CN204167347U - 一种图形化衬底 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种图形化衬底，在衬底表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构，所述第一图形结构为环状结构且其内部空间呈倒台状，所述第一图形结构将衬底表面分割成若干周期性阵列排布的区域，将所述图形化的衬底结构用于高压芯片LED的制作时，所述环状结构可相当于传统工艺中的隔离槽中的绝缘材料，在形成有第一图形结构的衬底表面形成外延层，可以避免先在外延层上形成隔离槽再在隔离槽内填充绝缘材料等工艺，并且由于所述第一图形结构的内部空间呈倒台状，有利于提高LED的轴向发光亮度。

Description

一种图形化衬底

技术领域

本实用新型涉及半导体光电芯片制作领域，尤其涉及一种图形化衬底。

背景技术

自从20世纪90年代初商业化以来，经过二十几年的发展，GaN基LED已被广泛应用于户内外显示屏、投影显示用照明光源、背光源、景观亮化照明、广告、交通指示等领域，并被誉为二十一世纪最有竞争力的新一代固体光源。然而对于半导体发光器件LED来说，要代替传统光源，进入高端照明领域，必须考虑两个因素：一是发光亮度提升，二是生产成本的降低。

近年来，各种为提高LED发光亮度的技术应运而生，例如图形化衬底技术、侧壁粗化技术、DBR技术、优化电极结构、在衬底或透明导电膜上制作二维光子晶体等。其中图形化衬底技术最具成效，在2010年到2012年间，前后出现的锥状结构的干法图形化衬底和金字塔形状的湿法图形化衬底完全取代了表面平坦的蓝宝石衬底成为LED芯片的主流衬底，使LED的晶体结构和发光亮度都得到了革命性的提高。但是图形化的衬底代替表面平坦的蓝宝石衬底成为LED芯片的主流衬底无疑增加了LED的生产成本，虽然所增加的成本随着图形化衬底制作技术水平的提高会慢慢降低，但却无法完全消除。而且最终制作出的LED的形状无太多改善，进一步提高LED发光亮度的空间有限。

随着半导体集成技术的高速发展，一种称为高压芯片的LED结构应运而生，此种结构的LED一般是在外延层形成后，通过光刻刻蚀工艺形成隔离槽，再在隔离槽内填充绝缘材料，最后在各绝缘分离的外延层上制作电极并形成串联结构；虽然这种结构可以提高LED的发光亮度，但实际上其发光效率并没有提高，并且大大增加了芯片制造端的制造成本。

所以一种能够替代先形成隔离槽，再在隔离槽内填充绝缘材料的，且能够大幅提高LED发光亮度和生产成本的工艺技术方案亟待研发，以解决现有工艺技术方案亮度提升空间有限且生产成本居高不下的缺陷问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在提高LED发光亮度、LED芯片可靠性及良率的同时能够降低其生产成本的图形化衬底。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种图形化衬底，包括衬底以及形成于所述衬底上的若干周期性阵列排布的第一图形结构，所述第一图形结构为环状结构，且所述第一图形结构的内部空间呈倒台状。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述第一图形结构为矩形环状结构，所述第一图形结构的内部空间呈倒矩形台状。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述第一图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为梯形。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述图形化衬底还包括形成于所述第一图形结构上的第三图形结构。所述第三图形结构为环状结构，且所述第三图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为三角形。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述第一图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为三角形。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述图形化衬底还包括形成于第一图形结构内部空间的衬底上的若干周期性阵列排布的第二图形结构。所述第二图形结构为台状结构或锥状结构。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述第一图形结构与所述衬底的材质相同。所述第一图形结构与所述衬底的材质均为碳化硅、蓝宝石或硅。

可选的，在所述的图形化衬底中，所述第一图形结构与所述衬底的材质不相同。所述衬底的材质为碳化硅、蓝宝石或硅，所述第一图形结构的材质为二氧化硅。

本实用新型提供的图形化衬底具有以下有益效果：

1、本实用新型所提供的图形化衬底，在衬底表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构，所述第一图形结构为环状结构且其内部空间呈倒台状(平行于衬底表面的截面的面积由下至上逐渐增大)，所述第一图形结构将衬底表面分割成若干周期性阵列排布的区域，将所述图形化的衬底结构用于高压芯片LED的制作时，所述环状结构相当于传统工艺中的隔离槽中的绝缘材料，在形成有第一图形结构的衬底表面形成外延层，可以避免先在外延层上形成隔离槽再在隔离槽内填充绝缘材料等工艺，并且由于第一图形结构的内部空间呈倒台状，有利于提高LED的轴向发光亮度；

