CN211125683U - 一种图形化复合衬底和led外延片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种图形化复合衬底和LED外延片。该图形化复合衬底包括：蓝宝石基板；阵列排布的多个台状微结构，所述台状微结构位于所述蓝宝石基板上，所述台状微结构的侧壁具有内凹弧度，且所述台状微结构中至少远离所述蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成。本实用新型实施例解决了现有图形化衬底出光效率仍较低的问题，降低了入射至衬底上的光线发生全反射的概率，增加了光出射的几率，保证了衬底的光提取效率；同时可以有效释放外延材料生长过程中产生的应力，减少外延层中的缺陷，保证外延层质量，有利于改善出光率和增加LED的亮度。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种图形化复合衬底和LED 外延片。
背景技术
图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)是目前发光二极管(Light Emitting Diode，LED)外延芯片的主流基板材料，基于PSS衬底进行氮化镓材料的生长的技术方案相对成熟。采用图形化蓝宝石衬底技术可以较好地缓解蓝宝石衬底和氮化镓外延生长中的应力，降低氮化镓外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量，同时可以提升光提取效率。
目前，最广泛商业使用的图形化蓝宝石衬底为圆锥体微结构，该图形化蓝宝石衬底具有较高的出光效率且性能稳定。但随着LED产品的不断更新，对 LED芯片的发光效率要求越来越高，普通的图形化蓝宝石衬底已无法满足LED 芯片高亮度的要求。
实用新型内容
本实用新型提供一种图形化复合衬底和LED外延片，以解决现有LED芯片出光效率较低的问题，进一步提高LED芯片的亮度。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种图形化复合衬底，包括：
蓝宝石基板；
阵列排布的多个台状微结构，所述台状微结构位于所述蓝宝石基板上，所述台状微结构的侧壁具有内凹弧度，且所述台状微结构中至少远离所述蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成。
可选地，所述异质材料为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)中的至少一种。
可选地，所述台状微结构的所述侧壁的内凹深度为20-300nm。
可选地，所述台状微结构的顶面设置有至少一个凸起和/或至少一个凹槽，所述凸起的高度和所述凹槽的深度均小于所述台状微结构的高度。
可选地，所述凸起和所述凹槽的形状为立方体、球冠、棱锥和棱台中一种或多种。
可选地，所述台状微结构全部由所述异质材料制成。
可选地，所述台状微结构为类圆台状、类三棱台状、类四棱台状、类五棱台状、类六棱台状和类八棱台状中的任意一种。
可选地，所述台状微结构的底部尺寸为1.0-3.0μm，顶部尺寸为0.5-2.5μm，高度为0.8-2.0μm。
可选地，相邻两个所述台状微结构之间的间距为0.2μm～1.5μm。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种LED外延片，包括如第一方面任一项所述的图形化复合衬底，以及形成于所述图形化复合衬底上的外延层。
本实用新型实施例提供的图形化复合衬底，通过在蓝宝石基板上设置阵列排布的多个台状微结构，并且设置该台状微结构的侧壁具有内凹弧度，同时台状微结构中至少远离蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成，降低光线发生全反射的概率，增加了光出射的几率，进一步提高了光提取效率，解决了现有图形化衬底的LED芯片出光效率仍较低的问题；同时可以有效释放外延材料生长过程中产生的应力，减少外延层中的缺陷，保证外延层质量，有利于改善出光率和增加LED的亮度。