新型图形化衬底结构及器件的制作方法

本发明属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种能够广泛应用于半导体材料异质外延的通用图形化衬底及LED发光器件。

背景技术：

LED是一种半导体固体发光器件，由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaN(氮化镓)、GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的。

目前，GaN基LED器件主要使用蓝宝石做衬底，由于蓝宝石衬底与GaN LED材料在晶格常数与热膨胀系数方面的差异，导致GaN LED外延层中存在相当高的穿透位错密度(10⁸～10¹⁰cm^-2)以及非常大的压缩应力，严重影响GaN LED光学特性的进一步提高。材料缺陷与内应力的存在是GaN LED技术进一步提高内量子效率以及增加晶圆尺寸的主要瓶颈。

为了降低GaN外延材料中的缺陷密度与内应力，目前采用等离子体刻蚀(韩国专利1020080087406)与湿法化学腐蚀(中国专利CN1700449A)技术在蓝宝石上制作图形化衬底的技术，能在一定程度上降低外延层中的位错密度、提高LED的内量子效率。但是GaN与蓝宝石界面处对入射光的反射率不高，造成大部分进入蓝宝石衬底的光不能被有效提取，从而导致LED器件的外量子效率比较低。

最近，硅衬底具有尺寸大、成本低等优势在GaN LED技术中获得了快速发展。但是在硅衬底上异质外延GaN LED材料，其位错密度比蓝宝石上的GaN材料高1～2数量级，容易形成由张应力导致的裂纹；并且硅衬底对蓝光有强烈的吸收，因此所生长的LED外延结构需要从硅衬底上剥离下来，否则LED器件的发光效率非常低。值得注意的是，目前硅衬底上异质外延GaN材料在技术上还不成熟，而且硅衬底剥离技术存在工艺复杂、成品率低等缺点。因此，急需开发一种新型图形化技术来降低硅基GaN材料的位错密度，并消除硅衬底的吸光效应对LED器件发光效率的影响。

技术实现要素：

本发明解决的一个问题是减少晶体的缺陷密度，提高图形化衬底的出光效率。

为了实现上述目的，本发明实施例所采用的技术方案为：

根据本发明一个方面的一个实施例，提供了一种图形化衬底，包括:衬底；形成于所述衬底上的图形化分布式布拉格反射镜；形成于所述图形化分布式布拉格反射镜上的图形化介质层，图形化分布式布拉格反射镜与其上形成的图形化介质层形成多个对称的、周期性的凸起。

可选地，所述衬底是单晶外延衬底。

可选地，所述单晶外延衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底与碳化硅衬底中的任意一种。

可选地，所述的图形化分布式布拉格反射镜由SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意两种具有不同折射率的材料按照ABAB方式组合而成，所述图形化分布式布拉格反射镜的周期数范围在1至20之间。

可选地，所述的图形化介质层由比GaN的折射率小的材料组成。

可选地，所述比GaN的折射率小的材料是SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一种材料。

可选地，所述凸起的形状为圆锥形、圆柱形、圆台形、半球形、棱锥形、棱柱形、棱台形中的任意一种。

可选地，所述圆锥形、棱锥形、圆台形、棱台形图形结构的底角范围从10°变化至80°。

可选地，所述凸起的排列方式包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列中的任一种。

可选地，所述凸起的周期为0.2至10微米，凸起的高度为0.1至5微米。

可选地，在所述周期性的凸起在衬底上的一个周期图形中，凸起底部面积占周期图形面积的比为0.1至0.95。

根据本发明的另一方面的一个实施例，还提供了一种LED发光器件，包括上述图形化衬底。

由于本发明采用了内嵌分布式布拉格反射镜的图形化衬底，一方面可以减少衬底形核区(也就是周期性图形中未被图形化分布式布拉格反射镜底部占据的区域)面积，从而通过侧向外延生长模式降低晶体的缺陷密度(在形核区才产生由于GaN和衬底晶格失配造成的应力),提高晶体质量，另一方面，内嵌的内嵌分布式布拉格反射镜结构能够将器件内部的光大量地反射至器件表面，从而提高了表面出光和外量子效率。

