CN113161459A - 图形化衬底、发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图形化衬底、发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，所述衬底本体的表面具有多个凸起，每个所述凸起的远离所述衬底本体的一端均设有所述氧化铯层，每个所述凸起和每个所述凸起上对应的所述氧化铯层构成一个圆锥结构。采用该图形化衬底可以增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。
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、发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。氮化镓(GaN)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，使GaN基LED受到越来越多的关注和研究。
外延片是LED制备过程中的初级成品。现有的氮化镓基LED外延片包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上。P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光，衬底用于为外延材料提供生长表面。
通常会在衬底的表面形成阵列布置的多个凸起，一方面可以改变光线的出射角，提高光的提取效率；另一方面可以缓解衬底材料(如碳化硅、蓝宝石、硅)与氮化镓晶格常数的差异而产生的应力和缺陷，提升外延片整体的晶体质量，增加有源层的辐射复合发光，提高LED的发光效率。但是阵列布置多个凸起的图形化衬底对衬底材料和氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷作用有限，LED的发光效率还有待提升。
发明内容
本发明实施例提供了一种图形化衬底、发光二极管外延片及其制备方法，可以增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种图形化衬底，所述图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，所述衬底本体的表面具有多个凸起，每个所述凸起的远离所述衬底本体的一端均设有所述氧化铯层，每个所述凸起和每个所述凸起上对应的所述氧化铯层构成一个圆锥结构。
可选地，所述氧化铯层包括依次层叠的第一子层和第二子层，所述第一子层是在低温环境下生长而成的，所述第二子层是在高温环境下生长而成的。
可选地，所述圆锥结构的高度为1100nm～4000nm。
可选地，所述圆锥结构中每个所述凸起的高度为100nm～1000nm。
可选地，所述圆锥结构中每个所述凸起上的所述氧化铯层的高度为 1000～3000nm。
可选地，任意相邻两个所述圆锥结构之间的间隔为50～250nm。
可选地，所述圆锥结构在所述衬底上的正投影的直径为2750～2950nm。
第二方面，提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括如第一方面所述的图形化衬底以及依次层叠在所述图形化衬底上的N型半导体层、有源层和P型半导体层。
第三方面，提供了一种图形化衬底的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上沉积氧化铯层；
在沉积有所述氧化铯层的所述衬底上进行匀胶、曝光、显影处理形成掩膜层；
将形成有所述掩膜层的所述衬底进行刻蚀，得到所述图形化衬底，所述图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，所述衬底本体的表面具有多个凸起，每个所述凸起的远离所述衬底本体的一端均设有所述氧化铯层，每个所述凸起和每个所述凸起上对应的所述氧化铯层构成一个圆锥结构。
第四方面，提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：采用如第三方面所述的制备方法得到图形化衬底；在所述图形化衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将图形化衬底设置为包括衬底本体和氧化铯层的复合结构，其中氧化铯层中的Cs元素具有可产生突出的光电效应，极易电离而放出电子的固有属性，从而有利于提高电子浓度，进而提升外延发光亮度。且氧化铯材料的反射性较好，在图形化衬底中设置氧化铯层，有利于增大衬底反射出光率，从而有利于进一步提高发光二极管芯片的发光亮度。同时，由于氧化铯材料便于刻蚀，设置圆锥结构部分为氧化铯层，可以减少刻蚀所需的时间，同时还可以优化刻蚀出的圆锥结构的锥度，使得刻蚀出的圆锥结构的形貌更好，从而可以进一步增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED 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衬底的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图。
