CN115986019A - 复合衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种复合衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，衬底包括：衬底本体上具有呈周期性间隔排列的图案化凹坑结构，凹坑结构上具有金属反射层，金属反射层上具有低折射率介质层，低折射率介质层将金属反射层完全包裹。本发明通过低折射率介质层、凹坑结构包裹金属反射层与无损伤生长面的多重技术组合，改善外延底层晶体质量与内量子效率，改善反射效果以提高出光效率，从内量子效率与出光效率二方面来提高LED芯片的光效水平。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种复合衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片。
背景技术
常规图形化蓝宝石衬底是利用衬底材料与半导体材料的折射率差来弱化LED内部的全反射，增强衬底与半导体材料界面的反射效果，来达到提高LED出光效率，然而提升效果已经接近极限。此外，常规图形化蓝宝石衬底的表面包含了非极性面（R面）或半极性面（M面）以及极性面（C面），在衬底表面进行外延层生长过程中，不同极性面所形成的氮化镓晶粒会分别具有不同的结晶方向，因此，由图形化蓝宝石衬底所生长的氮化镓外延层，在局部区域存在多晶缺陷，多晶缺陷对晶体质量和LED器件的内量子效率均产生不良影响。由于图形化蓝宝石衬底表面是经过干法刻蚀形成的准C面，不是完美的C面，这是因为干法刻蚀过程会对其产生损伤，损伤的生长面容易形成带有多晶缺陷的外延层，对晶体质量也会产生不良影响，从而影响LED的发光效率。
因此，寻找一种能够改善外延晶体质量和内量子效率、提升反射效果的衬底至关重要。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种复合衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，通过顶部低折射率介质层、底部凹坑结构包裹金属反射层与无损伤生长面的多重技术组合，改善外延底层晶体质量与内量子效率，改善反射效果以提高出光效率，从内量子效率与出光效率二方面来提高LED芯片的光效水平。
技术方案：第一方面，本发明提供了一种嵌入式金属反射镜复合衬底，包括衬底本体，所述衬底本体上具有呈间隔排列的图案化凹坑结构，所述凹坑结构内具有金属反射层，所述金属反射层上覆盖有低折射率介质层，所述低折射率介质层将所述金属反射层完全包裹，所述凹坑结构之间的区域为无损伤生长区。
优选地，所述金属反射层厚度h1小于所述凹坑结构的深度H。
优选地，所述金属反射层的外径r1小于所述凹坑结构的下底内径r2。
优选地，所述无损伤生长区的宽度R为50nm~400nm。
进一步地，所述凹坑结构为倒圆台状，上底内径r3为1000nm~5000nm，下底内径r2为500nm ~4800nm，深度H为200nm~500nm；
和/或，所述凹坑结构的剖面呈倒三角形、倒梯形、矩形或圆弧形；
和/或，所述凹坑结构的俯视图呈圆形或多边形。凹坑结构的设计有利于更好地包裹金属反射层，防止外延过程中高温金属液体溢出，污染MOCVD腔体，也防止外延过程产生多晶缺陷。
优选地，所述金属反射层为Al层或Ag层；
和/或，所述金属反射层外径r1范围是480nm~4750nm；
和/或，所述金属反射层厚度h1范围为100nm~400nm。金属反射层的反射率达到80%以上，有利于进一步提高外延层与衬底层界面的反射效果，进一步提升LED出光效率。
优选地，所述低折射率介质层的上表面与所述衬底本体的上表面之间的高度差ΔH为100nm~ 2500nm。
进一步地，所述低折射率介质层为透光性介电膜层；低折射率透光性介质层，有利于进一步提高反射效果；
和/或，所述透光性介电膜层为TiO2、SiO2、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、CeO2、ZrO2、CaF2或Si3N4材质。
第二方面，本发明还提供了一种LED外延结构，包括上述任一项所述的嵌入式金属反射镜复合衬底。
第三方面，本发明还提供了一种LED芯片，包括第二方面所述的LED外延结构。
第四方面，本发明还提供了一种嵌入式金属反射镜复合衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1：在所述衬底本体上涂覆负性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，在衬底本体上制备出具有周期排列的掩膜图形；
S2：对所述掩膜图形和未被掩膜图形覆盖的衬底本体进行干法刻蚀，使未被掩膜图形覆盖的衬底本体上形成所述凹坑结构；
S3：在所述凹坑结构和经干法刻蚀过的掩膜图形上沉积金属反射层；
S4：在所述金属反射层上沉积低折射率介质层；
