CN112951962A - 一种多边内凹型图形化衬底和led外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种多边内凹型图形化衬底和LED外延片。该多边内凹型图形化衬底包括：基底，位于所述基底上的多个第一微结构凸起，所述第一微结构凸起包括多个侧面，所述多个侧面中包括至少一个内凹侧面。本发明实施例可以提高微结构的排布密度，增加对光线的反射，实现外量子效应的最大化，同时能最大限度保证衬底C面面积，保证外延质量，降低对内量子效率的影响。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多边内凹型图形化衬底和LED外延片。
背景技术
目前GaN材料大多采用异质外延方式，硅(Si)、碳化硅(SiC)和蓝宝石(Al2O3)等都是其较为常见的衬底材料。但Si与GaN存在较大的晶格失配度；SiC价格昂贵，不利于民用普及；而Al2O3因化学稳定，机械强度高，价格低廉，透光性好，技术成熟等优点，使其成为当前GaN异质外延中广泛使用的衬底材料。然而，由于Al2O3和GaN同样存在一定的晶格系数和热膨胀系数失配，GaN外延层位错密度较高(109～1011cm-2)。位错不仅形成非辐射复合中心影响内量子效应，同时对光子的散射，极大限制出光率。
目前，针对上述问题提出了图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)，然而PSS衬底中的微结构图形通常为圆锥结构，其对外延位错的改善效果有限，对于提升GaN基LED内量子效率和光提取效率也有一定的局限性，不能够满足日益增长的高亮度LED芯片需求。
发明内容
本发明提供一种多边内凹型图形化衬底和LED外延片，以保证外延所需的C面，增加微结构与外延的交界面，提高出光效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种多边内凹型图形化衬底，包括：
基底，
位于所述基底上的多个第一微结构凸起，所述第一微结构凸起包括多个侧面，所述多个侧面中包括至少一个内凹侧面。
可选地，所述多个侧面中包括多个所述内凹侧面；多个所述内凹侧面在所述基底所在平面的垂直投影为轴对称图形和/或中心对称图形。
可选地，所述多个侧面中包括多个所述内凹侧面；相邻的两个所述内凹侧面的边缘相接，和/或，相邻的两个所述内凹侧面之间间隔至少一个非内凹侧面，且所述非内凹侧面为平面或圆锥面或圆柱面。
可选地，所述多个第一微结构凸起的形状相同；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的另一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面相对。
可选地，所述多个第一微结构凸起的形状相同；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面的连接边界相对，或者，与相邻的另一个所述第一微结构凸起中相邻的两个内凹侧面间隔的所述非内凹侧面相对。
可选地，所述多个第一微结构凸起包括形状不同的至少两种第一微结构凸起；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面相对。
可选地，所述多个第一微结构凸起包括形状不同的至少两种第一微结构凸起；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面的连接边界相对，或者，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面间隔的所述非内凹侧面相对。
可选地，还包括位于所述基底上的多个第二微结构凸起，所述第二微结构凸起的侧面均为平面或圆锥面或圆柱面。
可选地，所述第一微结构凸起周围设置的所述第二微结构凸起的数量等于所述第一微结构凸起的内凹侧面的数量，且所述第二微结构凸起一一正对所述第一微结构凸起的内凹侧面设置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种LED外延片，包括如第一方面任一项所述的多边内凹型图形化衬底，还包括位于所述多边内凹型图形化衬底上的外延层。
