图形化衬底结构及LED器件的制作方法

图形化衬底结构及led器件
技术领域
1.本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及led技术，特别是涉及一种图形化衬底结构及led器件。


背景技术：

2.半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等优点，其应用领域正在迅速扩大。尤其近几年，随着研发力度的加大和资金的投入，led发光效率和品质得到大幅度的提升，led更是得到深入的应用。
3.led产业经过多年的研究和发展，一致认为生长衬底技术是gan基材料及器件的核心。目前主流的衬底技术路线是蓝宝石技术路线、si衬底技术路线、sic衬底技术路线、gan同质衬底技术，以及最新突破的复合衬底技术路线，几种技术中以蓝宝石技术路线最为成熟，且几种技术路线各有优劣，有些还存在技术难点，但共同目的都是为了提高led发光效率和品质。
4.对于led更高应用的要求使得衬底技术还需提升和挖掘。因此，不断的挖掘衬底技术来有效提高gan基外延层及led外延结构晶体质量，提高led亮度和其他性能指标实属必要，而已有技术在此方面渐显乏力。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种图形化衬底结构，用于解决现有技术难以满足led亮度和其他性能指标日益提升的需求等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种图形化衬底结构，所述图形化衬底结构包括生长衬底及位于所述生长衬底上的介质图形层，所述介质图形层包括介质层，所述介质层上形成有多个介质图形，所述多个介质图形在所述生长衬底上呈阵列分布，所述介质图形的侧面形貌为圆台状，所述介质图形内具有漏斗状凹槽。
7.可选地，所述多个介质图形在所述生长衬底上呈周期性六角阵列排布。
8.可选地，相邻介质图形的周期为2μm-6μm。
9.可选地，所述介质图形的底部直径为1μm-5.8μm，顶部直径为1μm-4μm，高度为0.5μm-2.0μm。
10.可选地，所述凹槽的深度为0.5μm-2.0μm。
11.可选地，所述介质层包括氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一种或由多种堆叠而成。
12.可选地，所述生长衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氧化锌衬底和氮化镓衬底中的一种或由多种堆叠而成。
13.可选地，所述图形化衬底结构还包括外延缓冲层和过渡层，依次位于所述介质层的上方。
14.可选地，所述外延缓冲层和过渡层的厚度为1-10μm。
15.可选地，所述外延缓冲层和过渡层包括gan层、algan层、aln层、ingan层、ainlgan层、硅掺杂的n型半导体材料层和镁掺杂的p型半导体材料层中的一个或由多个堆叠而成。
16.本实用新型还提供一种led器件，所述led器件包括外延结构层及如上述任一方案中所述的图形化衬底结构，所述外延结构层位于所述图形化衬底结构上，所述外延结构层包括n型外延层、p型外延层和发光层。
17.如上所述，本实用新型的图形化衬底结构及led器件，具有以下有益效果：本实用新型提供的图形化衬底结构具有特殊设计的介质图形层，在其表面生长gan等外延层时，在生长过程中，外延材料不会在介质图形表面生长而只能通过侧向外延生长，所以外延层的晶体质量可以大幅提升。同时，图形形貌的特殊设计，可以改变光在芯片内部散射的效果，提高器件出光效率。基于本实用新型的图形化衬底制备的led器件，性能可以得到显著提升。
附图说明
18.图1显示为本实用新型提供的图形化衬底结构的截面结构示意图。
19.图2显示为本实用新型提供的图形化衬底结构的俯视结构示意图。
20.图3-6显示为本实用新型提供的图形化衬底结构在制备过程中于各步骤所呈现出的结构示意图。
21.元件标号说明
22.11
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生长衬底
23.12
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介质层
24.121
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介质图形
25.122
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凹槽
26.13
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光刻胶层
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
28.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
29.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间
的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
30.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
31.目前市场上已经成熟的甚至标准化的图形衬底都是圆锥形，其形貌和尺寸都已经定型，且这种图形衬底对led芯片亮度的提升都已经达到极限。但是led芯片对亮度的提升要求却没有停止，本领域技术人员一直在寻求新的方法。本技术将提供一种全新的图形化衬底结构以有效地提高gan基发光二极管外延层晶体质量，并且能提高发光二极管出光效率和发光角度等性能。