2、本实用新型所提供的图形化衬底，在所述环状结构内部空间的衬底上还形成有若干第二图形结构，所述第二图形结构可以进一步提高外延层的晶体质量和LED的发光亮度。

附图说明

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型。为了清楚起见，图中各个层的相对厚度以及特定区的相对尺寸并没有按比例绘制。在附图中：

图1至图8是本实用新型实施例一提供的图形化衬底制作过程中的剖面结构示意图；

图9是本实用新型实施例二提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图10是本实用新型实施例一或二提供的图形化衬底的俯视示意图；

图11是本实用新型实施例三提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图12是本实用新型实施例四提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图13是本实用新型实施例五提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图14是本实用新型实施例六提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图15是本实用新型实施例七提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图16是本实用新型实施例八提供的图形化衬底的剖面结构示意图；

图17是本实用新型实施例一提供的图形化衬底制作方法的流程图；

图18是本实用新型实施例三提供的图形化衬底制作方法的流程图；

图19是本实用新型实施例四提供的图形化衬底制作方法的流程图；

图20是本实用新型实施例六提供的图形化衬底制作方法的流程图。

具体实施方式

本实用新型具体实施方式的形成图形化衬底的方法，在衬底表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构，所述第一图形结构为环状结构且所述环状结构的内部空间呈倒台状，所述倒台状结构即为下小上大的结构(平行于衬底表面的截面的面积由下至上逐渐增大)，所述第一图形结构将衬底表面分割成若干周期性阵列排布的区域，将所述图形化的衬底结构用于高压芯片LED的制作时，所述环状结构相当于传统工艺中的隔离槽中的绝缘材料，在形成有第一图形结构的衬底表面形成外延层，则可以避免先在外延层上形成隔离槽再在隔离槽内填充绝缘材料的复杂且成本昂贵的制作工艺的使用，并且有利于提高LED的轴向发光亮度。进一步的，在所述环状结构内部空间的衬底上还形成有若干第二图形结构，所述第二图形结构可以进一步提高外延层的晶体质量和LED的发光亮度。

以下结合附图和几个具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例一

图1至图8为本实施例提供的图形化衬底制作过程中的剖面结构示意图，图17为本实施例的图形化衬底制作方法的流程图，下面结合图17与图1～8详细说明本实用新型具体实施例的形成图形化衬底的方法。

如图1所示，执行步骤S11，提供一衬底100，所述衬底100可以为碳化硅(SiC)衬底，蓝宝石(Al2O3)衬底或者硅衬底。在本实施例中，采用蓝宝石衬底。

如图2所示，执行步骤S12，通过蒸发、溅射、喷涂、PECVD或LPCVD等工艺在所述衬底100上形成第一掩膜层110。优选的，通过PECVD工艺在衬底100表面形成第一掩膜层110，所述第一掩膜层110的材料优选为二氧化硅，其厚度优选为0.5μm～3μm。更优选的，所述衬底100表面上形成的二氧化硅的抗腐蚀能力由下至上逐渐减弱(即由下至上越来越不抗腐蚀)，这可以通过形成二氧化硅时的温度渐变和/或沉积速率渐变来实现，具体的，形成二氧化硅时的温度逐渐降低和/或沉积速率逐渐增大均可使得形成的二氧化硅的膜层越来越疏松，进而使其抗腐蚀能力由下至上逐渐减弱。可选的，在所述衬底上形成二氧化硅层中，所述二氧化硅层的沉积速度为从10埃/秒到100埃/秒递增，工艺温度为从800℃到200℃递减，以实现其抗腐蚀能力由下至上逐渐减弱。

如图3和图4所示，执行步骤S13，通过光刻工艺在所述第一掩膜层110上形成图形化的光刻胶层120，并以图形化的光刻胶层120为掩膜，对所述第一掩膜层110进行刻蚀，再去除图形化的光刻胶层120，形成图形化的第一掩膜层110’。本实施例中，该图形化的第一掩膜层110’为环状结构且其内部空间呈倒台状(平行于衬底表面的截面的面积由下至上逐渐增大)，本实施例中，所述图形化的第一掩膜层110’沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为三角形。利用稀释的氢氟酸(DHF)或缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)进行湿法刻蚀，由于在衬底100上形成的二氧化硅的抗腐蚀能力由下至上逐渐减弱(即由下至上越来越不抗腐蚀)，因此可以控制二氧化硅横向的腐蚀速率和纵向的腐蚀速率，从而形成如图4所示的图形化的第一掩膜层110’。

