CN117352621A - 复合图形衬底、发光二极管及其制作方法 - Google Patents

复合图形衬底、发光二极管及其制作方法 Download PDF

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CN117352621A
CN117352621A CN202311340745.8A CN202311340745A CN117352621A CN 117352621 A CN117352621 A CN 117352621A CN 202311340745 A CN202311340745 A CN 202311340745A CN 117352621 A CN117352621 A CN 117352621A
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李彬彬
吴福仁
巫婷
李瑞评
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Fujian Jingan Optoelectronics Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种复合图形衬底、发光二极管及其制作方法，该复合图形衬底包括衬底以及形成于衬底表面的若干周期性排布的图形结构；其中，图形结构形成为凸起结构，凸起结构包括沿衬底厚度方向依次交替叠置的第一材料层和第二材料层，第一材料层自凸起结构的边缘向凸起结构的中心内缩，以在相邻第二材料层之间形成的镂空区，镂空区形成为围绕凸起结构的环形结构。光线在经过该复合图形衬底时，在多层材料层以及镂空区之间多次反射，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力，且由于镂空区具有比多层材料层更低的折射率，因此图形结构上方和侧方的入射光线容易在此区域形成全反射，光线难以穿透该图形结构，提高了光的取出效率。

Description

复合图形衬底、发光二极管及其制作方法
技术领域
本申请涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种复合图形衬底、发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)一种半导体器件，其基本结构包括P型半导体和N型半导体之间的PN结，当正向电压加到LED上时，电子和空穴在PN结的交界处复合，释放出能量，这些能量以光子的形式发射出来，形成光辐射。
LED的发光效率主要取决于内量子效率和光的提取效率，而外延结构与衬底的折射率之差易使光的全反射受到限制，造成LED中大量光线被限制在器件内部不能出射，最终以热量的形式散失。面对越来越高的LED光效要求，如何进提高LED器件的发光效率，成为制约LED发展的关键问题。
因此，需要提供一种针对上述现有技术中的不足的改进技术方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术中LED芯片存在的缺陷及不足，本申请的目的在于提供一种复合图形衬底、发光二极管及其制作方法，通过在衬底表面形成特殊的具有高反射功能的图形结构，提高LED芯片的光取出效果。
第一方面，本申请提供了一种复合图形衬底，包括衬底以及形成于所述衬底表面的若干周期性排布的图形结构；其中，
所述图形结构形成为凸起结构，所述凸起结构包括沿衬底厚度方向依次交替叠置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层自所述凸起结构的边缘向所述凸起结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成的镂空区，所述镂空区形成为围绕所述凸起结构的环形结构。
第二方面，本申请提供了一种复合图形衬底的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的表面依次沉积第一材料层和第二材料层；
刻蚀所述第一材料层和所述第二材料层，以形成周期性排布的初始图形结构；
对所述初始图形结构进行热处理，使得所述第一材料层沿所述初始图形结构的边缘向所述初始图形结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成镂空区，形成周期性排列于所述衬底表面的图形结构。
第三方面，本申请提供了一种发光二极管，包括衬底以及形成在所述衬底表面的外延层，所述衬底为上述技术方案中提供的复合图形衬底，所述外延层形成在所述复合图形衬底具有所述图形结构的一面上。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案具有以下有益效果：