32.具体地，如图1及图2所示，本实用新型提供一种图形化衬底结构，所述图形化衬底结构包括生长衬底11及位于所述生长衬底11上的介质图形121层，所述介质图形121层包括介质层12(或者说所述介质图形121层的材质是介质材料)，所述介质层12上形成有多个介质图形121，所述多个介质图形121在所述生长衬底11上呈阵列分布(即所述介质图形121之间相互间隔，介质图形121之间的间隙显露出所述生长衬底11)，所述介质图形121的侧面形貌为圆台状，所述介质图形121内具有漏斗状凹槽122(或者说介质图形121顶部为倒扣的空心圆锥形)。本实用新型提供的图形化衬底结构具有特殊设计的介质图形121层，在其表面生长gan等外延层时，在生长过程中，外延材料不会在介质图形121表面生长而只能通过侧向外延生长，所以外延层的晶体质量可以大幅提升。同时，图形形貌的特殊设计，可以改变光在芯片内部散射的效果，提高器件出光效率。基于本实用新型的图形化衬底制备的led器件，性能可以得到显著提升。
33.在一较优的示例中，所述多个介质图形121在所述生长衬底11上呈周期性六角阵列排布，其俯视形貌如图2所示。这样的设计使得该图形化衬底结构在用于制备led芯片时，有助于提高出光均匀性。
34.作为示例，相邻介质图形121的周期为2μm-6μm(包括端点值，本说明书中在涉及数值范围的描述时，如无特殊说明，均包括端点值)，比如为2μm，2μm，4μm，5μm，6μm或这区间的任意值。
35.在一示例中，所述介质图形121的底部直径为1μm-5.8μm，顶部直径为1-4μm，高度为0.5μm-2.0μm。
36.作为示例，所述凹槽122的深度小于等于所述介质图形121的高度。在一具体示例中，所述凹槽122的深度为0.5-2.0μm。
37.作为示例，所述生长衬底11包括但不限于蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氧化锌衬底和氮化镓衬底中的任意一种，或由这其中的几种上下堆叠而成。
38.作为示例，所述介质层12包括但不限于氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一种或由多种堆叠而成，若为几种堆叠而成，则还可以为周期性叠置或非周期性堆叠。
39.在一示例中，所述图形化衬底结构还包括外延缓冲层和/或过渡层，依次位于所述介质层12的上方。且在进一步的示例中，当同时包括所述外延缓冲层和过渡层时，两者的厚度为1-10μm。所述外延缓冲层和过渡层均包括但不限于gan层、algan层、aln层、ingan层、ainlgan层、硅掺杂的n型半导体材料层和镁掺杂的p型半导体材料层中的一个或由多个堆
叠而成，两者可以通过mocvd或hvpe方法沉积所得。
40.下面结合附图对本实用新型的图形化衬底结构的制备过程做一简单的例示性说明。
41.首先，提供一生长衬底11，采用包括但不限于气相沉积工艺于所述生成衬底上形成介质层12，得到的结构如图3所示；
42.采用包括但不限于涂布工艺于所述介质层12上形成光刻胶层13，得到的结构如图4所示；
43.对所述光刻胶层13进行曝光显影以于所述光刻胶层13中定义出所述介质图形121的形貌，得到的结构如图5及图6所述(图5为截面结构示意图，图6为俯视结构示意图)；
44.依残余的光刻胶层13对所述介质层12进行干法刻蚀，以将所述光刻胶层13上的图形转移至所述介质层12上，由此得到如图1及图2所示的图形化衬底结构。
45.在此之后，根据需要，还可以采用包括但不限于mocvd工艺和hvpe工艺中的一种或两种的结合在所述图形化衬底结构上形成外延缓冲层和过渡层，具体可以为厚度为1～10μm厚的gan层，或algan层，或aln层，或ingan层，或ainlgan层，也可以是由上述半导体材料组成的多层结构，上述材料还可以是参si形成的n型半导体材料层或参mg形成的p型半导体材料层，或上述任意材料层中的多种的堆叠。如需制备led器件，则可以继续采用包括但不限于mocvd工艺于所述过渡层上生长具有一定功能的器件的外延结构层，所述外延结构层至少含有n型外延层、p型外延层和发光层，之后可以采用包括但不限于溅射工艺进一步形成电通道，包括与n型外延层和p型外延层相连通的电极。形成的led器件可以是正装结构、倒装结构、垂直结构中的任意一种。
46.故而本实用新型还提供一种led器件，所述led器件包括外延结构层及如上述任一方案中所述的图形化衬底结构，所述外延结构层位于所述图形化衬底结构上，所述外延结构层包括n型外延层、p型外延层和发光层。对所述图形化衬底结构的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。所述led器件还可以包括与n型外延层和p型外延层相连通的电极以形成电通道，所述led器件可以是正装结构、倒装结构和垂直结构中的任意一种。由于采用前述的图形化衬底结构，使得本实用新型的led器件相较于现有器件，能具有更好的出光效率。
47.综上所述，本实用新型提供一种图形化衬底结构及led器件。所述图形化衬底结构包括生长衬底及位于所述生长衬底上的介质图形层，所述介质图形层包括介质层，所述介质层上形成有多个介质图形，所述多个介质图形在所述生长衬底上呈阵列分布，所述介质图形的侧面形貌为圆台状，所述介质图形内具有漏斗状凹槽。本实用新型提供的图形化衬底结构具有特殊设计的介质图形层，在其表面生长gan等外延层时，在生长过程中，外延材料不会在介质图形表面生长而只能通过侧向外延生长，所以外延层的晶体质量可以大幅提升。同时，图形形貌的特殊设计，可以改变光在芯片内部散射的效果，提高器件出光效率。基于本实用新型的图形化衬底制备的led器件，性能可以得到显著提升。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
48.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型所揭示的精
神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。