另外，由于所述衬底可以是蓝宝石，也可以是Si，因此该图形衬底不仅能提高在蓝宝石上生长的GaN的晶体质量，也能提高Si衬底上GaN的晶体质量，更解决了Si衬底上GaN基LED的光吸收的难题。

另外，本发明的实施例通过增加周期性结构的面积填充因子(在周期性的凸起在衬底上的一个周期图形中，凸起底部面积占周期图形面积的比)，具体地说增加到0.1至0.95，可以减少形核区面积，结合MOCVD侧向外延的生长模式，释放GaN与蓝宝石由于晶格失配而产生的应力，从而大幅度减少GaN外延层的位错密度，降低晶体的缺陷密度，提高晶体质量。

另外，所述凸起的形状为圆锥形、圆柱形、圆台形、半球形、棱锥形、棱柱形、棱台形中的任意一种，其中所述圆锥形、棱锥形、圆台形、棱台形图形结构的底角范围从10°变化至80°，优选从30°变化至40°，通过这样的斜坡结构和这样的角度，有利于将光线反射回LED表面与侧面，从而大幅度减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

另外，所述的图形化介质层由比GaN的折射率小的材料组成(例如SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一种材料)，由于该材料的折射率比GaN小，也有利于将光线反射回LED表面与侧面，从而大幅度减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。通过在掩膜层上开窗口，实现空间上控制外延层生长的方法。由于掩膜层的存在阻挡了其下方的穿透位错向上方外延层的传播。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明内嵌分布式布拉格反射镜结构图形化衬底的示意图；

图2是本发明第一实施例的带有蓝宝石基内嵌分布式布拉格反射镜结构图形衬底的GaN LED器件结构示意图；

图3是本发明第二实施例的带有硅基内嵌分布式布拉格反射镜结构图形衬底的垂直结构GaN LED器件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明内嵌分布式布拉格反射镜结构图形化衬底的示意图。本发明公开的新型图形化衬底结构，包括衬底101、图形化分布式布拉格反射镜(DBR)102与图形化介质层103。所述图形化分布式布拉格反射镜102形成于所述衬底上101，所述图形化介质层103形成于所述图形化分布式布拉格反射镜102上。所述的图形化分布式布拉格反射镜102与图形化介质层103具有相同的对称性与几何周期。图形化分布式布拉格反射镜与其上形成的图形化介质层形成多个对称的、周期性的凸起。

对称是指凸起在衬底上排布的位置是对称的。周期性是指凸起在衬底上排布的位置是重复出现的。例如，所述凸起的排列方式包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窝晶格排列中的任一种，但也可以是本领域技术人员能够构想出的其它排列方式。重复出现是指，以蜂窝晶格排列为例，在衬底的一个区域内出现了由凸起排列成的蜂窝形状，在与该区域相邻的另一个区域也重复出现由凸起排列成的同样的蜂窝形状，以此类推。该一个区域叫做周期性的凸起在衬底上的一个周期图形。在一个周期图形中，凸起底部面积占周期图形面积的比 为填充因子。例如，在某周期图形中，有排列成蜂窝形状的10个凸起，填充因子即为这10个凸起底部面积占整个周期图形面积的比。

如前所述，本发明优选的填充因子是0.1至0.95。通过增加填充因子到0.1至0.95，可以减少衬底形核区(也就是周期性图形中未被图形化DBR底部占据的区域)面积，从而通过侧向外延生长模式降低晶体的缺陷密度。同时，填充因子的增加，DBR结构将光线反射回LED表面与侧面，从而大幅度减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

分布式布拉格反射镜(DBR)是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。因此是一种四分之一波长多层系统。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达99％以上。改变材料的折射率或厚度可以调整能隙位置，也就可以调整布拉格反射镜反射光的频率。