本申请的技术方案通过在衬底表面形成若干周期性排布的图形结构，该图形结构为第一材料层和第二材料层沿衬底厚度方向依次交替叠置形成的凸起结构，且间隔排布的第一材料层向凸起结构的中心内缩，使第一材料层尺寸小于其上下相邻的第二材料层尺寸，以在相邻的第二材料层之间形成一个围绕凸起结构的环形镂空区，LED发出的光线在经过该复合图形衬底时，在第一材料层和第二材料层以及其镂空区之间多次反射，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力，且由于镂空区具有比第一材料层和第二材料层更低的极低折射率，因此图形结构上方和侧方的入射光线容易在此区域形成全反射，光线难以穿透该复合图形衬底，提高了光的取出效率。
另外，本申请提供的复合图形衬底的制作方法首先通过在衬底的表面依次沉积第一材料层和第二材料层，再对该第一材料层和第二材料层进行刻蚀，以形成周期性排布的初始图形结构，最后通过热处理使具有热收缩性能的第一材料层在高温条件下产生形变收缩，而第二材料层具有高温稳定性保持结构稳定不发生形变，使得相邻第二材料层之间形成由于第一材料层内缩而产生的镂空区，最终获得上述复合图形衬底。该复合图形衬底的制作方法能够通过一步热处理工艺形成具有镂空区的高反射图形结构，工艺流程简单且参数可控，能够获得精确形貌的图形结构和高质量的复合图形衬底。
另外，本申请提供的发光二极管包括通过上述制作方法获得的复合图形衬底，因而具有良好的出光效果，发光二极管的亮度得以大幅提升。
附图说明
图1为实施例1提供的复合图形衬底的结构示意图；
图2为实施例1提供的复合图形衬底的一种俯视结构示意图；
图3为图2中复合图形衬底的A-A向的截面结构示意图；
图4为实施例1提供的复合图形衬底的另一种俯视结构示意图；
图5为图4中复合图形衬底的B-B向的截面结构示意图；
图6为实施例2中的复合图形衬底的制作方法流程图；
图7a～7d为实施例2中复合图形衬底的制作过程示意图；
图8为实施例3提供的发光二极管的结构示意图；
图9为实施例4提供的发光装置的结构示意图。
附图标记说明：
100 复合图形衬底
110 衬底
111 凸起部
120 图形结构
121 第一材料层
122 第二材料层
123 镂空区
130 外延层
131 第一半导体层
132 有源层
133 第二半导体层
140 第一电极
150 第二电极
10 电路基板
20 发光元件
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。
传统的蓝宝石衬底具有高度平整的表面，外延结构与蓝宝石材料的折射率之差容易使光的反射受到限制，造成LED内部部分光线被限制在器件内部不能出射，最终以热量的形式散失掉，或部分光线被衬底吸收不能完全出射，导致光提取效率较低。现有技术中，为提高发光二极管的出光效率，可以通过图形化衬底来提高其发光效率。PSS(PatternedSapphire Substrate)，即图案化蓝宝石衬底，通过在蓝宝石衬底表面形成微米级别的周期性图案结构，例如圆形或锥形凹凸，来改变光的折射和反射特性，从而提高光的提取效率。这些微米级的结构可以散射和折射光线，使得更多的光线能够从LED芯片中逸出，能够实现更高的光提取效率，改善LED的发光性能。
对于越来越高的LED光效要求，需要对光取出效果做进一步的提升。因此，如何提高以蓝宝石为衬底的LED芯片的发光效率，成为制约LED发展的关键问题。
针对以上缺陷，本申请提供一种复合图形衬底，包括衬底以及形成于所述衬底表面的若干周期性排布的图形结构；其中，
所述图形结构形成为凸起结构，所述凸起结构包括沿衬底厚度方向依次交替叠置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层自所述凸起结构的边缘向所述凸起结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成的镂空区，所述镂空区形成为围绕所述凸起结构的环形结构。
通过采用以上技术方案，在衬底表面形成若干周期性排布的图形结构，该图形结构为第一材料层和第二材料层沿衬底厚度方向依次交替叠置形成的凸起结构，且间隔排布的第一材料层向凸起结构的中心内缩，使第一材料层尺寸小于其上下相邻的第二材料层尺寸，以在相邻的第二材料层之间形成一个围绕凸起结构的环形镂空区，LED发出的光线在经过该复合图形衬底时，在第一材料层和第二材料层以及其镂空区之间多次反射，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力，且由于镂空区具有比第一材料层和第二材料层更低的极低折射率，因此图形结构上方和侧方的入射光线容易在此区域形成全反射，光线难以穿透该复合图形衬底，提高了光的取出效率。