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种图形化复合衬底的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的又一种图形化复合衬底的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的又一种图形化复合衬底的结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的一种LED外延片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型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实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
如背景技术部分所述，现有的图形化蓝宝石衬底通常采用如圆锥体等规整的微结构，而此部分微结构尽管可以减少部分光的全反射，保证光的透过出射，但由于具有较为规整的侧壁，因而仍存在一定的光的全反射，导致LED芯片的光提取效率仍然较低。除此之外，现有的微结构通常直接由蓝宝石基板形成，因而在蓝宝石基板上生长外延层时，微结构会导致外延的局部应力集中，从而增加了外延的缺陷，影响了外延片质量。
针对上述问题，本实用新型提出一种图形化复合衬底，该图形化复合衬底包括蓝宝石基板；阵列排布的多个台状微结构，台状微结构位于蓝宝石基板上，台状微结构的侧壁具有内凹弧度，且台状微结构中至少远离蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成。
其中，台状微结构是具有平整顶面和内凹侧壁的微结构，该台状微结构阵列排布在蓝宝石基板上。台状微结构远离蓝宝石基板一侧的部分即上层部分采用异质材料制成，其中的异质材料是相对于蓝宝石材料以及外延层材料例如氮化镓而言，即异于蓝宝石材料和外延材料，外延材料在该异质材料上生长困难，也即异质材料具备抑制外延材料生长的作用。在制备该图形化复合衬底时，可以采用常规的图形化衬底制备技术制得。示例性地，可以先在蓝宝石基板上通过等离子体增强化学的气相沉积法沉积一层异质材料层，然后在异质材料层形成掩膜层，通过ICP干法刻蚀或湿法腐蚀刻蚀工艺，最后将异质材料层蚀刻形成台状微结构。具体地，在蚀刻异质材料层时，可以通过调节蚀刻时间、刻蚀气体比例等蚀刻的工艺条件，来获得台状微结构。需要说明的是，在蚀刻异质材料层时，可以进一步将蓝宝石基板刻蚀，从而使蓝宝石基板上的台状微结构的上层部分为异质材料层，而下层部分则为与蓝宝石基板一体连接的蓝宝石层。并且，对于异质材料层和蓝宝石层的比例关系，本领域技术人员可以根据实际的工艺条件以及性能进行优化，此处不做限制。
如上所述的蓝宝石基板和台状微结构阵列，其中台状微结构阵列占据蓝宝石基板平面面积，因而可以减少光线在蓝宝石基板表面的全反射。同时，台状微结构内凹弧度的侧壁可以减少光在侧壁上的镜面反射，改变光的反射角度，从而提高光线在LED芯片结构的出射几率，改善光的提取效率。另一方面，台状微结构还可以减少外延层在蓝宝石基板上的生长面，降低基底与外延层之间的晶格失配以及热膨胀系数不匹配等问题。同时，台状微结构远离蓝宝石基板一侧的部分即上层部分由异质材料制成，因而可以抑制外延材料的生长。平整的顶面可以减少外延材料在围绕微结构生长过程中形成的应力集中现象，同时可以避免双C面的外延生长，从而可以进一步减少外延层的缺陷，保证外延生长质量。
本实用新型实施例提供的图形化复合衬底，通过在蓝宝石基板上设置阵列排布的多个台状微结构，并且设置该台状微结构的侧壁具有内凹弧度，同时台状微结构中至少远离蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成，解决了现有图形化衬底出光效率仍较低的问题，降低了光线的反射率，保证了衬底的光提取效率；同时可以有效释放外延材料生长过程中产生的应力，减少外延层中的缺陷，保证外延层质量，有利于改善出光率和增加LED的亮度。
以上是本实用新型的核心思想，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