本发明实施例通过在第一微结构凸起设置至少一个内凹侧面，不仅可以减少底面面积，保证外延所需的C面的存在；还能够增加微结构侧面的面积，使外延层与衬底的倾斜界面的面积增加，从而进一步改善对光线的反射效率，提高出光效率。本发明实施例可以提高微结构的排布密度，增加对光线的反射，实现外量子效应的最大化，同时能最大限度保证衬底C面面积，保证外延质量，降低对内量子效率的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多边内凹型图形化衬底的结构示意图；
图2是图1所示多边内凹型图形化衬底中第一微结构凸起的立体示意图；
图3是图1所示多边内凹型图形化衬底中第一微结构凸起的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种六边内凹图形结构的结构示意图；
图5是图4所示六边内凹图形的两个内凹平面的侧视图；
图6是图4所示六边内凹图形的两个内凹平面的俯视图；
图7是图1所示多边内凹型图形化衬底对应的掩膜版的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的多边内凹型图形化衬底制备过程中的光刻胶胶柱的结构示意图；
图9-图11是本发明实施例提供的另外三种第一微结构凸起的俯视图；
图12和图13是本发明实施例提供的又两种第一微结构凸起的俯视图；
图14-图16是本发明实施例提供的又两种第一微结构凸起的俯视图；
图17是本发明实施例提供的又一种多边内凹型图形化衬底的俯视图；
图18是本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种多边内凹型图形化衬底的结构示意图，图2是图1所示多边内凹型图形化衬底中第一微结构凸起的立体示意图，图3是图1所示多边内凹型图形化衬底中第一微结构凸起的俯视图，参考图1-图3，该多边内凹型图形化衬底包括基底10，位于基底10上的多个第一微结构凸起21，第一微结构凸起21包括多个侧面，多个侧面中包括至少一个内凹侧面201。
其中，基底10可采用蓝宝石平片，在基底10上设置多个第一微结构凸起21，可以利用第一微结构凸起21改变基底10的平整表面，使其平整表面呈凹凸状。而在相邻的第一微结构凸起21的间隙中，仍保持平整表面的结构。可以理解，对于在基底10上形成的多个第一微结构凸起21可以减少基底10中平整表面的面积，从而能够使外延层在该基底10上生长时减少生长应力，从而避免外延生长过程中的晶格位错，保证外延层质量。而同时，第一微结构凸起21倾斜的侧面可以改变衬底与外延层的界面角度，使发光层产生的光线在衬底和外延层的交界面发生全反射，提高光线反射几率，从而提高光线提取效率。
在上述第一微结构凸起21能够改善LED芯片质量的基础上，本领域技术人员同样可以理解，为了进一步提高光线的反射效率，可增加第一微结构凸起21的密度以使侧面面积增大，而第一微结构凸起21的排布密度越大，则相邻两个第一微结构凸起21之间的间隙越小，也即会导致基底10的平整表面的面积变小，从而影响外延层生长时的晶核数量，进而影响外延层生长效率和质量。
基于此，本实施例中将第一微结构凸起21的侧面设置包括至少一个内凹侧面201，其中内凹侧面201是指向第一微结构凸起21的内部凹陷的侧面。由图3所示的俯视图可以看出，由于具有内凹侧面201，第一微结构凸起21的底面与该内凹侧面201相交接的连接边界同样为内凹的边线，换言之，第一微结构凸起21在基底10所在平面的垂直投影所形成的图形边线为内凹边线，该图形的面积相较于侧面为非内凹侧面的微结构凸起的投影图形的面积变小。由此可知，第一微结构凸起21在基底10上的所占据的平整表面面积减小，使得基底10具有足够的平整表面以形成外延晶核，保证外延层的正常生长。
此外需要说明的是，设置第一微结构凸起21的侧面为内凹侧面，能够增加第一微结构凸起21的侧面面积，也即可以增加衬底与外延层的倾斜界面的面积。下面以标准的六边内凹图形为例，对内凹侧面能够增加侧面面积进行说明。
