CN218498087U - 一种复合衬底及半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种复合衬底及LED结构，复合衬底包括层叠设置的衬底、第一半导体层以及介质层，介质层远离衬底一侧的表面具有至少贯穿介质层的凹槽；第二半导体层，第二半导体层保型地形成于凹槽的侧壁以及介质层上；LED结构包括上述复合衬底以及层叠设置于复合衬底上的第三半导体层、发光层以及第四半导体层，第三半导体层和第四半导体层导电类型相反；通过在第一半导体层上设置图形化介质层以及保型覆盖的第二半导体层，可使得生长于第二半导体层上的外延层应力得到侧向释放，避免衬底翘曲，进一步提高LED结构的晶体质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种复合衬底及半导体结构。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型节能、环保固态照明光源，具有能效高、体积小、重量轻以及寿命长等有点，已经广泛应用于诸多领域。
目前主流的LED发光材料为GaN基材料，而作为GaN基材料最优选的外延衬底，单晶GaN的价格十分昂贵，且制备困难，难以实现商用；目前常规的衬底例如蓝宝石、Si或SiC等，由于晶格适配巨大，造成的应力较大，在外延GaN基材料时易造成衬底的翘曲，导致GaN基材料晶体质量差，较难实现高效率的批量生产。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种复合衬底及半导体结构，以解决GaN基材料异质外延由于晶格失配产生的应力问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种复合衬底，包括：层叠设置的衬底、第一半导体层以及介质层，
介质层远离衬底一侧的表面具有至少贯穿介质层的凹槽；
第二半导体层，第二半导体层保型地形成于凹槽侧壁以及介质层上。
进一步地，第二半导体层形成于凹槽的底部。
进一步地，第一半导体层和第二半导体层为氮化物半导体结构。
更进一步地，第一半导体层和第二半导体层为掺氧层结构。
进一步地，第一半导体层和/或第二半导体层的热膨胀系数小于衬底。
进一步地，介质层包括SiO2、SiN、Al2O3中的一种或多种的组合。
更进一步地，介质层为多层结构，介质层为DBR。
进一步地，由衬底指向第二半导体层的方向上，凹槽的宽度逐渐变大。
进一步地，凹槽的侧壁为倾斜的平面；
或，凹槽的侧壁为上凸的曲面；
或，凹槽的侧壁为下凹的曲面。
进一步地，凹槽的下表面位于第一半导体层的表面或位于第一半导体层中。
进一步地，凹槽贯穿第一半导体层，凹槽的下表面位于衬底的表面或位于衬底中。
进一步地，凹槽的截面形状包括圆形、方形或六边形中一种或多种的组合。
进一步地，复合衬底经过退火处理。
进一步地，凹槽的截面形状为网状，介质层的形状为凸起结构。
本实用新型的另一方面，还提供一种LED结构，
包括上述的复合衬底，
以及层叠设置于复合衬底上的第三半导体层、发光层以及第四半导体层，第三半导体层和第四半导体层导电类型相反。
进一步地，第三半导体、发光层以及第四半导体层形成于凹槽中。
本实用新型实施提供的复合衬底以及LED结构，通过在第一半导体层上设置图形化介质层以及保型覆盖的第二半导体层，由于介质层上方的第二半导体层无法直接生长外延层，可使得生长于第二半导体层上的外延层应力得到侧向释放，且LED结构形成于各凹槽内进一步避免了各LED结构之间的内在应力产生，进一步提高LED结构的晶体质量；另一方面，图形化的介质层可以有效提高LED结构的散射率，进而提高LED结构的出光效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例一提供的复合衬底的结构示意图；
图2a至图2c为复合衬底的俯视示意图；
图3a至图3b为实施例二提供的复合衬底的结构示意图；
图4a至图4f为实施例三提供的复合衬底的结构示意图；
图5为实施例四复合衬底去除第二半导体层的俯视示意图；
图6为实施例五提供的LED结构的结构示意图；
图7为实施例六提供的LED结构的结构示意图。
附图标记说明：1-衬底；2-第一半导体层；3-介质层；31-凹槽；4-第二半导体层；5-第三半导体层；6-发光层；7-第四半导体层；8-第一电极；9-第二电极。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置的例子。
实施例一
如图1所示，图1为本实用新型提供的复合衬底的结构示意图，复合衬底包括依次层叠设置的衬底1、第一半导体层2以及介质层3，其中介质层3远离衬底1一侧的表面具有至少贯穿介质层的凹槽31；复合衬底还包括第二半导体层4，第二半导体层4保型地形成于凹槽31侧壁以及介质层3上。进一步地，第二半导体层4还可以设置于凹槽31的底部。
本实施例中，衬底1的材料包括Si、Al2O3、SiC或AlN中的任意一种或多种的组合，优选地，本实施例中衬底1的材料为Al2O3。