图1是本实用新型实施例提供的一种图形化复合衬底的结构示意图，参考图1，该图形化复合衬底包括：蓝宝石基板10；阵列排布的多个台状微结构21，台状微结构21位于蓝宝石基板10上，台状微结构21的侧壁具有内凹弧度，且台状微结构21中至少远离蓝宝石基板10一侧的部分由异质材料制成。图1示例性地使出了该图形化复合衬底中，台状微结构21由异质材料层和蓝宝石层两部分组成，其中蓝宝石层与蓝宝石基板10为一体结构。如图所示，台状微结构 21内凹弧度的侧壁对光线的镜面反射降低，改变了光的反射角度，使得原本发生全反射的光线得以从LED芯片结构中出射，从而实现光提取效率的提高。
图2是本实用新型实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图，参考图2，该图形化复合衬底中，台状微结构21则全部由异质材料制成。此时的台状微结构21不仅能够减少光的反射，同时可以利用异质材料抑制其表面的外延生长，从而能够帮助在蓝宝石基板表面上生长的外延层释放应力。
如上所述的台状微结构中，为了保证侧壁弧度的减反射效果，可以设置所述台状微结构的侧壁的内凹深度R为20-300nm。在现有的蚀刻工艺下，可以对台状微结构的侧壁进行弧度凹陷的精确调控，在该内凹深度的条件下，侧壁能够保证较好的改变光的反射角度，减少光发生全反射的几率，有助于增加LED 芯片的出光效率。
进一步地，为了保证台状微结构的减反射效果，可以设置所述台状微结构为类圆台状、类三棱台状、类四棱台状、类五棱台状、类六棱台状和类八棱台状中的任意一种。当然，除上述的形状外，本领域技术人员还可将台状微结构设置为其他形状或异形形状，以优化减反射的效果，本实用新型对此不做限制。
上述实施例中，对于图形化复合衬底的质量，除合理设置台状微结构的形状外，还可以通过调控台状微结构的大小尺寸和周期间距等实现。具体地，参考图2，可设置所述台状微结构的底部尺寸D1为1.0-3.0μm，顶部尺寸D2为 0.5-2.5μm，高度H1为0.8-2.0μm。同时可设置相邻两个台状微结构之间的间距 L1为0.2μm～1.5μm。其中，台状微结构的底部尺寸和顶部尺寸需要对应具体的台状微结构的形状，以台状微结构为类圆台微结构为例，底部和顶部均为圆形，此时的底部尺寸和顶部尺寸均为圆形的直径；以台状微结构为类棱台微结构，则该类棱台微结构的底部和顶部图形均为多边形，此时，底部尺寸和顶部尺寸则表示该多边图形在经图形中心的直线上的最大正投影尺寸。以三角形为例，则该底部或顶部尺寸则为三角形的高，以长方形为例，则该底部或顶部尺寸则为对角线的长度。
如上的台状微结构中，异质材料可采用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)中的至少一种。并且，需要说明的是，为了进一步地减少该台状微结构的光反射率，可以在制备异质材料的台状微结构时，可以设置该台状微结构中采用异质材料制成的部分，由多层不同材料的异质材料层组成。并且，该多层不同材料的异质材料层可设置为折射率依次增大或减少，从而减少台状微结构表面折射率差，降低光的反射率。
进一步地，台状微结构的顶面可以进行应力的释放，但是平面部分同样会会产生光的反射，从而影响出光效率。除上述在异质微结构上部采用多层异质材料层通过折射率渐变来降低光反射率外，本实用新型实施例还提供了一种图形化复合衬底，该图形化复合衬底中，台状微结构的顶面设置有至少一个凸起和/或至少一个凹槽，凸起的高度和凹槽的深度均小于台状微结构的高度。其中，台状微结构的顶面设置凸起或凹槽，可以减少平面面积，从而较少平面的全反射，并且，凸起或凹槽结构可以增加光线入射后的散射，提高了LED芯片的光提取效率。
需要说明的是，凸起的材料同样为异质材料，凹槽的制备也是在异质材料层上形成。具体地，在制备上述的图形化复合衬底时，需要先在蓝宝石基板上通过等离子体增强化学的气相沉积法沉积一层异质材料层，然后在异质材料层上利用光刻胶掩膜光刻形成如图3或图4所示的凸起或凹槽结构；然后利用二氧化硅等材料将该凸起或凹槽覆盖；继而通过ICP干法刻蚀或湿法腐蚀刻蚀工艺，最后将异质材料层蚀刻形成台状微结构，最后将该台状微结构顶面上覆盖凸起或凹槽的二氧化硅材料去除。可以理解的是，在制备形成该图形化复合衬底时，本领域技术人员可以设置凸起或凹槽的掩膜位置与台状微结构的掩膜相对应，以保证凸起或凹槽位于台状微结构的顶面，此处不做赘述。