优选地，所述的衬底优选是单晶外延衬底，但也可以是其它衬底。单晶外延衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底与碳化硅衬底中的任意一种。所述的图形化分布式布拉格反射镜102由SiO2、Si3N4、SiOxNy、SiC、Al2O3、Ga2O3、Cr2O3、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意两种具有不同折射率材料按照ABAB方式组合而成，所述图形化分布式布拉格反射镜102的周期数范围在1至20之间。周期数即衬底上形成上述周期图形的数量。在一个实施例中，周期数为1；在另一个实施例中，周期数为10；在另一个实施例中，周期数为20。

优选地，所述图形化衬底的周期为0.2至10微米，即相隔0.2至10微米是相邻的另一个周期图形。在一个实施例中，周期为0.2微米；在另一个实施例中，周期为5微米；在另一个实施例中，周期为10微米。

优选地，凸起的高度为0.1至5微米。这样的凸起的高度有利于进一步提高出光率。在一个实施例中，凸起的高度为0.1微米；在另一个实施例中，凸起的高度为2微米；在另一个实施例中，凸起的高度为5微米。

优选地，所述的图形化介质层103由比GaN的折射率小的材料组成，例如由SiO2、Si3N4、SiOxNy、SiC、Al2O3、Ga2O3、Cr2O3、TiO2、HfO2、 ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一种材料组成。由于该材料的折射率比GaN小，也有利于将光线反射回LED表面与侧面，从而大幅度减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

优选地，所述的周期性图形为凸起的圆锥形、圆柱形、圆台形、半球形、棱锥形、棱柱形、棱台形中的任意一种，其中圆锥形、棱锥形、圆台形、棱台形图形结构的底角范围从10°变化至80°，优选为从30°变化至40°。通过这样的斜坡结构和这样的角度，有利于将光线反射回LED表面与侧面，从而进一步减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

在一个实施例中，采用圆锥形，其底角为30°；在另一个实施例中，底角为35°；在另一个实施例中，底角为40°。

[第一实施例]

本实施例具体描述本发明所提供的蓝宝石基内嵌分布式布拉格反射镜结构的图形化衬底以及GaN LED器件结构，如图2所示。

本实施例提供的蓝宝石基内嵌分布式布拉格反射镜图形化衬底的结构包括：单晶蓝宝石衬底201、图形化分布式布拉格反射镜(DBR)与图形化介质层202；图形化DBR形成于单晶蓝宝石衬底201上，图形化介质层形成于图形化DBR上；DBR结构由6组TiO₂/Al₂O₃按照ABAB方式交替层叠而成，每一层TiO₂与Al₂O₃的厚度符合四分之一波长消光法则，其优选厚度分别为49纳米与67纳米；图形化介质层由Al₂O₃材料构成，其厚度为900纳米；图形化DBR与图形化介质层具有三角形对称性，其几何周期为3微米，底部的DBR与顶部的介质层形成一个圆锥结构，圆锥的底宽为2.8微米，高度为1.6微米，圆锥的斜边与衬底平面的夹角约为49度；N型氮化镓层203在未被TiO₂/Al₂O₃图形覆盖的蓝宝石衬底201上形核生长，通过侧向外延模式最后完全填平图形衬底表面。InGaN/GaN多量子阱层204形成于N型氮化镓层203上；P型氮化镓层205形成于InGaN/GaN多量子阱层204上；透明导电层206形成于P型氮化镓层205上；P金属电极208形成于透明导电层206上；N金属电极209 形成于所述N型氮化镓层203上；氧化硅钝化层207形成于GaN发光二极管的台面与侧壁上。

与制作在常规的蓝宝石图形化衬底上的GaN发光二极管相比较，本实施例中制备的内嵌分布式布拉格反射镜图形化衬底的GaN发光二极管的正向电压无明显变化，并且发光器件的输出光功率提高15～25％。由于图形化衬底中已经内嵌分布式布拉格反射镜结构，因此可以采用低成本的紫外激光(替代皮秒激光)来切割蓝宝石背面而不会影响LED正面的出光，从而节约了隐形切割与蓝宝石背面精细抛光设备的投入，由此产生的经济效益非常显著。