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，如图1所示，图形化衬底10包括衬底本体11和氧化铯层12，衬底本体11的表面具有多个凸起11a，每个凸起11a的远离衬底本体11的一端均设有氧化铯层12，每个凸起 11a和每个凸起11a上对应的氧化铯层12构成一个圆锥结构A。
本公开实施例通过将图形化衬底设置为包括衬底本体和氧化铯层的复合结构，其中氧化铯层中的Cs元素具有可产生突出的光电效应，极易电离而放出电子的固有属性，从而有利于提高电子浓度，进而提升外延发光亮度。且氧化铯材料的反射性较好，在图形化衬底中设置氧化铯层，有利于增大衬底反射出光率，从而有利于进一步提高发光二极管芯片的发光亮度。同时，由于氧化铯材料便于刻蚀，设置圆锥结构部分为氧化铯层，可以减少刻蚀所需的时间，同时还可以优化刻蚀出的圆锥结构的锥度，使得刻蚀出的圆锥结构的形貌更好，从而可以进一步增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。
且氧化铯层12的刻蚀速率较快，还可以减少刻蚀所需的时间，提高刻蚀效率。
可选地，氧化铯层12包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层是在低温环境下生长而成的，第二子层是在高温环境下生长而成的。
通过将氧化铯层12设置成低温和高温交替生长的两层结构，有利于进一步提高生长出的氧化铯层12的晶体质量。
可选地，圆锥结构A的高度为1100nm～4000nm。
若圆锥结构的高度过高，会影响外延层的翘曲，使之翘曲变凸。若圆锥结构的高度过低，又会使外延层的翘曲变凹。
可选地，圆锥结构A中每个凸起11a的高度为100nm～1000nm。
若圆锥结构A中每个凸起11a的高度过高，则氧化铯层12的高度就会过低，则起不到增大图形化衬底的反射出光率，提升外延发光亮度的效果。若圆锥结构A中每个凸起11a的高度过低，则氧化铯层12的高度就会过高，又会导致材料的浪费。
可选地，圆锥结构A中每个凸起11a上的氧化铯层12的高度为 1000～3000nm。
若氧化铯层12的高度过低，则起不到增大图形化衬底的反射出光率，提升外延发光亮度的效果。若氧化铯层12的高度过高，又会导致材料的浪费。
可选地，任意相邻两个圆锥结构A之间的间隔为50～250nm。
若圆锥结构A之间的间隔过大，会影响圆锥的深宽比(即圆锥高度与圆锥在衬底上的正投影的直径的比值)，使圆锥的深宽比较小。若圆锥结构A之间的间隔过小，又会导致圆锥的深宽比较大。而圆锥的深宽比较大或较小都会影响圆锥的形貌，从而影响发光亮度。
需要说明的是，在本公开实施例中，圆锥结构A在衬底11上的正投影为圆形，相邻两个圆锥结构A之间的间隔即为相邻两个圆锥结构A在衬底11上的两个正投影圆的圆心之间的距离。
可选地，圆锥结构A在衬底11上的正投影的直径为2750～2950nm。
在本公开实施例中，圆锥结构A的正投影为圆形。若圆形的直径过大，则衬底上的圆锥结构A的数量就会较少，从而会导致外延层的铺垫均匀性变差。若圆形的直径过小，则衬底上的圆锥结构A的数量就会较多，又会导致外延层的铺垫效率下降，导致外延片的生长时间较长。
可选地，衬底11的材料可以采用蓝宝石、硅、氮化镓、氮化硅、碳化硅、玻璃中的一种。
图2是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图2 所示，发光二极管外延片包括如上述实施例所述的图形化衬底10以及依次层叠在图形化衬底10上的N型半导体层21、有源层22和P型半导体层23。
可选地，N型半导体层21的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓(GaN)。
示例性地，N型半导体层21的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N 型半导体层21中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1019/cm3，优选为 5*1018/cm3。
可选地，有源层22可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置。量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，量子垒的材料可以采用氮化镓。
示例性地，量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，优选为3nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm。量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～15个，优选为10个。
