CN114864774A - 图形化衬底的制备方法及具有空气隙的led外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，公开了一种图形化衬底的制备方法及具有空气隙的LED外延结构，该方法为：在衬底本体上制备出第一光刻窗口，形成图案化的牺牲层；在牺牲层以及衬底本体表面沉积形成凸起结构的材料层；在材料层上制备出图案化的第二光刻窗口；且各第二光刻窗口的部分或全部外沿线位于牺牲层中至少一个图案的外沿线以内；刻蚀掉位于第二光刻窗口内的材料层形成顶部图案层；腐蚀掉没有被顶部图案层完全包裹在内的牺牲层中的图案，形成悬空部和底部图案层；去除正性光刻胶得到具有凸起结构的图形化衬底。外延结构中空气隙的存在，会使得其发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加出光反射，提升出光效率和亮度。
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的制备方法及具有空气隙的LED外延结构。
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( PatternedSapphireSubstrate，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。
现有技术中Al2O3与SiO2复合衬底中，SiO2的下表面与Al2O3的上表面重合，二者在蓝宝石衬底上形成金字塔形状的立体图案，如图1，这种具有金字塔形状立体图案的复合衬底主要是依靠金字塔的锥形表面对LED的出光反射，想要更多的对LED的出光进行反射，就需要尽可能的在衬底上将这种金字塔形状的立体图案做的更密集，但是由于蓝宝石衬底（Al2O3）较硬，刻蚀较困难，图案分布较密集时很难控制刻蚀深度和精度。
为了在这种金子塔形状的立体图案衬底上进一步的增加对LED的出光反射，授权公告号为CN216250771U、名称为复合图形衬底及包含该衬底的LED外延结构的中国实用新型专利中，公开了一种LED外延结构，该LED外延结构中包括还包括复合图形衬底，该复合图形衬底包括基底以及形成于该基底上的复合微图案，复合微图案包括底部微图案以及位于该底部微图案上的顶部微图案，顶部微图案的最大投影面积大于底部微图案的顶面的面积。上述LED外延结构中还包括依次设置于复合图形衬底上的N型层、发光层和P型层，其中，N型层与复合微图案之间具有一间隙部。由于该专利中的复合图形衬底上的复合微图案中，顶部微图案的最大投影面积大于底部微图案的上表面的面积，在将其应用到LED外延结构中时，外延结构中的N型层与复合微图案之间会具有一间隙部，由于该间隙部内的空气与周围的N型层以及顶部微图案和底部微图案材料的不同，反射率不同，所以在该间隙部的位置，会导致LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
上述专利中虽然公开了复合图形衬底的结构，但是并没有公开如何才能制备出这样的复合图形衬底，在具体的应用过程中还是会存在一定的难度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种图形化衬底的制备方法及具有空气隙的LED外延结构，本方法能够制备出具有周期性的凸起结构的图形化衬底，且该凸起结构中的顶部图案层的外径大于底部图案层的外径，该图形化衬底应用到LED外延结构中，能够在外延结构中产生空气隙，在该空气隙的位置，会使得LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
技术方案：本发明提供了一种图形化衬底的制备方法，该衬底包括衬底本体，以及设置于该衬底本体上的周期性的凸起结构，所述凸起结构包括顶部图案层和底部图案层；所述顶部图案层与所述底部图案层之间具有悬空部；其制备方法包括以下步骤：S1：在所述衬底本体上涂布负性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，在所述衬底本体上制备出具有周期性排布、图案化的第一光刻窗口；S2：在所述第一光刻窗口内及剩余的负性光刻胶表面沉积牺牲层材料S3：剥离掉负性光刻胶及其表面的牺牲层的材料，在所述衬底本体上形成与所述第一光刻窗口匹配的周期性图案化牺牲层；S4：在所述牺牲层以及裸露的所述衬底本体表面沉积形成所述凸起结构的材料层；S5：在所述材料层上涂布正性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，在所述材料层上制备出具有周期性排布、图案化的第二光刻窗口；且各所述第二光刻窗口的部分或全部外沿线位于所述牺牲层中至少一个图案的外沿线以内；S6：干法刻蚀形成所述顶部图案层；S7：采用高温腐蚀溶液对S6所得半成品进行清洗，并腐蚀掉没有被所述顶部图案层完全包裹在内的所述牺牲层中的图案，形成所述悬空部和所述底部图案层得到具有所述周期性的凸起结构的图形化衬底。