S5：将所述掩膜图形及其表面金属反射层和低折射率介质层剥离，得嵌入式金属反射镜复合衬底。掩膜图形覆盖的区域为外延材料生长区，该生长区被掩膜覆盖未被刻蚀损伤过，即为无损失生长区，故在外延材料层生长过程中不会产生多晶缺陷。
优选地，上述S2中干法刻蚀的条件为：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%~20%，刻蚀功率为200W~600W，腔体压强为1.5mt~4mt,刻蚀时间为1分钟~10分钟。
有益效果：本发明提供的复合衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，通过在衬底本体上设置凹坑结构，凹坑结构上沉积金属反射层，金属反射层被低折射率介质层完全包裹，一方面低折射率的介质层提高了反射效果；一方面凹坑结构更好地包裹了金属反射层，防止外延过程中高温金属液体溢出，污染MOCVD腔体，也防止外延过程产生多晶缺陷；金属反射层的反射率可以达到80%以上，有利于提高外延层与衬底层界面的反射效果，进一步提升LED出光效率；另外外延材料生长区即凸起结构的间隔区被掩膜覆盖未被刻蚀损伤过，故在外延材料层生长过程中不会产生多晶缺陷，不会对晶体质量和LED器件的内量子效率产生负面影响。
本发明通过顶部低折射率介质层、底部凹坑结构包裹金属反射层与无损失生长区的多重技术组合，改善外延底层晶体质量与内量子效率，改善反射效果以提高出光效率，从内量子效率与出光效率二方面来提高LED芯片的光效水平。
附图说明
图1为传统锥形微结构图形化蓝宝石衬底结构示意图；
图2为本发明实施方式1嵌入式金属反射镜复合衬底结构示意图；
图3为本发明实施方式1嵌入式金属反射镜复合衬底的制备方法步骤示意图；
图4为本发明实施方式2制备的LED外延结构示意图；
图5为本发明实施方式2制备的LED外延片和常规图形化衬底LED外延的摇摆曲线图；
图6为本发明实施方式3制备的LED芯片结构示意图；
图7为本发明实施方式3制备的LED芯片和常规图形化衬底LED芯片光功率随注入电流变化的关系曲线图；
图8为本发明实施方式3制备的LED芯片和常规图形化衬底LED芯片COT亮度数据；附图标注：110衬底本体；120凸起结构；121凹坑结构；122金属反射层；123低折射率介质层；124负性光刻胶；125掩膜图形；126无损伤生长区；200N型半导体层；300多量子阱层；400P型半导体层；500电流扩展层；600电流阻挡层；700N电极；800P电极。
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。
如图1所示为传统的锥形微结构图形化蓝宝石衬底或台状微结构图形化蓝宝石衬底，其表面都是经过干法刻蚀形成的准C面，不是完美的C面，这是因为干法刻蚀过程会对其表面产生损伤，在损伤的表面再生长外延层对晶体质量会产生不良影响,容易形成带有多晶缺陷的外延层，从而影响LED的发光效率。另外，常规图形化蓝宝石衬底是利用衬底材料与半导体材料的折射率差来弱化LED内部的全反射，增强衬底与半导体材料界面的反射效果，来达到提高LED出光效率，然而提升效果已经接近极限。
针对于此，本发明提供一种嵌入式金属反射镜复合衬底，该嵌入式金属反射镜复合衬底包括：衬底本体110，衬底本体110上设置周期性排列的凹坑结构121；位于凹坑结构121上的金属反射层122；位于金属反射层122上的低折射率介质层123，金属反射层122被低折射率介质层123完全包裹；凹坑结构121之间的区域为无损伤生长区126。
对于嵌入式金属反射镜复合衬底的具体制备方法，可以通过在衬底本体110刻蚀出周期性排列的凹坑结构121，然后再在凹坑结构121上形成金属反射层122以及低折射率介质层123。
本发明提供的一种嵌入式金属反射镜复合衬底，通过在衬底本体110上的周期性排列的凹坑结构121上设置金属反射层122和位于金属反射层122上的低折射率介质层123，金属反射层122被低折射率介质层123完全包裹，一方面衬底本体110表面需要生长外延结构的部位没有经过刻蚀，为完美的C面，就外延层生长过程中避免产生多晶缺陷；另一方面凹坑结构121的设计也有利于更好地包裹金属反射层122，防止外延过程中高温金属液体的溢出污染MOCVD腔体，也能防止外延过程产生多晶缺陷；其次，低折射率介质层123有利于提高反射效果，且金属反射层122的反射率达到80%以上，有利于进一步提高了外延层与衬底层界面的反射效果。本发明提供的嵌入式金属反射镜复合衬底，改善了外延底层晶体质量与内量子效率；改善了反射效果以提高出光效率，从内量子效率与出光效率二方面来提高了LED芯片的光效水平。
以上是本发明的核心思想，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。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，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施方式1