首先，假设内凹面近似为向图形内部内凹的两个平面，图4是本发明实施例提供的一种六边内凹图形和六边非内凹图形的结构示意图，图5是图4所示六边内凹图形的两个内凹平面以及所述六边内凹图形的非内凹面的侧视图，图6是图4所示六边内凹图形的两个内凹平面以及所述六边内凹图形的非内凹面的俯视图，参考图4-图6，设该六边内凹图形和六边非内凹图形的底径＝R、高度＝H，六边内凹图形的内凹角度为θ
六边内凹图形中两个内凹平面的面积均为S1，且内凹平面与底面夹角为θ1，六边非内凹图形的非内凹面的面积为S2，且与底面夹角为θ2，同时内凹平面在底面的投影面积为S3，六边非内凹图形的非内凹面在底面的投影面积为S4；。
现需证明：2S1＞S2；
经计算：
求得：
令：f(θ)＝2S1
因为面积变化属于连续变化，故limθ→0f(θ)＝S2；
现只需证明在
内，f(θ)＞S2，成立即可；
对f(θ)求导：
化简的：f’(θ)＞0时，
令
ω’(θ)＞0，在
内恒成立；
即0＜ω(θ)＜∞；
讨论：无论R、H取何值，都能找到一个临界角α，满足
当0＜θ＜α时，f’(θ)＞0；
当
时，f’(θ)＜0；
下面确认两端点的极限值即可；
前面已知：limθ→0f(θ)＝S2；
若要满足，
(满足
)；
综上：在
时，2S1＞S2恒成立；而实际中为保证有效的光提取效率，微结构凸起的图形尺寸需满足：R＜H＜2R。故在微结构凸起中设置的内凹侧面，相较于非内凹的侧面而言其面积具有一定的增加，并且增加比例与内凹角度θ有关。
综上可知，内凹侧面相较于平面侧面能够增加表面面积。相较于具有非内凹侧面的微结构而言，本发明实施例通过在第一微结构凸起设置至少一个内凹侧面，不仅可以减少底面面积，保证外延所需的C面的存在；还能够增加微结构侧面的面积，使外延层与衬底的倾斜界面的面积增加，从而进一步改善对光线的反射效率，提高出光效率。本发明实施例可以提高微结构的排布密度，增加对光线的反射，实现外量子效应的最大化，同时能最大限度保证衬底C面面积，保证外延质量，降低对内量子效率的影响。
下面以如图1-图3所示的多边内凹型图形化衬底的制备过程进行详细介绍。图7是图1所示多边内凹型图形化衬底对应的掩膜版的结构示意图，图8是本发明实施例提供的多边内凹型图形化衬底制备过程中的光刻胶胶柱的结构示意图，参考图7和图8，该制备方法包括：
S110、选定具有特定图形组合的掩膜版；
S120、使用浓H2SiO4和H2O2比为5:1的SPM混合溶液对基底表面进行清洁处理，除去表面金属杂质及其氧化物；
S130、对蓝宝石衬底实行正常的匀胶、曝光、显影等光刻工艺，将“掩膜图形”转移至光刻掩膜中，形成光刻胶胶柱；
S140、采用感应耦合等离子体刻蚀工艺对具有掩膜层的基底进行刻蚀处理，形成多个第一微结构凸起。
可以理解，由于掩膜版中设置有特殊的掩膜图形，其转移至光刻胶胶柱再通过等离子体刻蚀后，会在基底表面形成具有内凹侧面的微结构凸起。当然，如图7所示的掩膜图形以及图2和图3所示的第一微结构凸起的形状仅为一种实施例，本领域技术人员可合理设计掩膜图形，从而获得相应的具有内凹侧面的微结构凸起形状。另外，为方便理解，如图7所示的掩膜版可知，该掩膜图形可以理解为由圆形掩膜图形设置多个内凹边线所形成的掩膜图形，而图2和图3所示的第一微结构凸起可以理解为在圆锥型微结构凸起的基础上刻蚀内凹侧面而形成的微结构凸起结构。
基于上述发明构思，本发明实施例提供了多种实施方式，下面对其进行详细划分和示意。
继续参考图1-图3，该图形化衬底中，可选多个侧面中包括多个内凹侧面201；多个内凹侧面201在基底10所在平面的垂直投影为轴对称图形和/或中心对称图形。
此时，内凹侧面201可以理解为均匀排布在第一微结构凸起21的侧面，其能保证对光线的反射更为均匀。同时，规则的图形结构可以方便多个第一微结构凸起21整体的密集和规则排布，同样能够实现光线发射的均匀性。可以理解，本实施例中的第一微结构凸起21可不限于设置有如图1所示的六个内凹侧面，其可以设置为三个、四个、五个等一系列的内凹侧面，此处不做限制。
图9-图11是本发明实施例提供的另外三种第一微结构凸起的俯视图，参考图9，可选地，多个侧面中包括多个内凹侧面201；相邻的两个内凹侧面201的边缘相接。分别参考图3、图10和图11，可选地，本发明实施例中也可设置相邻的两个内凹侧面201之间间隔至少一个非内凹侧面202，且非内凹侧面202为平面或圆锥面或圆柱面。