在一个实施方式中，所述图形结构形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构。圆柱形和棱柱形的图形结构具有相同的高度和径向尺寸，棱面或柱面与衬底表面呈直角关系，可以提供更大的表面积，扩大光与每个材料层之间的接触范围，通过增加材料层的光学路径长度，从而增强光的提取效率。
在一个实施方式中，所述图形结构形成为径向尺寸自所述凸台的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。与棱柱形的图形结构不同，具有一定锥角的棱台结构或锥形结构不仅可以增加光与材料之间的相互作用，使光线发生多次反射和折射，还可以提高发光均匀性，更加有效的提高LED的发光强度。
在上述实施方式中，在所述衬底表面的正投影中，所述镂空区所形成的环形结构的宽度自所述凸台的底部向顶部逐渐递减。也即第一材料层的内缩产生的倾斜度小于该凸台的锥度，使图形结构底部有足够强度和面积的支撑结构基础，也使接近图形结构顶部的第二材料层具有同样合适的接触面积，确保第一材料层内缩后的图形结构保持一定结构强度，维持凸台结构的结构质量和稳定性。
在一个实施方式中，所述图形结构形成为正圆锥形。以进一步提高发光均匀性和光提取量，提高LED的整体发光性能。
在上述实施方式中，所述图形结构的锥度为1：0.5～1：4之间。以实现光线的更优反射路径并兼顾图形结构每一材料层的沉积工艺难度和图形结构的稳定性和层间黏结性能。
在一个实施方式中，所述衬底包括凸起部，位于所述衬底和所述图形结构之间。凸起部位置部即为每个图形结构的形成位置，凸起部为第一材料层的形成提供良好的工艺平台，避免对衬底无图案区域带来不良影响。
在一个实施方式中，所述第一材料层的折射率小于所述第二材料层的折射率。利用多对第一材料层和第二材料层依次叠置，获得分布式布拉格反射结构(DBR)，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力。
在一个实施方式中，所述第一材料层的材料为硅氧聚合物。包括聚甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷等甲基硅氧烷聚合物中的一种或多种组合。
在一个实施方式中，所述第二材料层的材料为二氧化硅。以具有低折射率的透明二氧化硅(SiO2)作为第二材料层，减少了材料层对出光的吸收，并且利用折射率更低的上述硅氧聚合物(折射率为1.2～1.3)和SiO2(折射率为1.4～1.5)的显著折射率差异可提高轴向光的反射能力，增加了LED芯片的出光效率。
在一些实施方式中，所述第一材料层的厚度为10nm～1000nm；所述第二材料层的厚度为10nm～1000nm。
在一些实施方式中，所述第一材料层和第二材料层的叠层对数为2～50。
在一个实施方式中，相邻的所述图形结构之间的最小距离为0.05μm～0.5μm。使得图形结构之间暴露出的衬底面积与衬底总表面积比例减小至一定范围，实现光线的全部反射。
本申请还提供一种复合图形衬底的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的表面依次沉积第一材料层和第二材料层；
刻蚀所述第一材料层和所述第二材料层，以形成周期性排布的初始图形结构；
对所述初始图形结构进行热处理，使得所述第一材料层沿所述初始图形结构的边缘向所述初始图形结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成镂空区，形成周期性排列于所述衬底表面的图形结构。
通过采用以上技术方案，首先在衬底的表面依次沉积第一材料层和第二材料层，再对该第一材料层和第二材料层进行刻蚀，以形成周期性排布的初始图形结构，最后通过热处理使具有热收缩性能的第一材料层在高温条件下产生形变收缩，而第二材料层具有高温稳定性保持结构稳定不发生形变，使得相邻第二材料层之间形成由于第一材料层内缩而产生的镂空区，最终获得上述复合图形衬底。该复合图形衬底的制作方法能够通过一步热处理工艺形成具有镂空区的高反射图形结构，工艺流程简单且参数可控，能够获得精确形貌的图形结构和高质量的复合图形衬底。
在一个实施方式中，所述图形结构形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构，或径向尺寸自所述图形结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。具有一定锥角的棱台结构或锥形结构不仅可以增加光与材料之间的相互作用，使光线发生多次反射和折射，还可以提高发光均匀性，更加有效的提高LED的发光强度。
在上述实施方式中，刻蚀所述第一材料层和所述第二材料层，以形成周期性排布的初始图形结构，还包括：
刻蚀部分所述衬底，形成位于所述衬底和所述图形结构之间的凸起部。首先通过刻蚀工艺对衬底预处理，凸起部位置部即为每个图形结构的形成位置，凸起部为第一材料层的形成提供良好的工艺平台，避免对衬底无图案区域带来不良影响。