第一半导体层2和第二半导体层4的材料为氮化物半导体，第一半导体层2 和第二半导体层4的材料可以相同或不同，本实施例中优选为AlN。第一半导体层2和第二半导体层4可以通过PVD方法制备而成，也可以通过PVD和 MOCVD的混合制备方法制备。第一半导体层2、介质层3以及第二半导体层4 的厚度小于2微米。优选地，第一半导体层2和第二半导体层4为掺氧层结构，由衬底1指向第二半导体层地方向上，第一半导体层2和第二半导体层4中的氧含量逐渐降低。通过在第一半导体层2和第二半导体层4中掺入氧原子，一部分氧原子会替代第一半导体层2和第二半导体层4中的氮原子，另一部分则会形成填隙原子，由于氧原子半径比氮原子大，第一半导体层2和第二半导体层4的晶格会产生一定的畸变，从而增加晶格常数，使得第一半导体层2和第二半导体层4与后续的GaN基材料外延层的晶格常数更接近，从而降低GaN基材料外延层中的压应力，提高GaN基材料的晶体质量；越靠近GaN基外延层的一侧氧含量逐渐降低可以确保第二半导体层4靠近GaN基外延层的一侧不会因氧含量过高导致第二半导体层4晶体质量降低。
本实施例中，第一半导体层2和/或第二半导体层4的热膨胀系数小于衬底 1的热膨胀系数，使得在高温外延及后续降温的过程中，第一半导体层2可对衬底1起到抑制变形的作用，加强了衬底1的稳定性，进而提高后续外延结构的晶体质量；另一方面，可以在第一半导体层2远离衬底1的一侧通过激光剥离的方式将衬底1和第一半导体层2与介质层3、第二半导体层4以及形成于复合衬底上方的外延层剥离，有效降低衬底1的剥离难度和操作步骤，此外，激光剥离后的衬底1和第一半导体层2的复合层可以作为衬底循环使用，极大降低生产成本。
介质层3的材料包括SiO2、SiN、Al2O3中的一种或多种的组合，本实施例中优选为SiO2。介质层3的设置有效解决了衬底1上难以直接制备较厚第一半导体层2和第二半导体层4的问题；且至少贯穿介质层3的凹槽31形成于介质层3中，位于介质层3上方的第二半导体层4无法直接外延生长GaN基材料，而位于凹槽31底部的第二半导体层4上方可以实现GaN基外延层的外延生长，形成侧向外延的效果，有效降低后续外延的GaN基材料中的位错密度，有效提高晶体质量。进一步地，介质层3为多层结构，介质层3为DBR结构，提高对光的反射率，该复合衬底作为LED结构的外延衬底可有效提高LED结构的出光效率。
请参照图2a至图2c，图2a至图2c为复合衬底的俯视示意图。本实施例中，凹槽31的截面形状包括圆形、方形或六边形中一种或多种的组合。
优选地，本实施例提供的复合衬底可经过退火处理，退火温度高于1200度，退火氛围为真空环境、氮气或氢气和氮气的混合气中的任意一种。
实施例二
实施例二与实施例一大致相同，区别仅在于：如图1所示，本实施例中，由衬底1指向第二半导体层4的方向上，凹槽31的宽度逐渐变大。由于GaN基材料的晶格常数较大，如此设置，GaN基材料由凹槽31底部开始外延再侧向外延至凹槽31侧壁上的第二半导体层4上，可进一步将后续生长的外延层中的应力得到释放，且使得该外延层中的缺陷发生弯曲，提高晶体质量的同时有效避免衬底1由于外延层中应力累加而导致衬底1发生翘曲。
进一步地参照图3a和图3b，凹槽31的侧壁为倾斜的平面、上凸的曲面或下凹的曲面。如此设置，可以使得形成于介质层3上的第二半导体层4具有更高的表面积。
实施例三
实施例三与实施例一或实施例二的内容大致相同，区别点仅在于，如图4a 至4f所示，凹槽31的下表面位于第一半导体层2中，或凹槽31的下表面位于衬底1靠近第一半导体层2的表面，或凹槽31的下表面位于衬底1中。
实施例四
实施例四与实施例一至实施例三的内容大致相同，区别点仅在于，如图5 所示，图5为本实施例中复合衬底去除第二半导体层4的俯视示意图，凹槽31 的截面形状为网状，介质层3的形状为多个凸起结构。
实施例五
实施例五提供了一种LED结构，如图6所示，其中包括实施例一至实施例四中任意一个实施例提供的复合衬底，还包括层叠设置于复合衬底上的第三半导体层5、发光层6以及第四半导体层7，第三半导体层5和第四半导体层7的导电类型相反。
凹槽31为多个，第三半导体层5、发光层6以及第四半导体层7均形成于凹槽31中，每一个凹槽31内的第三半导体层5、发光层6以及第四半导体层7 形成一个LED单元，其中，发光层6的高度低于第二半导体层4的最大高度，即各LED单元中的发光层互不连接以确保每个LED单元能够独立设置。如此设置，一方面，多个凹槽31将多个LED单元隔离，避免LED结构中各LED单元间应力累加导致衬底翘曲的现象，有效提高晶体质量，进而提高LED结构的发光效率；另外，第三半导体层5形成于凹槽31中，当凹槽31具有由下至上宽度逐渐增大的倾斜侧壁时，由凹槽31底部开始外延并侧向外延至凹槽31侧壁的第二半导体层4上，在此过程中第三半导体层5的应力得到释放，第三半导体层5内的缺陷得以弯曲，有效提高第三半导体层5的晶体质量，进而提高发光层6以及第四半导体层7的晶体质量，有效提高LED结构的发光效率及使用寿命。其中，复合衬底具有的技术效果在此不做赘述。
本实施例还包括第一电极8和第二电极9，第一电极8与第三半导体层5电连接，第二电极9与第四半导体层7电连接。
实施例六