优选地，所述凸起结构的底部图案层的图案内还包裹有所述牺牲层的至少一个图案。由于牺牲层采用具有反射效果的金属材质，在底部图案层的图案内包裹有牺牲层的图案，相当于在底部图案层中嵌入金属薄膜反射层，金属薄膜反射层能够显著增加对光的反射从而大大提高由该衬底制备的LED芯片的亮度。此外，牺牲层的图案被底层图案层包裹在内，底层图案层能够有效防止直接暴露在空气中被氧化，保证整个衬底的性能。另外，本申请通过底层图案层包裹牺牲层以及空气隙的双重作用，共同提高衬底的反射率，进而提高LED芯片的发光效率。
优选地，所述牺牲层的图案为环形或圆形。
优选地，若所述牺牲层的图案为环形，则所述顶部图案层的图案与所述牺牲层的图案同轴设置，且所述顶部图案层的图案的外径大于所述牺牲层的图案的内径且小于所述牺牲层的图案的外径。这样设计后，通过本申请的方法能够在衬底上制备出完美的蘑菇状凸起结构的周期性图案。
优选地，所述干法刻蚀的条件为：采用三氟甲烷(CHF3) 与三氯化硼（BCl3）混合气体作为刻蚀气体，二者流量比为0~1：5，刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT。
优选地，所述高温腐蚀液为浓硫酸与双氧水混合液，二者体积比为5:1~ 3:1, 溶液温度控制在100℃至150℃之间。混合液中的浓硫酸成分将会腐蚀掉没有被顶部图案层完全包裹在内的牺牲层，通过浓硫酸的腐蚀，能够将裸露以及位于顶部图案层下方没有被顶部图案层完全包裹的牺牲层的图案腐蚀掉，位于顶部图案层下方的牺牲层的图案被腐蚀掉则形成了顶部图案层与底部图案层之间的悬空部，同时形成底部图案层。
优选地，所述衬底本体为蓝宝石材质；和/或，所述凸起结构的材料层为SiO2、Si3N4、AlN或TiO2；和/或，所述牺牲层材料为Ag和/或Al。
本发明还提供了一种具有空气隙的LED外延结构，包括所述的图形化衬底。
进一步地，所述的具有空气隙的LED外延结构还包括依次设置于该图形化衬底上的N型层、发光层和P型层，其中，所述N型层与所述凸起结构中的悬空部之间形成空气隙。
有益效果：通过本申请中的方法能够简便地再衬底本体上制备出周期性的凸起结构，该凸起结构中的顶部图案层与底部图案层之间具有悬空部；在将其应用到LED外延结构中时，外延结构中的N型层与悬空部之间会形成一空气隙，该空气隙内的空气与周围的N型层以及顶部图案层与底部图案层的材料不同，反射率不同，所以在该空气隙的位置，会导致LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
本申请中的图形化衬底工艺流程简单，加工效率高，结构性能稳定，成本低，可靠性好。
附图说明
图1为现有技术中具有金字塔形状立体图案的蓝宝石衬底的侧视剖视图；
图2为实施方式1中图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；图3为用于形成图2中第一光刻窗口和第二光刻窗口的两个掩膜版叠加时的示意图；
图4为通过图2的工艺流程制备出的两侧具有悬空部的图形化衬底的扫描电镜图片，其中左图为具有多个凸起结构的图片，右图为其中一个凸起结构的放大图片；
图5为实施方式1中具有空气隙的LED外延结构的示意图；
图6为实施方式2中图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图7和图8均为用于形成图6中第一光刻窗口和第二光刻窗口的两个掩膜版叠加时的示意图；
图9为包含有图6所示工艺制备得到的图形化衬底的具有空气隙的LED外延结构的示意图；
图10为实施方式2中图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图11为用于形成图10中第一光刻窗口和第二光刻窗口的两个掩膜版叠加时的示意图；
图12为包含有图10所示工艺制备得到的图形化衬底的具有空气隙的LED外延结构的示意图；
图13为为实施方式3中图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图14为用于形成图13中第一光刻窗口和第二光刻窗口的两个掩膜版叠加时的示意图；
图15为包含有图13所示工艺制备得到的图形化衬底的具有空气隙的LED外延结构的示意图；
图16为实施方式3中图形化衬底的制备方法的工艺流程示意图；
图17为用于形成图16中第一光刻窗口和第二光刻窗口的两个掩膜版叠加时的示意图；
图18为包含有图16所示工艺制备得到的图形化衬底的具有空气隙的LED外延结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本申请提供了一种图形化衬底的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底本体1上涂布负性光刻胶3，然后依次经过曝光、显影工艺，在衬底本体1上制备出具有周期性排布、图案化的第一光刻窗口301；本实施方式中，使用具有环形图案的掩膜版进行上述曝光、显影工艺，则最终形成环形的第一光刻窗口301。