可选地，P型半导体层23的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
示例性地，P型半导体层23的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm； P型半导体层23中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为 1019/cm3。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括缓冲层24，缓冲层24设置在图形化衬底10和N型半导体层21之间，为外延生长提供成核中心。
可选地，缓冲层24的材料采用氮化铝或者氮化铝镓，如AlxGa1-xN，0＜x ＜1，可以缓解衬底材料和外延材料之间的晶格失配。
示例性地，缓冲层24的厚度为0.5nm～5μm，如2.5μm。
本发明实施例通过将图形化衬底设置为包括衬底本体和氧化铯层的复合结构，其中氧化铯层中的Cs元素具有可产生突出的光电效应，极易电离而放出电子的固有属性，从而有利于提高电子浓度，进而提升外延发光亮度。且氧化铯材料的反射性较好，在图形化衬底中设置氧化铯层，有利于增大衬底反射出光率，从而有利于进一步提高发光二极管芯片的发光亮度。同时，由于氧化铯材料便于刻蚀，设置圆锥结构部分为氧化铯层，可以减少刻蚀所需的时间，同时还可以优化刻蚀出的圆锥结构的锥度，使得刻蚀出的圆锥结构的形貌更好，从而可以进一步增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。
本发明实施例提供了一种图形化衬底的制备方法，用于制造如图1所示的图形化衬底，图3是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：
步骤301、提供一衬底。
可选地，衬底11的材料可以采用蓝宝石、硅、氮化镓、氮化硅、碳化硅、玻璃中的一种。
示例性地，步骤301还可以包括：
将衬底放入MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)系统，在N2气氛中退火处理10-15分钟，清洁衬底表面，温度在1000℃与1200℃之间，然后对衬底进行氮化处理。
步骤302、在衬底上沉积氧化铯层。
可选地，氧化铯层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层是在低温环境下生长而成的，第二子层是在高温环境下生长而成的。
通过将氧化铯层设置成低温和高温交替生长的两层结构，有利于进一步提高生长出的氧化铯层的晶体质量。
示例性地，步骤302可以包括：
控制反应室温度为400℃～700℃，压力为350～800Torr，生长厚度为 50～100nm厚的第一子层；
控制反应室温度升高至1000～1200℃，压力为100～500Torr，生长厚度为1200～4300nm厚的第二子层。
需要说明的是，在生长第二子层时，可以先生长200-300nm的厚度较薄的氧化铯层，然后再生长1000～4000nm的厚度较厚的氧化铯层。即在温度由低温变化至高温时，生长一层厚度较薄的氧化铯层进行过渡，起到铺垫作用。然后继续再生长厚度较厚的氧化铯层，可以使得生长出的氧化铯层的晶体质量更好。
步骤303、在沉积有氧化铯层的衬底上进行匀胶、曝光、显影处理形成掩膜层。
示例性地，步骤303可以包括：
第一步、将复合蓝宝石衬底放入Coater(涂布机)系统中，温度调节为 22～23℃，在湿度为48～50％RH(Relative Humidity，相对湿度)条件下，胶量控制为1.2～1.5g，涂上胶厚为1000～3500nm的正性光刻胶。
第二步、将涂有正性光刻胶的衬底放入Stepper(曝光机)系统中，温度调节到23℃，在曝光时间为100～400ms的条件下进行曝光处理，湿度与第二步相同。
第三步、将经过曝光处理的衬底放入Developer(显影机)系统中，温度调节为21～22℃，在显影时间为40～70s的条件下去掉未被曝光部分的正性光刻胶，得到所需的掩膜层。
步骤304、将形成有掩膜层的衬底进行刻蚀，得到图形化衬底。
其中，图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，衬底本体的表面具有多个凸起，每个凸起的远离衬底本体的一端均设有氧化铯层，每个凸起和每个凸起上对应的氧化铯层构成一个圆锥结构。
示例性地，步骤304可以包括：
将带有掩膜层的衬底放入ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)刻蚀机系统中，温度调节为20～30℃，压力调节到2.0～4.0mtorr，上电极功率调节到1200～2000w，下电极功率调节到250～900w，在通入BCL3及CHF3气体后在ICP进行刻蚀。