本实施方式提供了一种嵌入式金属反射镜复合衬底，如图2所示，包括蓝宝石材质的衬底本体110，以及设置于该衬底本体110上周期性间隔排列的图案化凹坑结构121，凹坑结构121上具有金属反射层122，金属反射层122上具有低折射率介质层123，低折射率介质层123将金属反射层122完全包裹，凹坑结构121之间的区域为无损伤生长区126。凹坑结构121为倒圆台状凹坑结构，其上底内径r3为1000nm~5000nm,下底内径r2为500nm ~4800nm,深度H为200nm~500nm；凹坑结构121的剖面呈倒三角形，也可以呈倒梯形、矩形或圆弧形；凹坑结构121的俯视图呈圆形或多边形；无损伤生长区126的宽度R为50nm~400nm；金属反射层122为Al层，也可以是Ag层，其外径r1在480nm~4750nm之内，小于凹坑结构121的下底内径r2，其厚度h1在100nm~400nm之内，小于凹坑结构121的深度H；低折射率介质层123是材质为TiO2的透光性介电膜层，其材质也可以是SiO2、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、CeO2、ZrO2、CaF2或Si3N4；从侧视图看，低折射率介质层123在衬底本体110的上表面形成一系列凸起形状120，低折射率介质层123的上表面与衬底本体110的上表面之间的高度差ΔH为100nm~ 2500nm。
上述嵌入式金属反射镜复合衬底的制备方法如图3所示，包括以下步骤：
S1：在蓝宝石衬底本体110上涂覆负性光刻胶124，然后依次经过曝光、显影工艺，在衬底本体110上制备出具有周期排列的掩膜图形125；
S2：对掩膜图形125和未被掩膜图形125覆盖的衬底本体110进行干法刻蚀，使未被掩膜图形125覆盖的衬底本体110上形成间隔排布、图案化的凹坑结构121；凹坑结构121的剖面可以呈倒三角形，也可以呈倒梯形、矩形或圆弧形；凹坑结构121的俯视图呈圆形或多边形；凹坑结构121的形状可以是在干法刻蚀过程中自然形成，也可以是通过精确调控形成。在本实施方式中，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20%，刻蚀功率为600W，腔体压强为3 mT。能够形成上底内径r3为1000nm~5000nm,下底内径r2为500nm ~4800nm,深度H为200nm~500nm的倒圆台状凹坑结构121。此处需要说明的是，上述凹坑结构121仅为示意，实际的形状可能由于衬底本体110的材质以及干法刻蚀的刻蚀工艺条件，比如刻蚀气体的体积比、流量比以及刻蚀时间、刻蚀功率等不同而不同，此处不做限制。
S3：在凹坑结构121和经干法刻蚀过的掩膜图形125上沉积金属反射材料Ag或Al，形成厚度h1在100nm~400nm之间的金属反射层122；
本步骤在沉积的金属反射层122时，由于随着金属反射层122的沉积，位于掩膜图形125上表面的金属反射层122的宽度会越来越宽，所在在凹坑结构121内沉积的金属反射层122的外侧与凹坑结构121的内壁之间会产生一些间隙，如图2所示。即，在实际应用中，金属反射层122的外径r1通常略小于凹坑结构121的下底内径r2。本实施方式中，金属反射层122的外径r1在480nm~4750nm之间。
需要说明的是，在沉积金属反射层122时，可以通过磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺形成。其中，磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺均可精确调控金属反射层122的厚度h1。
S4：通过磁控溅射工艺、旋涂工艺和等离子增强化学气相沉积工艺中的任意一种工艺在金属反射层上沉积SiO2材质的低折射率介质层123；沉积后低折射率介质层123的上表面与衬底本体110的上表面之间的高度差ΔH为100nm~ 2500nm。值得注意的是，由于在S3步骤中，凹坑结构121与金属反射层122之间具有一些间隙，所以在本步骤中，低折射介质层123能够填充上述间隙，将金属反射层122完全包裹。
S5：将掩膜图形125及其表面金属反射层122和低折射率介质层123剥离，得嵌入式金属反射镜复合衬底。
实施方式2
本实施方式提供了一种LED外延结构，如图4所示，包括实施方式1中的嵌入式金属反射镜复合衬底，还包括设置在该嵌入式金属反射镜复合衬底之上的N型半导体层200、多量子阱层300和P型半导体层400。
其具体制备方法为：在实施方式1制备得到的复合图形化衬底上生长获得外延片(即磊晶生长)：在制备好的复合图形化衬底上用金属有机化学沉积(MOCVD)方法生长GaN基半导体层，包含N型半导体层200、多量子阱层300和P型半导体层400等完整的LED磊晶结构(即外延片)。
对包含本发明制备的LED外延片进行分析：图5为采用XRD设备测试获得的摇摆曲线，不难发现，本发明衬底生长的LED外延片（002）FWHM仅为153 arcsec,而常规衬底生长的LED外延片的（002）FWHM为218 arcsec,说明本发明衬底显著地提高了外延层晶体质量，对提升LED内量子效率发挥积极作用。
实施方式3