继续参考图3、图10-图11所示的第一微结构凸起21，可以理解，上述的第一微结构凸起21是在相应标准的掩膜图形的基础上设置内凹边线，从而形成内凹型的掩膜图形，继而通过等离子体刻蚀制备形成了具有内凹侧面的微结构。当采用标准掩膜图形例如多边形、圆形制备微结构时，可形成多棱锥、多棱柱、圆锥或圆柱型的微结构凸起，而由于掩膜图形设置有内凹边线，故而在上述的标准微结构凸起的侧面会形成内凹侧面。而由于刻蚀程度的不同，形成的内凹侧面会部分替代或完全替代标准的微结构凸起的侧面，其中完全替代标准微结构凸起的侧面时，则相邻的两个内凹侧面的边缘相接，如图9所示；部分替代时，则相邻的两个内凹侧面之间会间隔平面或圆锥面或圆柱面等非内凹侧面，如图3、图10和图11所示。
继续参考图3、图9-图11，可选地，本发明实施例中可设置多个第一微结构凸起21的形状相同；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的另一个第一微结构凸起21的内凹侧面201相对。此时，相邻的两个第一微结构凸起21之间的间隙增大，基底表面的C面面积增大，有利于外延的生长，保证LED芯片的内量子效率。
图12和图13是本发明实施例提供的又两种第一微结构凸起的俯视图，参考图12，可选地，多个第一微结构凸起21的形状相同；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的另一个第一微结构凸起21中相邻两个内凹侧面201的连接边界相对。参考图13，可选地，多个第一微结构凸起21的形状相同；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的另一个第一微结构凸起21中相邻的两个内凹侧面201间隔的非内凹侧面202相对。
如图12和图13所示的图形化衬底中，多个第一微结构凸起21之间实质上呈互补的排布关系，此时第一微结构凸起21的排布密度更大，也即由第一微结构凸起21的侧面形成的外延与衬底的交界面更多，从而更有利于对发光层生成的光线进行反射，提高光线的出光效率。
图14-图16是本发明实施例提供的又两种第一微结构凸起的俯视图，参考图14，可选地，多个第一微结构凸起21包括形状不同的至少两种第一微结构凸起21；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的且形状不同的另一个第一微结构凸起21的内凹侧面201相对。参考图15，可选地，多个第一微结构凸起21包括形状不同的至少两种第一微结构凸起21；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的且形状不同的另一个第一微结构凸起21中相邻两个内凹侧面201的连接边界相对。参考图16，可选地，多个第一微结构凸起21包括形状不同的至少两种第一微结构凸起21；任意一个第一微结构凸起21的内凹侧面201，与相邻的且形状不同的另一个第一微结构凸起21中相邻两个内凹侧面201间隔的非内凹侧面202相对。
可以理解，设置两种以上的第一微结构凸起21，可以利用形状不同的第一微结构凸起21在基底上进行互补排布，增加第一微结构凸起21的排布密度，从而能够保证基底存在足够的C面的基础上，实现光线反射效率的提高，改善LED芯片的出光效率。
图17是本发明实施例提供的又一种多边内凹型图形化衬底的俯视图，参考图17，可选地，该图形化衬底中还包括位于基底10上的多个第二微结构凸起22，第二微结构凸起22的侧面均为平面或圆锥面或圆柱面。其中，如图17所示，该第二微结构凸起22的侧面为圆锥面，即该第二微结构凸起22实质为圆锥体。第二微结构凸起22的侧面为平面或圆柱面，则表示该第二微结构凸起22实质为多棱柱、多棱锥或圆柱。可以理解，在该多边内凹型图形化衬底的表面同时设置第一微结构凸起21和第二微结构凸起22，可以利用两种微结构的图形互补实现互补型排布，以增加图形化衬底的微结构排布密度，有效增加光线反射效率，改善LED芯片的出光效率。
继续参考图17，进一步可选地，为保证图形化衬底的反射光的均匀性，可设置第一微结构凸起21周围设置的第二微结构凸起22的数量等于第一微结构凸起21的内凹侧面201的数量，且第二微结构凸起22一一正对第一微结构凸起21的内凹侧面201设置。
