图形化蓝宝石衬底及发光二极管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体领域，尤其涉及一种图形化蓝宝石衬底、其制作方法及采用该图形化蓝宝石衬底的发光二极管。
【背景技术】
[0002]PSS (Patterned Sapphire Substrate，图形化蓝宝石衬底)是在蓝宝石衬底上利用光刻、刻蚀等工艺，形成具有图形化表面的蓝宝石衬底。图形化衬底一方面能够有效降低外延结构层的位错密度，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高发光二极管的内量子发光效率，另一方面，由于图形结构增加了光的散射，改变了发光二极管的光学线路，进而提升了出光几率。
[0003]PSS图案底部宽度的大小对衬底的出光效率有一定的影响:底部宽度越大，图案的表面积越大，反光区域越大，出光效率越高。同时，相邻图案的间距对后续外延层的生长具有一定的影响:如果间距太小，则会导致形成的外延层内部缺陷增大，不利于半导体元件的光提取，如果间距太大，则导致相同尺寸的衬底表面排列的衬底图案数目较少，降低衬底的出光效率。因此，如何获得密度适当并且底部宽度较大的衬底图案是提高半导体元件出光效率的关键技术之一。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种图形化蓝宝石衬底及采用该衬底的发光二极管，其通过增加图形化衬底的图案表面的反光面积，可以提高衬底对光线的反射，从而提升发光二极管的出光效率。
[0005]本发明的技术方案为:一种图形化蓝宝石衬底，具有相对的第一表面和第二表面，所述衬底第一表面由复数个相互间隔的图案排列而成，所述图案具有复数个侧面和至少一个夹置于所述相邻侧面之间的凹陷区，所述凹陷区的深度和宽度自所述图案的顶部向底部逐渐减小。
[0006]优选的，所述图案还包括一顶面和一底面，所述凹陷区夹置于所述相邻侧面和顶面之间。
[0007]优选的，所述凹陷区由两个倾斜面连接而成。更佳的，所述凹陷区在所述图案底面上的投影呈三角形。
[0008]优选的，所述两倾斜面呈轴对称设置。
[0009]优选的，所述两倾斜面的夹角范围为90~150°。
[0010]优选的，所述图案的顶面呈具有凸起的多边形。
[0011]优选的，所述侧面由倾斜度不同且分别位于所述图案上部和下部的第一侧面和第二侧面组成。
[0012]优选的，所述第一侧面的倾斜度小于第二侧面的倾斜度。
[0013]优选的，所述第二侧面呈弧状。
[0014]所述衬底的图案的底部宽度范围为4 μπι~20 μπι。
[0015]上述图形化蓝宝石衬底可以通过下面方法制备:S1、提供一蓝宝石平片衬底，具有相对的第一表面和第二表面，在第一表面上形成掩膜层，其具有周期性排列的掩膜图案；S2、采用湿法刻蚀在蓝宝石平片衬底第一表面上形成复数个周期性排列的相互间隔的图案，所述图案具有复数个侧面和至少一个夹置于所述相邻侧面之间的凹陷区，所述凹陷区的深度和宽度自所述图案的顶部向底部逐渐减小。
[0016]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜图案具有至少一个向外延伸的凹陷，所述凹陷对应于所述蓝宝石衬底的晶格方向。
[0017]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜图案具有复数个向外延伸的凸起，所述凸起对应于所述蓝宝石衬底的晶格方向之间。
[0018]优选的，所述凸起和凹陷交替排列，所述凸起和凹陷的数目均为3。
[0019]优选的，所述相邻凸起之间构成一夹角，夹角的范围为90° ~150°。
[0020]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜图案的边缘与中心的距离为0.25 μπι -10 μπι,所述掩膜图案的高度为I μπι~10 μπι，所述掩膜图案的间距为0.1 μπι ~10 μπι。
[0021]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜层的材料为光阻、氧化物或金属。
[0022]优选的，所述步骤S2中湿法刻蚀采用浓硫酸和磷酸混合液刻蚀蓝宝石衬底第一表面形成图型化蓝宝石衬底，刻蚀时间为500s~3500s，刻蚀温度为150°C ~300°C。
[0023]本发明还提供了一种发光二极管，包括前述任意一种图形化蓝宝石衬底及形成于所述图形化蓝宝石衬底的发光外延层。