图3是本实用新型实施例提供的又一种图形化复合衬底的局部结构示意图，如图3所示，该图形化复合衬底中，台状微结构21的顶面设置有多个凸起31，并且，该凸起31相对整个台状微结构21较小，可以对光线进行散射甚至折射，从而减少了光的全反射，增加了光出射的几率。其中凸起31的形状可以是立方体、球冠、棱锥和棱台中的一种或多种，并且在设置多个凸起31时，凸起31 的形状可相同也可不同。
另外，在通过设置凸起来改善台状微结构顶面的光反射外，还需要对凸起的形状、尺寸以及排布方式进行设计。示例性地，可以设置凸起的底部尺寸为 0.3-0.8μm，顶部尺寸为0.2-0.6μm。如图3所示，在设置多个凸起结构时，还可设置相邻凸起之间的间距为0-0.1μm。
图4是本实用新型实施例提供的又一种图形化复合衬底的结构示意图，如图4所示，该图形化复合衬底中，台状微结构21的顶面设置有多个凹槽41，并且，该凹槽41相对整个台状微结构21较小，同样地，凹槽41结构可以实现对光的散射和折射，从而降低光的反射效率。示例性地，凹槽41的形状也可以是立方体、球冠、棱锥和棱台中的一种或多种。并且，可设置凹槽41的顶部尺寸为0.3-0.8μm；底部尺寸为0.2-0.6μm；设置多个凹槽时，相邻凹槽之间的间距为0-0.1μm。
除图3和图4中单独设置凸起或单独设置凹槽外，还可在台状微结构的顶面同时设置凸起和凹槽，以增加台状微结构顶面的凹凸度，从而减少光的反射。此处对于顶面上设置的凸起和凹槽的形状和尺寸，本领域技术人员可以根据实际的减反射效果来进行设计，本实用新型不对此进行限制。
本实用新型实施例还提供了一种LED外延片，图5是本实用新型实施例提供的一种LED外延片的结构示意图，参考图5，该LED外延片包括本实用新型实施例提供的任意一种图形化复合衬底100以及形成于图形化复合衬底100上的外延层200。
对于在不同材质的异质微结构上形成外延层，需要不同的LED外延片生长技术，而对于本实用新型实施例提供的图形化复合基底，LED外延片上的外延层200可以是GaN、AlGaN外延层等。该LED外延片因采用上述实施例提供的图形化复合衬底100，因而具备图形化复合衬底100同样的有益效果。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种图形化复合衬底，其特征在于，包括：
蓝宝石基板；
阵列排布的多个台状微结构，所述台状微结构位于所述蓝宝石基板上，所述台状微结构的侧壁具有内凹弧度，且所述台状微结构中至少远离所述蓝宝石基板一侧的部分由异质材料制成。
2.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述台状微结构的所述侧壁的内凹深度为20-300nm。
3.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述台状微结构的顶面设置有至少一个凸起和/或至少一个凹槽，所述凸起的高度和所述凹槽的深度均小于所述台状微结构的高度。
4.根据权利要求3所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述凸起和所述凹槽的形状为立方体、球冠、棱锥和棱台中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述台状微结构全部由所述异质材料制成。
6.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述台状微结构为类圆台状、类三棱台状、类四棱台状、类五棱台状、类六棱台状和类八棱台状中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述台状微结构的底部尺寸为1.0-3.0μm，顶部尺寸为0.5-2.5μm，高度为0.8-2.0μm。
8.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，相邻两个所述台状微结构之间的间距为0.2μm～1.5μm。
9.一种LED外延片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的图形化复合衬底，以及形成于所述图形化复合衬底上的外延层。
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