示例性地，刻蚀步骤为：
a.先刻蚀掩膜层和氧化铯层，氧化铯层刻蚀深度为100～3000nm，然后再刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀深度为100～1000nm。
b.将掩膜层完全刻蚀去掉后，在上电极功率为1200～2000w，下电极功率为250～900w的条件下对复合衬底进行修饰，得到所需的图形化衬底。
可选地，圆锥结构的高度为1100nm～4000nm。
若圆锥结构的高度过高，会影响外延层的翘曲，使之翘曲变凸。若圆锥结构的高度过低，又会使外延层的翘曲变凹。
可选地，圆锥结构中每个凸起的高度为100nm～1000nm。
若圆锥结构中每个凸起的高度过高，则氧化铯层的高度就会过低，则起不到增大图形化衬底的反射出光率，提升外延发光亮度的效果。若圆锥结构中每个凸起的高度过低，则氧化铯层的高度就会过高，又会导致材料的浪费。
可选地，圆锥结构中每个凸起上的氧化铯层的高度为1000～3000nm。
若氧化铯层的高度过低，则起不到增大图形化衬底的反射出光率，提升外延发光亮度的效果。若氧化铯层的高度过高，又会导致材料的浪费。
可选地，任意相邻两个圆锥结构之间的间隔为50～250nm。
若圆锥结构之间的间隔过大，会影响圆锥的深宽比(即圆锥高度与圆锥在衬底上的正投影的直径的比值)，使圆锥的深宽比较小。若圆锥结构之间的间隔过小，又会导致圆锥的深宽比较大。而圆锥的深宽比较大或较小都会影响圆锥的形貌，从而影响发光亮度。
可选地，圆锥结构在衬底上的正投影的直径为2750～2950nm。
在本公开实施例中，圆锥结构的正投影为圆形。若圆形的直径过大，则衬底上的圆锥结构的数量就会较少，从而会导致外延层的铺垫均匀性变差。若圆形的直径过小，则衬底上的圆锥结构的数量就会较多，又会导致外延层的铺垫效率下降，导致外延片的生长时间较长。
本公开实施例通过将图形化衬底设置为包括衬底本体和氧化铯层的复合结构，其中氧化铯层中的Cs元素具有可产生突出的光电效应，极易电离而放出电子的固有属性，从而有利于提高电子浓度，进而提升外延发光亮度。且氧化铯材料的反射性较好，在图形化衬底中设置氧化铯层，有利于增大衬底反射出光率，从而有利于进一步提高发光二极管芯片的发光亮度。同时，由于氧化铯材料便于刻蚀，设置圆锥结构部分为氧化铯层，可以减少刻蚀所需的时间，同时还可以优化刻蚀出的圆锥结构的锥度，使得刻蚀出的圆锥结构的形貌更好，从而可以进一步增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。且氧化铯层的刻蚀速率较快，还可以减少刻蚀所需的时间，提高刻蚀效率。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制造如图2 所示的发光二极管外延片，图4是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图4所示，该制备方法包括：
步骤401、提供一图形化衬底。
示例性地，可以采用上述实施例提供的图形化衬底的制备方法制备得到如图1所示的图形化衬底，具体制备过程参见图3，本公开实施例在此不再赘述。
步骤402、在图形化衬底上生长缓冲层。
可选地，缓冲层的材料为氮化铝或者氮化铝镓层，如AlxGa1-xN，0＜x＜1，可以缓解衬底材料和外延材料之间的晶格失配。
示例性地，缓冲层的厚度为0.5nm～5μm，如2.5μm。
示例性地，步骤402可以包括：
将反应室温度控制在1100℃～1150℃，压力控制在200torr，生长厚度为 0.5nm～5μm的缓冲层。
步骤403、在缓冲层上生长N型半导体层。
可选地，N型半导体层的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓(GaN)。
示例性地，N型半导体层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1019/cm3，优选为5*1018/cm3。
示例性地，步骤403可以包括：
将反应室温度控制在1100℃～1150℃，压力控制在200torr，生长厚度为1μm～5μm的N型半导体层。
步骤404、在N型半导体层上生长有源层。
可选地，有源层可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置。量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，量子垒的材料可以采用氮化镓。
示例性地，量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，优选为3nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm。量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～15个，优选为10个。