[0024]优选的，所述图形化蓝宝石衬底的表面上具有一层采用PVD法形成的AlN层，所述发光外延层形成于所述AlN层之上。
[0025]优选的，所述AlN层的厚度为10埃~200埃。
[0026]本发明的再一方面提供了前述发光二极管的制作方法，包括如下步骤:S1、提供一蓝宝石平片衬底，具有相对的第一表面和第二表面，在第一表面上形成掩膜层，其具有周期性排列的掩膜图案；S2、采用湿法刻蚀在蓝宝石平片衬底第一表面上形成复数个周期性排列的相互间隔的图案，所述图案具有复数个侧面和至少一个夹置于所述相邻侧面之间的凹陷区，所述凹陷区的深度和宽度自所述图案的顶部向底部逐渐减小；S3、在所述图形化蓝宝石衬底表面采用PVD法形成一 AlN层；S4、在所述AlN层上外延生长发光外延层，其至少包括N型半导体、发光层和P型半导体层。
[0027]优选的，所述步骤S2中的所述图案还包括一顶面和一底面，所述凹陷区夹置于所述相邻侧面和顶面之间。
[0028]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜图案具有至少一个向外延伸的凹陷，所述凹陷对应于所述蓝宝石衬底的晶格方向。
[0029]优选的，所述步骤SI中形成的掩膜图案还具有复数个向外延伸的凸起，其对应于所述蓝宝石衬底的晶格方向之间。
[0030]优选的，所述步骤S3中AlN层的厚度为10埃~200埃。
[0031]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0032]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
[0033]图1为监宝石晶格结构俯视不意图。
[0034]图2~图3为现有技术中图形化蓝宝石衬底的图案之SEM侧视图。
[0035]图4~图6显示了根据本发明实施的一种图形化蓝宝石衬底的SEM图。其中，图4为图形化蓝宝石衬底的整体立体图，图5为图形化蓝宝石衬底之单个图案的侧视结构示意图，图6为图形化蓝宝石衬底之单个图案的俯视结构示意图。
[0036]图7为根据本发明实施的一种用于制作图形化蓝宝石衬底的流程示意图。
[0037]图8为根据本发明实施的一种用于制作图形化蓝宝石衬底的掩膜层图案。
[0038]图9为图8所示掩膜层图案的放大图。
[0039]图10为根据本发明实施的一种用于制作发光二极管的流程示意图。
[0040]图11为根据本发明实施的一种发光二极管结构示意图。
[0041]图中标号表示:10.图形化蓝宝石衬底；20.图形化蓝宝石衬底；21.衬底的图案；210.顶面；2101.顶面的凸起结构；2102.顶面的凹陷结构；211.底面；212.侧面；2121.第一侧面；2122.第二侧面；213.凹陷区；2130.倾斜面；30.掩膜图案；31.掩膜图案之凹陷；32.掩膜图案之凸起。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合实施例和附图对本发明的具体实施作详细说明。
[0043]PSS 一般采用干法刻蚀或湿法刻蚀制备。干法刻蚀主要是采用等离子体(ICP)轰击衬底表面制备图案，具有各向同性的特点，制备出的图形形貌可控，但是容易产生物理损伤，同时表面反射率较差，不利于进一步提高LED出光效率。湿法刻蚀主要是采用化学溶液腐蚀衬底制备图案，具有设备成本低、操作工艺简单、衬底表面反射率较高等优点，适于大规模工业生产使用。
[0044]图1示出了蓝宝石晶格结构的俯视示意图，具体为六方晶格结构，其中常被应用的切面有A面、C面及R面。由于蓝宝石C面与II1- V和I1- VI族沉积薄膜之间的晶格常数失配率较小，通常使用C面进行外延生长。采用湿法刻蚀蓝宝石衬底时，由于蓝宝石晶格结构的特性，刻蚀溶液仅能沿蓝宝石晶格方向腐蚀，通常形成三角锥型图案。图2~3显示了现有技术中湿法刻蚀获得的图案化蓝宝石衬底10，其工艺一般是在蓝宝石衬底的C面上形成诸如圆柱形的掩膜图案，然后进行湿法刻蚀。在前述刻蚀过程中，刻蚀溶液、刻蚀时间、刻蚀温度是三个主要参数，在刻蚀溶液和刻蚀温度一定时，刻蚀时间越长，所获得的衬底图案底部宽度越大，但是相邻衬底图案的间距会减小。
[0045]下面实施例公开一种图形化蓝宝石衬底，其在保持衬底图案的间距不变的情况下，增大了图案的底部宽度，增多了图案表面反射光线的反射面。
[0046]参看图4~6，一种图形化蓝宝石衬底20，具有相对的第一表面和第二表面，其中第