在一个实施方式中，所述第一材料层的折射率小于所述第二材料层的折射率。利用多对第一材料层和第二材料层叠加，获得分布式布拉格反射镜结构(DBR)，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力。
在一个实施方式中，所述第一材料层的厚度为10nm～1000nm；所述第二材料层的厚度为10nm～1000nm。
在一个实施方式中，所述第一材料层和第二材料层的叠层对数为2～50。
本申请还提供一种发光二极管，包括衬底以及形成在所述衬底表面的外延层，所述衬底为上述技术方案任一项所述的复合图形衬底，所述外延层形成在所述复合图形衬底具有所述图形结构的一面上。该发光二极管包括通过上述制作方法获得的复合图形衬底，因而具有良好的出光效果，发光二极管的亮度得以大幅提升。
在一个实施方式中，所述外延层包括依次形成在所述复合图形衬底具有图形结构的一面的第一半导体层、有源层和与所述第一半导体层类型相反的第二半导体层。
以下通过实施例1～4对本申请的技术方案进行详细说明。
实施例1：
本实施例提供了一种复合图形衬底100，如图1所示，该复合图形衬底100包括衬底110以及形成于该衬底110表面的若干周期性排布的图形结构120；其中，
该图形结构120形成为凸起结构，该凸起结构包括沿衬底110厚度方向依次交替叠置的第一材料层121和第二材料层122，第一材料层121自凸起结构的边缘向凸起结构的中心内缩，以在相邻第二材料层122之间形成的镂空区123，该镂空区123形成为围绕凸起结构的环形结构。通过采用上述技术方案，在衬底110表面形成若干周期性排布的图形结构120，该图形结构120为第一材料层121和第二材料层122沿衬底110厚度方向依次交替叠置形成的凸起结构，且间隔排布的第一材料层121向凸起结构的中心内缩，使第一材料层121尺寸小于其上下相邻的第二材料层122尺寸，以在相邻的第二材料层之间形成一个围绕凸起结构的环形镂空区123，该镂空区123为不包含任何材料的空夹层结构。LED发出的光线向下传递至该复合图形衬底100，来自图形结构120上方和侧向的光线在第一材料层121和第二材料层122以及其镂空区123之间将产生多次反射，极大的提高了图形结构120中间区域的轴向光反射能力，且由于镂空区123具有比第一材料层121和第二材料层122更低的极低折射率，因此图形结构120上方和侧方的入射光线容易在此区域形成全反射，光线难以穿透该复合图形衬底100，进而提高了光的取出效率。
具体地，衬底110可以是Al2O3、Si、SiC、PET、MgAl2O4、LiAlO2、LiGaO2、GaN、AlN、GaAs、Ga2O3、ZrB2、ZnO中的任意一种。作为示例，本实施例中衬底110为Al2O3衬底，也即蓝宝石衬底。
参见图2～3，在一个实施方式中，图形结构121形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构。圆柱形和棱柱形的图形结构具有相同的高度和径向尺寸，棱面或柱面与衬底表面呈直角关系，可以提供更大的表面积，也即更大的光接触面积，扩大了光与每个材料层之间的接触范围，通过增加材料层的光学路径长度，从而增强光的提取效率。图2和图3分别示出了当图形结构121形成为六棱柱结构的俯视形貌和沿图形结构120中垂面的剖面形貌，可以理解的，根据图形结构120在衬底110上的分布位置和间隔尺寸差异，图形结构121也可以形成为三菱柱、四棱柱或五棱柱等多棱柱结构，以实现最佳出光效率。
参见图4～5，在一个实施方式中，图形结构121形成为径向尺寸自凸起结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。与上述实施方式中具有多棱柱或圆柱结构的图形结构120不同的是，具有一定锥角的棱台结构或锥形结构不仅可以增加光与材料之间的相互作用，使光线发生多次反射和折射，还可以提高发光均匀性，更加有效的提高LED的发光强度。图4和图5分别示出了当图形结构121形成为圆锥结构的俯视形貌和沿图形结构120中垂面的剖面形貌。可以理解的，根据图形结构120在衬底110上的分布位置和间隔尺寸差异，图形结构121也可以形成为具有特定锥度的斜/正棱台或斜/正棱锥结构，以进一步实现出光角度的调整。
参见图1和图5，在一个实施方式中，在衬底100表面的正投影中，镂空区123所形成的环形结构的宽度w自凸起结构的底部向顶部逐渐递减。也即第一材料层121的内缩产生的倾斜度小于该凸台的锥度，使图形结构120底部有足够强度和面积的支撑结构基础，也使接近图形结构120顶部的第二材料层122具有同样合适的接触面积，由图1可以清楚的知道，越靠近图形结构120顶部的第一材料层121的宽度越接近其上下相邻的第二材料层122的宽度，以确保第一材料层121内缩后的图形结构120保持一定结构强度，维持凸台结构的结构质量和稳定性。