本发明实施例还提供了一种LED外延片，图18是本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图，参考图18，该LED外延片包括本发明实施例提供的任意一种多边内凹型图形化衬底100，还包括位于多边内凹型图形化衬底100上的外延层200。
对于在不同材质的微结构上形成外延层，需要不同的LED外延片生长技术，而对于本发明实施例提供的多边内凹型图形化衬底100，LED外延片上的外延层200可以是GaN、AlGaN外延层等。该LED外延片因采用上述实施例提供的多边内凹型图形化衬底100，因而具备该多边内凹型图形化衬底100同样的有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种多边内凹型图形化衬底，其特征在于，包括：
基底，
位于所述基底上的多个第一微结构凸起，所述第一微结构凸起包括多个侧面，所述多个侧面中包括至少一个内凹侧面。
2.根据权利要求1所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个侧面中包括多个所述内凹侧面；多个所述内凹侧面在所述基底所在平面的垂直投影为轴对称图形和/或中心对称图形。
3.根据权利要求1所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个侧面中包括多个所述内凹侧面；相邻的两个所述内凹侧面的边缘相接，和/或，相邻的两个所述内凹侧面之间间隔至少一个非内凹侧面，且所述非内凹侧面为平面或圆锥面或圆柱面。
4.根据权利要求3所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个第一微结构凸起的形状相同；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的另一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面相对。
5.根据权利要求3所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个第一微结构凸起的形状相同；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面的连接边界相对，或者，与相邻的另一个所述第一微结构凸起中相邻的两个内凹侧面间隔的所述非内凹侧面相对。
6.根据权利要求3所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个第一微结构凸起包括形状不同的至少两种第一微结构凸起；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面相对。
7.根据权利要求3所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述多个第一微结构凸起包括形状不同的至少两种第一微结构凸起；任意一个所述第一微结构凸起的所述内凹侧面，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面的连接边界相对，或者，与相邻的且形状不同的另一个所述第一微结构凸起中相邻两个内凹侧面间隔的所述非内凹侧面相对。
8.根据权利要求1所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，还包括位于所述基底上的多个第二微结构凸起，所述第二微结构凸起的侧面均为平面或圆锥面或圆柱面。
9.根据权利要求8所述的多边内凹型图形化衬底，其特征在于，所述第一微结构凸起周围设置的所述第二微结构凸起的数量等于所述第一微结构凸起的内凹侧面的数量，且所述第二微结构凸起一一正对所述第一微结构凸起的内凹侧面设置。
10.一种LED外延片，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的多边内凹型图形化衬底，还包括位于所述多边内凹型图形化衬底上的外延层。
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