S2：在第一光刻窗口301内及剩余的负性光刻胶3表面沉积牺牲层4的材料Ag；
S3：然后剥离掉负性光刻胶3及其表面的牺牲层4材料，在衬底本体1上形成与第一光刻窗口301匹配的周期性图案化的环形牺牲层4。
S4：在牺牲层4以及裸露的衬底本体1表面沉积形成凸起结构2的材料层5 SiO2；
S5：在材料层5 上涂布正性光刻胶6，然后依次经过曝光、显影工艺，在材料层5 上制备出具有周期性排布、图案化的第二光刻窗口601；且各第二光刻窗口601的全部外沿线均位于牺牲层4的环形图案的外沿线以内、内沿线以外；见图3用于形成第一光刻窗口301和第二光刻窗口601的两个掩膜版叠加时的示意图。
S6：通过干法刻蚀材料层5 ，形成类圆锥状顶部图案层201；该顶部图案层201与环形的牺牲层4同轴设置，且顶部图案层201的外径d1大于环形的牺牲层4的内径d2且小于其外径d3。
上述干法刻蚀的条件为：采用三氟甲烷(CHF3) 与三氯化硼（BCl3）混合气体作为刻蚀气体，二者流量比为1：5，刻蚀功率为600W，腔体压强为3 mT。
在实际应用中，通过调整干法刻蚀的角度，能够制备出不同形状的顶部图案层201，比如蒙古包、圆锥、水滴、圆弧或多棱锥等结构的顶部图案层201，如背景技术中提到的授权公告号为CN216250771U的实用新型专利中说明书附图4至7中的图案，本文在此不一一赘述。
S7：采用高温腐蚀溶液对S6所得半成品进行清洗，该高温腐蚀液为浓硫酸与双氧水混合液，二者体积比为4:1， 溶液温度控制在100℃至150℃之间。高温腐蚀溶液中的浓硫酸成分会腐蚀掉牺牲层4，形成底部图案层202，被腐蚀掉的牺牲层4此时就形成顶部图案层201与底部图案层202之间的悬空部203，得到具有周期性的凸起结构2的图形化衬底。
上述图形化衬底包括衬底本体1，以及设置于该衬底本体1上的周期性的凸起结构2，凸起结构2包括顶部图案层201和底部图案层202；顶部图案层201与底部图案层202之间具有悬空部203。如图4所示为该图形化衬底的部分扫描电子显微镜图片。
将上述图形化衬底上依次生长N型层7、发光层8和P型层9就制备成了LED外延结构，由于衬底中凸起结构2中的顶部图案层201与底部图案层202之间具有悬空部203，生长出来的N型层7能够与该悬空部203之间形成空气隙10，得到具有空气隙10的LED外延结构，如图5所示。
实施方式2：
本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于，本实施方式中，在S1中，使用具有圆形图案的掩膜版进行曝光、显影工艺，则最终形成圆形的第一光刻窗口301。所以在S3步骤中，形成的牺牲层4图案也为圆形，如图6和10。
在S5步骤中，可以通过使用不同形状和尺寸的掩膜版，控制相邻两个第二光刻窗口601之间的形状和尺寸，这样，在S6步骤中就能够形成不同形状和尺寸的顶部图案层201。
如图6所示，顶部图案层201位于相邻两个牺牲层4之间，见图7和图8用于形成第一光刻窗口301和第二光刻窗口601的两个掩膜版叠加时的示意图。由于相邻两个牺牲层4之间的材料与顶部图案层201的材料相同，则在S7步骤中能够形成两侧具有悬空部203的凸起结构2。由具有这种结构的凸起结构2的衬底制备成的LED外延结构如图9所示。
如图10所示，顶部图案层201的一侧覆盖牺牲层4的部分，见图11用于形成第一光刻窗口301和第二光刻窗口601的两个掩膜版叠加时的示意图。则在S7步骤中能够形成一侧具有悬空部203的凸起结构2。由具有这种结构的凸起结构2的衬底制备成的LED外延结构如图12所示。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不再赘述。
实施方式3：
本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于，本实施方式中，顶部图案层201的尺寸不同，则最终形成的凸起结构2也不相同。
如图13所示，顶部图案层201覆盖住一个完整的牺牲层4的图案，同时一侧覆盖住牺牲层4的另一个图案的一部分。见图14用于形成第一光刻窗口301和第二光刻窗口601的两个掩膜版叠加时的示意图。则在S7步骤中能够形成一侧具有悬空部203，同时在底部图案层202内包裹有牺牲层4的凸起结构2。由具有这种结构的凸起结构2的衬底制备成的LED外延结构如图15所示。
如图16所示，顶部图案层201覆盖住一个完整的牺牲层4的图案，同时两侧覆盖住牺牲层4的另外两个图案的一部分。见图17用于形成第一光刻窗口301和第二光刻窗口601的两个掩膜版叠加时的示意图。则在S7步骤中能够形成两侧具有悬空部203，同时在底部图案层202内包裹有牺牲层4的凸起结构2。由具有这种结构的凸起结构2的衬底制备成的LED外延结构如图18所示。