如图5所示，执行步骤S14，以图形化的第一掩膜层110’为掩膜，对所述衬底100进行刻蚀，在衬底100表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构101。其中，所述第一图形结构101与衬底100表面无缝连接，且将衬底100表面分割成若干周期性阵列排布的矩形区域(如图10所示)，具体地说，所述第一图形结构101为矩形环状结构，并且，所述矩形环状结构平行于衬底表面的截面的面积由下至上逐渐减小，换言之，所述环状结构中间的凹陷区域100’呈倒矩形台状(平行于衬底表面的截面的面积由下至上逐渐增大)。本实施例中，所述矩形环状结构沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为下宽上窄的梯形。

本实施例中，形成第一图形结构101后，并不去除所述图形化的第一掩膜层110’，所述图形化的第一掩膜层110’作为第三图形结构存在于所述第一图形结构101之上。下文，将此步骤后的图形化的第一掩膜层110’称为第三图形结构103。

如图6所示，执行步骤S15，通过蒸发、溅射、喷涂、PECVD或LPCVD等工艺在衬底100、第一图形结构101以及第三图形结构103的上表面形成第二掩膜层130，所述第二掩膜层130的材料优选为二氧化硅，厚度优选为0.1μm-0.5μm。

如图7所示，执行步骤S16，通过光刻和湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺对所述第二掩膜层130进行刻蚀，在第一图形结构101的内部空间的衬底100表面上形成图形化的第二掩膜层130’，即，在由第一图形结构101限定而成的凹槽底部形成图形化的第二掩膜层130’。

可选的，所述图形化的第二掩膜层130’通过如下方式形成：首先，在所述第二掩膜层130上形成第一光刻胶，所述第一光刻胶的顶面确保高于第三图形结构103的顶面；接着，对第一图形结构101内部空间的衬底100表面上的第一光刻胶进行曝光，经过显影后，第一图形结构101内部空间的衬底100表面上的第一光刻胶将被去除，暴露出第一图形结构101内部空间的衬底表面；接着，在第一图形结构101内部空间的衬底表面上形成第二光刻胶，所述第二光刻胶的厚度比第一光刻胶的厚度薄/小；接着，使用均匀平行照明光束透过纳米窗口阵列光刻板后垂直照射第一图形结构101内部空间的衬底表面上的第二光刻胶，对所述第二光刻胶显影后，在所述第二光刻胶中形成纳米窗口阵列；接下来，以第二光刻胶为掩膜刻蚀第二掩膜层，由此便可在第一图形结构101内部空间的衬底表面上形成图形化的第二掩膜层130’。

如图8所示，执行步骤S17，以图形化的第二掩膜层130’为掩膜，对第一图形结构101内部空间的衬底100进行刻蚀，并去除图形化的第二掩膜层130’，从而在第一图形结构101内部空间的衬底100表面形成若干第二图形结构102。具体地说，所述第二图形结构102与衬底100表面无缝连接，更具体地说，所述第二图形结构102为台状结构。优选方案中，形成若干第二图形结构102之后，采用带终点探测的干法刻蚀工艺去除图形化的第二掩膜层130’，因此，在去除图形化的第二掩膜层130’过程中第一图形结构101和第三图形结构103损失很小，能够较好的保持第一图形结构101和第三图形结构103的形貌。

本实施例还提供一种图形化衬底，参考图8，所述图形化衬底包括：

衬底100；

形成于衬底100上的若干周期性阵列排布的第一图形结构101，所述第一图形结构101为环状结构，所述环状结构平行于衬底100表面的截面的面积由下至上逐渐减小，即，第一图形结构101的内部空间呈倒台状；

形成于第一图形结构101内部空间的衬底100上的若干周期性阵列排布的第二图形结构102；以及

形成于所述第一图形结构101上的第三图形结构103。

如图8和图10，所述第一图形结构101为矩形环状结构，所述第一图形结构101沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为下宽上窄的梯形，相应的，所述矩形结构内部空间100’呈倒矩形台状。所述第二图形结构102为台状结构。所述第三图形结构103为矩形环状结构，本实施例中，所述第三图形结构103沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为三角形。

