LED芯片来说，MQW有源层发出的光从GaN射向SiO₂PSS膜层时，其入射角度只需大于36.5°即可发生全反射。相比之下，本发明提供的产品能产生更多的返回光，光线从正面或侧面射出进而提高亮度。

另一方面，在外延层的生长过程中，PSS结构的侧壁会不可避免的出现侧长问题，即产生很多晶向错乱的小颗粒，而在本发明实施例1中使用了氧化硅做衬底图形，由于晶格常数差异太大，小颗粒生长的几率大幅减小，有利于提升氮化镓晶体的结晶质量，从而提高亮度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有新型PSS结构的LED外延层，其特征在于，包括沿轴向依次设置的图形化衬底、不掺杂Si的U型GaN层(4)、掺杂Si的N型GaN层(5)、MQW有源层(6)和P型GaN层(7)；所述图形化衬底包括衬底材料(1)以及设置在所述衬底材料(1)上的衬底图形，所述衬底图形为按照阵列均匀排布的圆锥体，该圆锥体包括上下设置的PSS膜层(2)和衬底材料(1)的凸出结构或仅包括PSS膜层(2)，所述PSS膜层(2)的材质由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧硅中的一种或多种组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层，其特征在于，所述圆锥体的下底直径为1.5～3.5um，所述圆锥体的高度为0.8～2.5um。

3.根据权利要求2所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层，其特征在于，所述衬底材料的凸出结构的厚度控制在0～1um之间。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层，其特征在于，还包括设置在图形化衬底和U型GaN层间的氮化铝膜(3)，所述氮化铝膜(3)的厚度控制在5～50nm之间。

5.根据权利要求4所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层，其特征在于，所述衬底材料(1)的材质采用蓝宝石、硅、氮化镓中的任意一种。

6.一种根据权利要求1所述具有新型PSS结构的LED外延层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：处理图形化衬底、生长不掺杂Si的U型GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长MQW有源层和生长P型GaN层；

所述处理图形化衬底的步骤包括：首先在衬底材料(1)上沉积一层PSS膜层(2)，所述PSS膜层(2)的材质由氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧硅中的一种或多种组合而成，然后通过黄光光刻工艺在沉积好PSS膜层的衬底材料上进行光刻，最后通过ICP刻蚀工艺刻蚀出按照阵列均匀排布的图形化PSS结构。

7.根据权利要求6所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层的制备方法，其特征在于，所述PSS结构为圆锥体且其下底直径为1.5～3.5um，高度为0.8～2.5um。

8.根据权利要求7所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层的制备方法，其特征在于，对衬底材料的刻蚀深度L控制在0～1um之间。

9.根据权利要求6～8中任意一项所述的一种具有新型PSS结构的LED外延层的制备方法，其特征在于，在生长U型GaN层之前，采用溅射的方式在处理好的图形化衬底上镀上一层5～50nm厚度的氮化铝膜。