在实际应用中，顶部图案层201可以覆盖一个、两个甚至更多个牺牲层4的图案，本实施方式在此不一一赘述。
由于牺牲层4采用具有反射效果的金属材质，在底部图案层202的图案内包裹有牺牲层4的图案，相当于在底部图案层202中嵌入金属薄膜反射层，金属薄膜反射层能够显著增加对光的反射从而大大提高由该衬底制备的LED芯片的亮度。此外，牺牲层4的图案被底层图案层包裹在内，底层图案层能够有效防止直接暴露在空气中被氧化，保证整个衬底的性能；本实施方式通过底层图案层包裹牺牲层4以及空气隙10的双重作用，能够进一步提高衬底的反射率，进一步提高LED芯片的发光效率。
除此之外，本实施方式与实施方式2完全相同，此处不再赘述。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种图形化衬底的制备方法，该衬底包括衬底本体（1），以及设置于该衬底本体（1）上的周期性的凸起结构（2），所述凸起结构（2）包括顶部图案层（201）和底部图案层（202）；所述顶部图案层（201）与所述底部图案层（202）之间具有悬空部（203）；其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1：在所述衬底本体（1）上涂布负性光刻胶（3），然后依次经过曝光、显影工艺，在所述衬底本体（1）上制备出具有周期性排布、图案化的第一光刻窗口（301）；
S2：在所述第一光刻窗口（301）内及剩余的负性光刻胶（3）表面沉积牺牲层（4）的材料；
S3：剥离掉负性光刻胶（3）及其表面的牺牲层（4）的材料，在所述衬底本体（1）上形成与所述第一光刻窗口（301）匹配的周期性图案化牺牲层（4）；
S4：在所述牺牲层（4）以及裸露的所述衬底本体（1）表面沉积形成所述凸起结构（2）的材料层（5）；
S5：在所述材料层（5）上涂布正性光刻胶（6），然后依次经过曝光、显影工艺，在所述材料层（5）上制备出具有周期性排布、图案化的第二光刻窗口（601）；且各所述第二光刻窗口（601）的部分或全部外沿线位于所述牺牲层（4）中至少一个图案的外沿线以内；
S6：干法刻蚀形成所述顶部图案层（201）；
S7：采用高温腐蚀溶液对S6所得半成品进行清洗，并腐蚀掉没有被所述顶部图案层（201）完全包裹在内的所述牺牲层（4）中的图案，形成所述悬空部（203）和所述底部图案层（202），得到具有所述周期性的凸起结构（2）的图形化衬底。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述凸起结构（2）的底部图案层（202）的图案内还包裹有所述牺牲层（4）的至少一个图案。
3.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述牺牲层（4）的图案为环形或圆形。
4.根据权利要求3所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，若所述牺牲层（4）的图案为环形，则所述顶部图案层（201）的图案与所述牺牲层（4）的图案同轴设置，且所述顶部图案层（201）的图案的外径d1大于所述牺牲层（4）的图案的内径d2且小于所述牺牲层的图案的外径d3。
5. 根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀的条件为：采用三氟甲烷(CHF3) 与三氯化硼（BCl3）混合气体作为刻蚀气体，二者流量比为0~1：5，刻蚀功率为400W~700W，腔体压强为1.5 mT~4 mT。
6. 根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述高温腐蚀液为浓硫酸与双氧水混合液，二者体积比为5:1~ 3:1, 溶液温度控制在100℃至150℃之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述衬底本体（1）为蓝宝石材质；
和/或，所述凸起结构（2）的材料层（5）为SiO2、Si3N4、AlN或TiO2；
和/或，所述牺牲层（4）的材料为Ag和/或Al。
8.一种具有空气隙的LED外延结构，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的图形化衬底。
9.根据权利要求8所述的具有空气隙的LED外延结构，其特征在于，还包括依次设置于该图形化衬底上的N型层（7）、发光层（8）和P型层（9），其中，所述N型层（7）与所述凸起结构（2）中的悬空部（203）之间形成空气隙（10）。
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