本实施方式提供了一种LED芯片，如图6所示，包括实施方式2中的LED外延结构，以及位于P型半导体层400上方的电流阻挡层600、位于电流阻挡层600上方的电流扩展层500，以及电连接于N型半导体层200的N电极700和电连接于P型半导体层400的P电极800。
上述P电极800的下端设置在电流扩展层500的上表面上，上述N电极700的下端设置在多量子阱层300的上表面上。电流阻挡层600的材质为绝缘材料，绝缘材料为二氧化硅(SiO2)。P电极800与N电极700的结构相同，均包含Ni、Cr、Al、Pt、Au等金属层，且电极结构中Ni层的厚度为0 .1-20nm，Cr层的厚度为1-60nm，Al层的厚度为20-300nm，Pt层的厚度为10-200nm，Au层的厚度为400-3000nm，电极结构中各金属层的厚度可根据实际需求选定。
对包含本发明制备的LED芯片和常规图形化衬底LED芯片进行分析：图7为采用积分球测试获得的LED芯片光功率随注入电流变化的关系曲线，本发明衬底对应的LED芯片的光功率相对常规衬底LED芯片的光功率有显著的提升，在80mA注入电流下，光功率提升约5%。
图8为采用芯片点分专用设备在80mA注入电流下测试获得芯片COT亮度数据，不难发现，本发明衬底对LED不同波段的亮度都有显著提升。
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 (10)
1.一种嵌入式金属反射镜复合衬底，包括衬底本体（110），所述衬底本体（110）上具有呈周期性间隔排列的图案化凹坑结构（121），所述凹坑结构（121）内具有金属反射层（122），所述金属反射层（122）上覆盖有低折射率介质层（123），所述低折射率介质层（123）将所述金属反射层（122）完全包裹，所述凹坑结构（121）之间的区域为无损伤生长区（126）。
2.根据权利要求1所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于：所述金属反射层（122）厚度h1小于所述凹坑结构（121）的深度H；
和/或，所述金属反射层（122）的外径r1小于所述凹坑结构（121）的下底内径r2。
3.根据权利要求1所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于：所述无损伤生长区（126）的宽度R为50nm~400nm。
4.根据权利要求1所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于：所述凹坑结构（121）为倒圆台状，上底内径r3为1000nm~5000nm，下底内径r2为500nm ~4800nm，深度H为200nm~500nm；
和/或，所述凹坑结构（121）的剖面呈倒三角形、倒梯形、矩形或圆弧形；
和/或，所述凹坑结构（121）的俯视图呈圆形或多边形。
5.根据权利要求2所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于：所述金属反射层（122）为Al层或Ag层；
和/或，所述金属反射层（122）外径r1范围是480nm~4750nm；
和/或，所述金属反射层（122）厚度h1范围为100nm~400nm。
6.根据权利要求1所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于：所述低折射率介质层（123）的上表面与所述衬底本体（110）的上表面之间的高度差ΔH为100nm~ 2500nm。
7.根据权利要求1所述的嵌入式金属反射镜复合衬底，其特征在于，所述低折射率介质层（123）为透光性介电膜层；
和/或，所述透光性介电膜层（123）为TiO2、SiO2、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、CeO2、ZrO2、CaF2或Si3N4材质。
8.一种LED外延结构，其特征在于：包括如权利要求1至7中任一项所述的嵌入式金属反射镜复合衬底。
9.一种LED芯片，其特征在于：包括如权利要求8所述的LED外延结构。
10.一种嵌入式金属反射镜复合衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在所述衬底本体（110）上涂覆负性光刻胶（124），然后依次经过曝光、显影工艺，在衬底本体（110）上制备出具有周期排列的掩膜图形（125）；
S2：对所述掩膜图形（125）和未被掩膜图形（125）覆盖的衬底本体（110）进行干法刻蚀，使未被掩膜图形（125）覆盖的衬底本体（110）上形成所述凹坑结构（121）；
S3：在所述凹坑结构（121）和经干法刻蚀过的掩膜图形（125）上沉积金属反射层（122）；
S4：在所述金属反射层（122）上沉积低折射率介质层（123）；
S5：将所述掩膜图形（125）及其表面金属反射层（122）和低折射率介质层（123）剥离，得嵌入式金属反射镜复合衬底。
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