继续参见图1和图5，在一个实施方式中，图形结构120形成为正圆锥形，该正圆锥结构的锥度范围1：0.5～1：4之间。由于图形结构120形成为具有一定锥度的凸起结构，因此随着第一材料层121和第二材料层122的依次沉积，材料层的表面积也逐渐减小，层间的粘附力和粘附面积也相应减小，同时对刻蚀工艺的精度要求更高，为形成具有较佳反射周期的布拉格反射镜结构，材料层的叠层对数应至少保证为4组甚至8组，为兼顾顶部材料层的结构质量和工艺难度，图形结构120的锥度应避免过小。作为示例，该正圆锥结构的锥度可以为1：1，也即图形结构120的中心截面呈等边三角形，图形结构120的侧面与底面的夹角为60度。
参见图1、图3和图5，在一些实施方式中，衬底110包括凸起部111，位于衬底110和图形结构120之间，凸起部111位置部即为每个图形结构120的形成位置，凸起部111可与图形结构120共同构成凸台结构的一部分，凸起部111能够为第一材料层121的形成提供良好的工艺平台，避免在形成图形结构120的过程中对衬底110表面裸露的无图案区域带来不良影响。
参见图2～4，在一个实施方式中，相邻的图形结构120之间的最小距离d为0.05μm～0.5μm，使得图形结构120之间暴露出的衬底面积与衬底总表面积比例减小至一定范围，例如10％以内，能够实现光线的全部反射。
在一个实施方式中，第一材料层121的折射率小于第二材料层122的折射率。利用多对第一材料层121和第二材料层122叠加，获得分布式布拉格反射结构(DBR)，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力，反射率可达99％以上。作为示例，第一材料层121的材料为硅氧聚合物，包括聚甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷等甲基硅氧烷聚合物中的一种或多种组合，作为示例，第二材料层122的材料为SiO2、SiN、Si2N、Si2N3、MgF2、CaF2、Al2O3、SiO、TiO2、Ti2O3、TiO、MgO、ZnO中的一种或多种。作为优选，第一材料层121为聚甲基硅氧烷，第二材料层122为SiO2，以具有低折射率的透明SiO2作为第二材料层122，减少了材料对出光的吸收，并且利用折射率更低的聚甲基硅氧烷(折射率1.2～1.3)和SiO2(折射率1.4～1.5)的显著折射率差异可进一步提高轴向光的反射能力，增加了LED的出光效率。
参见图1，在一些实施方式中，第一材料层121的厚度为10nm～1000nm；第二材料层122的的厚度为10nm～1000nm，作为示例，第一材料层121的厚度可以为60nm～90nm，第二材料层的厚度可以为40nm～70nm，以实现目标工作波长光线的有效反射。
继续参见图1，在一些实施方式中，以一个第一材料层121和位于其上方相邻的第二材料层122为一个叠层，则第一材料层121和第二材料层122的叠层对数为2～50，，也即该布拉格反射镜具有2～50个反射周期。作为示例，该叠层设置为4个、8个或16个，具有以上反射周期的布拉格反射镜能够提供较高的光反射效率和波长选择性，实现对较宽波长范围的光的高效反射，这对于应用中的波长变化或光源的不稳定性具有一定的容忍度；另外，具有该叠层参数的布拉格反射镜的制备工艺较为方便可控，相对于更多反射周期的布拉格反射镜，其制作成本也相对较低，易于产业化。
实施例2：
本实施例提供了一种复合图形衬底的制作方法，如图6所示，该制作方法包括；
提供一衬底110；
在衬底110的表面依次沉积第一材料层121和第二材料层122；
刻蚀第一材料层121和第二材料层122，以形成周期性排布的初始图形结构；
对初始图形结构进行热处理，使得第一材料层121沿初始图形结构的边缘向初始图形结构的中心内缩，以在相邻第二材料层122之间形成镂空区123，形成周期性排列于衬底110表面的图形结构120。通过采用上述技术方案，首先在衬底110的表面依次沉积第一材料层121和第二材料层122，再对该第一材料层121和第二材料层122进行刻蚀，以形成周期性排布的初始图形结构，最后通过热处理使具有热收缩性能的第一材料层121在高温条件下产生形变收缩，而第二材料层122具有高温稳定性保持结构稳定不发生形变，使得相邻第二材料层122之间形成由于第一材料层121内缩而产生的镂空区123，最终获得上述复合图形衬底100。该复合图形衬底100的制作方法能够通过一步热处理工艺形成具有镂空区123的高反射图形结构120，工艺流程简单且参数可控，同时能够获得精确形貌的图形结构120和高质量的复合图形衬底100。
在本实施例中，参见图7a～7d，该复合图形衬底100的制作方法包括：