示例性地，步骤404可以包括：
将反应室温度控制在700℃～800℃，压力控制在100～200torr，生长厚度为2.5nm～3.5nm的量子阱层。
将反应室温度控制在850℃～900℃，压力控制在100～200torr，生长厚度为 9nm～20nm的量子垒层。
步骤405、在有源层上生长P型半导体层。
可选地，P型半导体层的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
示例性地，P型半导体层的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；P 型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
示例性地，步骤405可以包括：
将反应室温度控制在950℃～1000℃，压力控制在200torr，生长厚度为 100nm～800nm的P型半导体层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至650℃～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
本发明实施例通过将图形化衬底设置为包括衬底本体和氧化铯层的复合结构，其中氧化铯层中的Cs元素具有可产生突出的光电效应，极易电离而放出电子的固有属性，从而有利于提高电子浓度，进而提升外延发光亮度。且氧化铯材料的反射性较好，在图形化衬底中设置氧化铯层，有利于增大衬底反射出光率，从而有利于进一步提高发光二极管芯片的发光亮度。同时，由于氧化铯材料便于刻蚀，设置圆锥结构部分为氧化铯层，可以减少刻蚀所需的时间，同时还可以优化刻蚀出的圆锥结构的锥度，使得刻蚀出的圆锥结构的形貌更好，从而可以进一步增大图形化衬底的反射出光率，提升发光二极管芯片的发光亮度，最终提高LED的发光效率。
以上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，其特征在于，所述图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，所述衬底本体的表面具有多个凸起，每个所述凸起的远离所述衬底本体的一端均设有所述氧化铯层，每个所述凸起和每个所述凸起上对应的所述氧化铯层构成一个圆锥结构。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述氧化铯层包括依次层叠的第一子层和第二子层，所述第一子层是在低温环境下生长而成的，所述第二子层是在高温环境下生长而成的。
3.根据权利要求2所述的图形化衬底，其特征在于，所述圆锥结构的高度为1100nm～4000nm。
4.根据权利要求2所述的图形化衬底，其特征在于，所述圆锥结构中每个所述凸起的高度为100nm～1000nm。
5.根据权利要求2所述的图形化衬底，其特征在于，所述圆锥结构中每个所述凸起上的所述氧化铯层的高度为1000～3000nm。
6.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，任意相邻两个所述圆锥结构之间的间隔为50～250nm。
7.根据权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述圆锥结构在所述衬底上的正投影的直径为2750～2950nm。
8.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括如权利要求1～7任一项所述的图形化衬底以及依次层叠在所述图形化衬底上的N型半导体层、有源层和P型半导体层。
9.一种图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上沉积氧化铯层；
在沉积有所述氧化铯层的所述衬底上进行匀胶、曝光、显影处理形成掩膜层；
将形成有所述掩膜层的所述衬底进行刻蚀，得到所述图形化衬底，所述图形化衬底包括衬底本体和氧化铯层，所述衬底本体的表面具有多个凸起，每个所述凸起的远离所述衬底本体的一端均设有所述氧化铯层，每个所述凸起和每个所述凸起上对应的所述氧化铯层构成一个圆锥结构。
10.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用如权利要求9所述的制备方法得到图形化衬底；在所述图形化衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
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- 2021-02-25 CN CN202110214521.7A patent/CN113161459A/zh active Pending
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