本发明提供的第一实施例在蓝宝石上制备内嵌分布式布拉格反射镜的新型图形化衬底，相比于传统的蓝宝石图形衬底，新型图形化结构采用光学介质材料在蓝宝石C平面上形成周期性结构，由于光学介质材料大多为无定型结构表面难以形核，通过增加周期性结构的面积填充因子可以减少形核区面积，结合MOCVD侧向外延的生长模式，释放GaN与蓝宝石由于晶格失配而产生的应力，从而大幅度减少GaN外延层的位错密度。通过特殊的形状或斜面角度，低缺陷密度GaN晶体能够填充整个图形化衬底的间隙，从而获得高性能GaNLED外延层。与之同时，向衬底传播的光由于周期性分布式布拉格反射镜结构的高反射作用，光线大量被反射回LED器件内部，从而增强LED的表面或侧面的出光效率。

[第二实施例]

本实施例具体描述本发明所提供的硅基内嵌DBR结构的图形化衬底以及垂直结构GaN LED器件结构示意图，如图3所示。

本实施例提供的硅基内嵌分布式布拉格反射镜图形化衬底的结构包括：N型Si(111)衬底301、图形化分布式布拉格反射镜(DBR)与图形化介质层302；图形化DBR形成于Si(111)衬底301上，图形化介质层形成于图形化DBR上；DBR结构由6组TiO₂/Al₂O₃按照ABAB方式交替层叠而成，每一层TiO₂与Al₂O₃的厚度符合四分之一波长消光法则，其优选厚度分别为49纳米与67纳米；图形化介质层由Al₂O₃材料构成，其厚度为900纳米；图形化DBR与图形化介质层具有三角形对称性，其几何周期为3.0微米，底部的DBR与顶部 的介质层形成一个圆锥结构，圆锥的底宽为3.0微米，高度为1.6微米，圆锥底部占整个衬底的面积比约为91％；N型氮化镓(或者铝镓氮)层303在未被TiO₂/Al₂O₃图形覆盖的Si(111)衬底301区域形核生长，通过侧向外延模式最后完全填平图形衬底表面。InGaN/GaN多量子阱层304形成于N型氮化镓层303上；P型氮化镓层305形成于InGaN/GaN多量子阱层304上；透明导电层308形成于P型氮化镓层305上；P金属电极306形成于透明导电层308上；N金属电极309形成于Si(111)衬底301背面；氧化硅钝化层307形成于GaN发光二极管的台面与侧壁上。

首先，由于图形化硅衬底中内嵌了分布式布拉格反射镜结构，绝大多数的光能够被反射至LED的正表面，有效避免了硅衬底的吸光效应，因此该垂直结构LED的光提取效率与背镀DBR的蓝宝石基GaN LED基本相同。其次，N型硅衬底通过图形化衬底的形核区与N型GaN层之间形成了垂直的导电通路与散热通路，因此本实施例中制备的硅基内嵌分布式布拉格反射镜图形化衬底结构以及垂直结构GaN发光二极管具有优良的大电流工作能力与散热性能。第三，与传统的硅基GaN LED相比较，本发明提供的硅基内嵌分布式布拉格反射镜的图形化衬底不需要采用硅衬底剥离、晶圆键合等复杂工艺，成品率非常高，制作成本较低，经济效益显著。

本发明提供的第二实施例是在Si衬底上形成内嵌分布式布拉格反射镜的图形化衬底，不仅可以通过侧向外延生长模式降低晶体的缺陷密度，而且可以通过增加图形的填充因子，利用DBR结构来将光线反射回LED表面与侧面，从而大幅度减少了衬底对光的吸收，提高了LED器件的出光效率。采用新型图形化衬底不需要剥离原来的硅衬底而能直接形成垂直LED结构，使LED器件在大电流工作时仍有良好的电流扩展性以及散热能力，在高亮度、低成本LED制造领域具有重要的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。