S100：参见图7a，首先提供一衬底110，该衬底110可以是Al2O3、Si、SiC、PET、MgAl2O4、LiAlO2、LiGaO2、GaN、AlN、GaAs、Ga2O3、ZrB2、ZnO中的任意一种，作为示例，本实施例中衬底110为Al2O3衬底，也即蓝宝石衬底，并将蓝宝石衬底浸泡在去离子水中进行表面清洁，以去除衬底110表面的杂质和颗粒，为图形结构120的生长提供洁净无缺陷的基底材质。
继续参见图7a，通过刻蚀工艺对部分衬底100预处理，形成位于衬底110和图形结构120之间的凸起部111，凸起部111位置部即为每个图形结构120的形成位置，具体地，相邻的图形结构120之间的最小距离d为0.05μm～0.5μm，较佳的，该最小距离d小于或等于0.1μm，使得最终形成的图形结构120之间暴露出的衬底面积与衬底总表面积比例减小至一定范围，以实现光线的全部反射。凸起部111为第一材料层121的形成提供良好的工艺平台，避免对衬底110裸露的无图案区域带来不良影响。
S100：参见图7b，在衬底110的表面依次沉积第一材料层121和第二材料层122
由于旋涂(Spin Coating Process)的薄膜涂覆工艺具有低成本、高复制性和良好的均匀性等优势，作为示例，采用在衬底110上旋涂甲基硅氧烷聚合物溶液的工艺形成第一材料层121。
首先，将第一材料层121滴在衬底110的表面中心位置，随后通过快速旋转衬底110，使溶液均匀分布在整个表面，高速旋转过程会产生离心力，使溶液在衬底110表面形成均匀的高分子材料层薄膜，可以理解的，作为第一材料层121的甲基硅氧烷聚合物溶液还应包括旋涂成膜所必需的溶剂等其他化学组分，如2-(甲氧基甲基)四氢呋喃、异丙醇、正丁醇和超纯水等。
随后，进行低温蒸发/固化工艺，在120度的蒸发温度下，溶液中的多种溶剂会逐渐蒸发去除，使旋涂材料基底固化，留下所需的薄膜层在衬底110上形成布拉格反射镜的最底层材料层，另外，聚合物材料内部会产生由于溶剂蒸发后形成的孔洞结构，层内孔洞使第一材料层121的折射率进一步降低。
作为示例，第二材料层122采用化学气相沉积工艺(CVD：Chemical VaporDeposition)在上述位于底层的第一材料层121上沉积一层相对高反射率的膜层，以获得一对第一材料层121和第二材料层122的材料组合叠层；其中化学气相沉积可以为离子体增强化学气相沉积(PECVD：Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)进行材料沉积。
依次重复进行以上两个材料层的成膜方式，获得一对及以上的第一材料层121和第二材料层122的材料组合叠层，以形成具有有效反射率的布拉格反射镜。作为示例，以一个第一材料层121和位于其上方相邻的第二材料层122为一个叠层，则第一材料层121和第二材料层122的叠层对数为2～50，，也即该布拉格反射镜具有2～50个反射周期。作为示例，该叠层设置为4个、8个或16个，具有以上反射周期的布拉格反射镜能够提供较高的光反射效率和波长选择性，实现对较宽波长范围的光的高效反射，这对于应用中的波长变化或光源的不稳定性具有一定的容忍度；另外，具有该叠层参数的布拉格反射镜的制备工艺较为方便可控，相对于更多反射周期的布拉格反射镜，其制作成本也相对较低，易于产业化。
在一些实施方式中，第一材料层121的折射率小于第二材料层122的折射率。利用多对第一材料层121和第二材料层122叠加，获得具有折射率显著差异的分布式布拉格反射结构，极大的提高了图形结构中间区域的轴向光反射能力，本实施例中形成的图形结构120的反射率可达99％以上。作为示例，第一材料层121的材料为硅氧聚合物，例如，甲基硅氧烷聚合物；第二材料层122的材料为SiO2、SiN、Si2N、Si2N3、MgF2、CaF2、Al2O3、SiO、TiO2、Ti2O3、TiO、MgO、ZnO中的一种或多种。以具有低折射率的透明SiO2作为第二材料层122，减少了材料对出光的吸收，并且利用折射率更低的带有孔洞结构的硅氧聚合物(折射率1.2～1.3)和SiO2(折射率1.4～1.5)的显著折射率差异可提高轴向光的反射能力，增加了LED的出光效率。
在一些实施方式中，第一材料层121和第二材料层122的厚度为10nm～1000nm；第二材料层122的的厚度为10nm～1000nm，作为示例，第一材料层121的厚度可以为60nm～90nm，第二材料层的厚度可以为40nm～70nm，以实现目标工作波长光线的有效反射。
S300：参见图7c，刻蚀第一材料层121和第二材料层122，以形成周期性排布的初始图形结构。