其中，第一图形结构101的高度是第二图形结构102的高度的3～4倍，第二图形结构102的数量是第一图形结构101数量的1500～5000倍，第三图形结构103的高度是第一图形结构101高度的1/2～1/3倍。

本实施例中，所述第一图形结构101和第二图形结构102通过刻蚀衬底100形成，所述第三图形结构103则是由刻蚀形成第一图形结构101所用的图形化的第一掩膜层110’形成，故而，所述衬底100、第一图形结构101和第二图形结构102的材质相同，例如均为碳化硅、蓝宝石或者硅，所述第三图形结构103的材料即为第一掩膜层的材料例如是二氧化硅。

实施例二

如图9所示，本实施例所提供的图形化衬底与实施例一所提供的图形化衬底的不同之处在于，第二图形结构102为锥状结构。

在本实施例所提供的图形化衬底的制作方法中，在实施例一的基础上再额外进行预定时间的刻蚀(或者直接将步骤S17的刻蚀时间延长一些)，即可将第二图形结构102由台状结构转变为锥状结构。具体的工艺参数可以依据机台特点以及要形成的二氧化硅的厚度及抗腐蚀能力等要求通过有限次的实验获得。

其中，衬底100与第一图形结构101、第二图形结构102、第三图形结构103之间的位置关系与实施实例一相同，在此不再赘述。

实施例三

如图11所示，本实施例所提供的图形化衬底与实施例一和二所提供的图形化衬底的不同之处在于，第一图形结构101为矩形环状结构并且所述矩形环状结构沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为三角形，且并不形成若干第二图形结构102和第三图形结构103。

如图18所示，本实施例提供的图形化衬底的制作方法，包括如下步骤：

步骤S31，提供一衬底100；

步骤S32，在所述衬底100上形成第一掩膜层110；

步骤S33，通过光刻工艺在所述第一掩膜层110上形成图形化的光刻胶层120，并以图形化的光刻胶层120为掩膜，对所述第一掩膜层110进行刻蚀，然后去除图形化的光刻胶层120，形成图形化的第一掩膜层110’；

步骤S34，以图形化的第一掩膜层110’为掩膜，对所述衬底100进行刻蚀，在衬底100表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构101，所述第一图形结构101为环状结构；

步骤S35，去除图形化的第一掩膜层110’；

步骤S36，继续对所述衬底100和第一图形结构101进行刻蚀(无掩膜刻蚀)，使矩形环状结构沿其每条边的宽度方向的纵截面为三角形，如此，如图11所示的图形化衬底仅包括第一图形结构101。

本实施例中步骤S31～S34与实施例一中S11～S14相同(具体可参见图1至图5)，区别在于，本实施例中形成图5所示结构后直接去除图形化的第一掩膜层110’，然后继续刻蚀，从而形成如图11所示结构。

实施例四

如图12所示，本实施例在实施例三的基础上，形成若干第二图形结构102，所述第二图形结构102为台状结构。

如图19所示，本实施例提供的图形化衬底的制作方法，包括如下步骤：

步骤S41，提供一衬底100；

步骤S42，在所述衬底100上形成第一掩膜层110；

步骤S43，通过光刻工艺在所述第一掩膜层110上形成图形化的光刻胶层120，并以图形化的光刻胶层120为掩膜，对所述第一掩膜层110进行刻蚀，然后去除图形化的光刻胶层120，形成图形化的第一掩膜层110’；

步骤S44，以图形化的第一掩膜层110’为掩膜，对所述衬底100进行刻蚀，在衬底100表面形成若干周期性阵列排布的第一图形结构101，所述第一图形结构101为矩形环状结构；

步骤S45，去除图形化的第一掩膜层110’；

步骤S46，继续对所述衬底100和第一图形结构101进行刻蚀，使矩形环状结构沿其每条边的宽度方向的纵截面为三角形；

步骤S47，在衬底100以及第一图形结构101表面形成第二掩膜层；

步骤S48，对所述第二掩膜层进行刻蚀，在第一图形结构101内部空间的衬底100表面形成图形化的第二掩膜层；

步骤S49，以图形化的第二掩膜层为掩膜，对如图11所示衬底100进一步刻蚀，并去除图形化的第二掩膜层，在第一图形结构101内部空间的衬底100表面形成若干第二图形结构102。

具体的，本实施例中步骤S41～S46与实施例三中S31～S36相同，区别在于，本实施例中形成图11所示结构后，还继续执行步骤S47～S49，从而形成若干第二图形结构102，本实施例中步骤S47～S49与实施例一中步骤S15～S17类似，在此不再赘述。