实施例六提供了另一种LED结构，实施例六与实施例五的内容大致相同，区别点仅在于：如图7所示，第三半导体层5填满凹槽31并在远离衬底1一侧的表面形成平坦表面，发光层6和第四半导体层7依次形成于第三半导体层上。第三半导体层5形成于凹槽31中，第三半导体层5形成于凹槽31中，当凹槽 31具有由下至上宽度逐渐增大的倾斜侧壁时，由凹槽31底部开始外延并侧向外延至凹槽31侧壁的第二半导体层4上，在此过程中第三半导体层5的应力得到释放，第三半导体层5内的缺陷得以弯曲，有效提高第三半导体层5的晶体质量，进而提高发光层6以及第四半导体层7的晶体质量，有效提高LED结构的发光效率及使用寿命，另外，本实施例提供的LED结构中介质层3和第一半导体层2、第二半导体层4、第三半导体层5、发光层6以及第四半导体层7间的折射率大，且凹槽31形成于介质层3中可起到更优的散射作用，打破出光界面的全反射限制，改善有效散射面积，进而提高出光效率。
以上所述仅是本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (17)
1.一种复合衬底，其特征在于，包括：
层叠设置的衬底(1)、第一半导体层(2)以及介质层(3)，
所述介质层(3)远离所述衬底(1)一侧的表面具有至少贯穿所述介质层(3)的凹槽(31)；
第二半导体层(4)，所述第二半导体层(4)保型地形成于所述凹槽(31)的侧壁以及所述介质层(3)上。
2.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述第二半导体层(4)形成于所述凹槽(31)底部。
3.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述第一半导体层(2)和所述第二半导体层(4)为氮化物半导体结构。
4.根据权利要求3所述的复合衬底，其特征在于，所述第一半导体层(2)和所述第二半导体层(4)为掺氧层结构。
5.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述第一半导体层(2)和/或第二半导体层(4)的热膨胀系数小于所述衬底(1)。
6.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述介质层(3)为单层或多层结构，所述单层或多层结构中的任意一层为SiO2、SiN或Al2O3中的一种。
7.根据权利要求6所述的复合衬底，其特征在于，所述介质层(3)为多层结构，所述介质层(3)为DBR。
8.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，由所述衬底(1)指向所述第二半导体层(4)的方向上，所述凹槽(31)的宽度逐渐变大。
9.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，
所述凹槽(31)的侧壁为倾斜的平面；
或，所述凹槽(31)的侧壁为上凸的曲面；
或，所述凹槽(31)的侧壁为下凹的曲面。
10.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述凹槽(31)的下表面位于所述第一半导体层(2)的表面或位于所述第一半导体层(2)中。
11.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述凹槽(31)的截面形状包括圆形、方形或六边形中一种或多种的组合。
12.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述凹槽(31)的截面形状为网状，所述介质层(3)的形状为凸起结构。
13.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述复合衬底经过退火处理。
14.根据权利要求1至权利要求13中任意一项所述的复合衬底，其特征在于，所述凹槽(31)贯穿所述第一半导体层(2)，所述凹槽(31)的下表面位于所述衬底(1)的表面或位于所述衬底(1)中。
15.一种LED结构，其特征在于，
包括权利要求1至权利要求14中任意一项所述的复合衬底，
以及层叠设置于所述复合衬底上的第三半导体层(5)、发光层(6)以及第四半导体层(7)，所述第三半导体层(5)和所述第四半导体层(7)导电类型相反。
16.根据权利要求15所述的LED结构，其特征在于，所述第三半导体层(5)、所述发光层(6)以及所述第四半导体层(7)形成于所述凹槽(31)中。
17.根据权利要求15所述的LED结构，其特征在于，还包括第一电极(8)和第二电极(9)，所述第一电极(8)电连接于所述第三半导体层(5)，所述第二电极(9)电连接于所述第四半导体层(7)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221274145.7U CN218498087U (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种复合衬底及半导体结构 |
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| CN218498087U true CN218498087U (zh) | 2023-02-17 |
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