参见图3～4，在一些实施方式中，图形结构120可形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构，或径向尺寸自所述图形结构120的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。圆柱形和棱柱形的图形结构具有相同的高度和径向尺寸，棱面或柱面与衬底表面呈直角关系，可以提供更大的表面积和光接触面积，扩大光与每个材料层之间的接触范围，通过增加材料层的光学路径长度，从而增强光的提取效率。本实施例中，图形结构121形成为径向尺寸自凸起结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构，具体可以为正圆锥形，该正圆锥结构的锥度范围为1：0.5～1：4之间。作为示例，该正圆锥结构的锥度为1：1，也即图形结构120的中心截面为等边三角形，图形结构120的侧面与底面的夹角为60度。由于图形结构120形成为具有一定锥度的凸起结构，因此随着第一材料层121和第二材料层122的依次沉积，材料层的表面积也逐渐减小，层间的粘附力和粘附面积也相应减小，同时对刻蚀工艺的精度要求更高，为形成具有较佳反射周期的布拉格反射镜结构，材料层的叠层对数应至少设置4组，例如可以为4组、8组或16组等，为兼顾顶部材料层的结构质量和工艺难度，图形结构120的锥度应避免继续减小。与上述实施方式中多棱柱或圆柱结构的图形结构120不同的是，具有一定锥角的棱台结构或锥形结构不仅可以增加光与材料之间的相互作用，使光线发生多次反射和折射，还可以提高发光均匀性，更加有效的提高LED的发光强度。
S400：参见图7d，对获得的初始图形结构进行高温热处理，使得第一材料层121沿初始图形结构的边缘向初始图形结构的中心内缩，以在相邻第二材料层122之间形成镂空区123，形成周期性排列于衬底110表面的图形结构120。作为示例，第一材料层121和第二材料层122的材料分别选用甲基硅氧烷聚合物和SiO2，热处理工艺优选800度及以上的温度参数。第一材料层121，也即硅氧聚合物在向内热收缩后，形成多层空气区，也即镂空区123，由于空气具有极低的折射率，图形结构120上方和侧方入射光线容易在此夹层区域形成全反射，光线难以穿透该复合图形衬底100，该结构极大的提高了光的轴向反射率和取出效率。
在一个实施方式中，形成镂空区123的步骤可以和沉积外延层130同时进行，沉积外延层130的过程中由于该叠层结构设计而形成镂空区123，作为示例，可采用高温MOCVD工艺，使外延层130具有更高的沉积速率，时图形结构120和具有更好的材料质量和更低的表面缺陷密度，可以实现对薄膜材料制作过程的精确控制，在该工艺过程中的高温使第一材料层121内缩形成多个位于外延层130内部的夹层结构，进一步优化了LED芯片制程。
实施例3
本申请还提供一种发光二极管，包括衬底110以及形成在该衬底110表面的外延层130，该衬底110为实施例1中提供的复合图形衬底100，外延层130形成在复合图形衬底100的具有图形结构120的一面上。作为示例，复合图形衬底100的衬底110的材料为蓝宝石，图形结构120为具有不同折射率的第一材料层121和第二材料层122形成的正棱锥凸起结构，其中第一材料层121自凸起结构的边缘向凸起结构的中心内缩，以在相邻第二材料层122之间形成的镂空区123，该镂空区123形成为围绕凸起结构的环形结构。
外延层130包括依次形成在复合图形衬底100具有图形结构120的一面的第一半导体层131、有源层132和与所述第一半导体层131类型相反的第二半导体层133。作为示例，第一半导体层131可以为N型氮化镓层，第二半导体层133可以为P型氮化镓层。并在上述在第二半导体层131上形成第一电极140，在第一半导体层133上形成第二电极150。形成的第一电极140和第二电极150的材料可以为诸如金、银、铜、铝、铬、镍、钛和铂上述材料的至少一种，或选自上述材料的合金或叠层的至少一种。
该发光二极管包括通过实施例2提供的制作方法获得的复合图形衬底100，因而具有良好的出光效果，发光二极管的发光亮度得以大幅提升。
实施例4
本申请还提供一种发光装置，如图9所示，该发光装置包括电路基板10以及设置在电路基板10上方的发光元件20，该发光元件20可以是本申请以上实施例提供的发光二极管。上述发光二极管具有复合图形衬底100，在复合图形衬底100上方和侧方的入射光线容易在此区域形成全反射，光线难以穿透该复合图形衬底100，使发光二极管的光取出效率得以大幅提高，因此具有该发光二极管的发光装置同样具有良好的出光效果。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (21)

1.一种复合图形衬底，其特征在于，包括衬底以及形成于所述衬底表面的若干周期性排布的图形结构；其中，
所述图形结构形成为凸起结构，所述凸起结构包括沿衬底厚度方向依次交替叠置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层自所述凸起结构的边缘向所述凸起结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成的镂空区，所述镂空区形成为围绕所述凸起结构的环形结构。