实施例五

如图13所示，本实施例所提供的图形化衬底与实施例四所提供的图形化衬底的不同之处在于，第二图形结构102为锥状结构。

在本实施例所提供的图形化衬底的制作方法中，在实施例四的基础上再额外进行预定时间的刻蚀(或者直接将步骤S49的刻蚀时间延长一些)，即可将第二图形结构102由台状结构转变为锥状结构。具体的工艺参数可以依据机台特点以及要形成的二氧化硅的厚度及抗腐蚀能力等要求通过有限次的实验获得。

实施例六

如图14所示，本实施例与其它实施例的区别在于，所述第一图形结构101的材料与衬底100的材料不同，即，本实施例中，所述第一图形结构101并非是直接刻蚀所述衬底100而成，而是在平坦的衬底100上形成图形化的第一掩膜层，并将图形化的第一掩膜层作为第一图形结构101。

如图20所示，本实施例提供的图形化衬底的制作方法，包括如下步骤：

步骤S61，提供一衬底100；

步骤S62，在所述衬底100上形成第一掩膜层，所述第一掩膜层的抗腐蚀能力由下至上逐渐减弱；

步骤S63，通过光刻工艺在所述第一掩膜层上形成图形化的光刻胶层，并以图形化的光刻胶层为掩膜，对所述第一掩膜层进行刻蚀，然后去除图形化的光刻胶层120，形成图形化的第一掩膜层。

本实施例中，将图形化的第一掩膜层作为第一图形结构101，所述第一图形结构101为矩形环状结构，并且所述矩形环状结构沿其每条边的宽度方向的纵截面(垂直于衬底表面的截面)为三角形，所述第一图形结构101可实现实施例一中的第一图形结构的作用，与实施例一的区别在于，其材质与衬底100有所不同。

本实施例中步骤S61～S63与实施例一中S11～S13相似，仅是所形成的图形化的第一掩膜层尺寸有所不同，本实施例中所形成图形化的第一掩膜层实际上应与实施例三中的第一图形结构101的尺寸相同或相近。

实施例七

如图15所示，本实施例在实施例六的基础上，还可继续在第一图形结构101内部空间的衬底100表面形成若干第二图形结构102，所述第二图形结构102为台状结构。

实施例八

如图16所示，本实施例在实施例六的基础上，还可继续在第一图形结构101内部空间的衬底100表面形成若干第二图形结构102，所述第二图形结构102为锥状结构。

如上所述，本实用新型所提供的图形化的衬底结构不但解决了芯片制作端的技术瓶颈、节约了芯片制作端的制作成本，而且还提高了LED的晶体质量、大幅提高了LED的发光亮度和其轴向发光亮度；本实用新型所提供的图形化的衬底的制作方法工艺原理简单、成本低廉，符合未来LED发展之方向，适于商业化大规模生产。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分描述的比较简单，相关之处互相参见即可。

此外，虽然已经通过示例性实施例对本实用新型进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例性实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种图形化衬底，其特征在于，包括衬底以及形成于所述衬底上的若干周期性阵列排布的第一图形结构，所述第一图形结构为环状结构，且所述第一图形结构的内部空间呈倒台状。

2.如权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构为矩形环状结构，所述第一图形结构的内部空间呈倒矩形台状。

3.如权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为梯形。

4.如权利要求3所述的图形化衬底，其特征在于，所述图形化衬底还包括形成于所述第一图形结构上的第三图形结构。

5.如权利要求4所述的图形化衬底，其特征在于，所述第三图形结构为环状结构，且所述第三图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为三角形。

6.如权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构沿其每条边的宽度方向且垂直于衬底表面的截面为三角形。

7.如权利要求1或2所述的图形化衬底，其特征在于，所述图形化衬底还包括形成于第一图形结构内部空间的衬底上的若干周期性阵列排布的第二图形结构。

8.如权利要求7所述的图形化衬底，其特征在于，所述第二图形结构为台状结构或锥状结构。

9.如权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构与所述衬底的材质相同。

10.如权利要求9所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构与所述衬底的材质均为碳化硅、蓝宝石或硅。

11.如权利要求1所述的图形化衬底，其特征在于，所述第一图形结构与所述衬底的材质不相同。

12.如权利要求11所述的图形化衬底，其特征在于，所述衬底的材质为碳化硅、蓝宝石或硅，所述第一图形结构的材质为二氧化硅。