2.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述图形结构形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构。
3.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述图形结构形成为径向尺寸自所述凸起结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。
4.根据权利要求3所述的复合图形衬底，其特征在于，在所述衬底表面的正投影中，所述镂空区所形成的环形结构的宽度自所述凸起结构的底部向顶部逐渐递减。
5.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述图形结构形成为正圆锥形。
6.根据权利要求5所述的复合图形衬底，其特征在于，所述图形结构的锥度为1：0.5～1：4之间。
7.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述衬底包括凸起部，位于所述衬底和所述图形结构之间。
8.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述第一材料层的折射率小于所述第二材料层的折射率；所述第一材料层和所述第二材料层形成分布式布拉格反射镜。
9.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述第一材料层的材料为硅氧聚合物。
10.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，所述第二材料层的材料为二氧化硅。
11.根据权利要求1～10任一项所述的复合图形衬底，其特征在于，所述第一材料层的厚度为10nm～1000nm；所述第二材料层的厚度为10nm～1000nm。
12.根据权利要求1～10任一项所述的复合图形衬底，其特征在于，所述第一材料层和第二材料层的叠层对数为2～50。
13.根据权利要求1所述的复合图形衬底，其特征在于，相邻的所述图形结构之间的最小距离为0.05μm～0.5μm。
14.一种复合图形衬底的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的表面依次沉积第一材料层和第二材料层；
刻蚀所述第一材料层和所述第二材料层，以形成周期性排布的初始图形结构；
对所述初始图形结构进行热处理，使得所述第一材料层沿所述初始图形结构的边缘向所述初始图形结构的中心内缩，以在相邻所述第二材料层之间形成镂空区，形成周期性排列于所述衬底表面的图形结构。
15.根据权利要求14所述的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述图形结构形成为径向尺寸相等的圆柱形结构或多棱柱结构，或径向尺寸自所述图形结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构。
16.根据权利要求15所述的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，刻蚀所述第一材料层和所述第二材料层，以形成周期性排布的初始图形结构，还包括：
刻蚀部分所述衬底，形成位于所述衬底和所述图形结构之间的凸起部。
17.根据权利要求14所述的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述第一材料层的折射率小于所述第二材料层的折射率。
18.根据权利要求14所述的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述第一材料层的厚度为10nm～1000nm；所述第二材料层的厚度为10nm～1000nm。
19.根据权利要求14所述的复合图形衬底的制作方法，其特征在于，所述第一材料层和第二材料层的叠层对数为2～50。
20.一种发光二极管，其特征在于，包括衬底以及形成在所述衬底表面的外延层，所述衬底为权利要求1～13中任一项所述的复合图形衬底，所述外延层形成在所述复合图形衬底具有所述图形结构的一面上。
21.根据权利要求20所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层包括依次形成在所述复合图形衬底具有图形结构的一面的第一半导体层、有源层和与所述第一半导体层类型相反的第二半导体层。
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