专利名称：一种图形化衬底的工艺及其结构以及发光二极管芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体照明技术领域，特指一种图形化衬底的工艺，另外本发明还公开一种图形化衬底的结构以及采用该衬底的发光二极管芯片。
背景技术：
以III-V族氮化镓(GaN)为代表的氮化物化合物半导体，如氮化镓(GaN)、氮化铝 (AlN)、氮化铟αηΝ)、氮化铝镓(AWaN)、氮化镓铟(InGaN)、氮化铝铟(AlInN)或氮化铝镓铟(AKialnN)等在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、太阳光盲紫外光电探测器以及高频、高温大功率电子器件等诸多领域有着重要而广泛的应用。目前蓝宝石衬底是氮化物进行异质外延生长最为常用的衬底。由于蓝宝石衬底和氮化物外延层间存在很大晶格常数失配和热膨胀系数差异，因此利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、氢化物气相外延 (HVPE)或分子束外延(MBE)等外延技术生长的氮化物外延层中存在很大的应力和很多晶体缺陷如位错等，材料的晶体质量因此受到很大影响，进而劣化了器件性能。采用图形化蓝宝石衬底(Improve sapphire substrate)的技术可以缓解蓝宝石衬底和氮化物外延层异质外延生长中由于晶格失配引起的应力，使之得到有效的弛豫，大大降低外延生长的氮化物材料中的位错密度，使晶体质量得到很大提高。但目前图形蓝宝石衬底的制备技术大多是采用传统的光刻法制备出光刻图形，然后以二氧化硅(Sit)》或氮化硅(SiM)层为掩膜， 再利用反应离子(RIE)或感应耦合等离子(ICP)等设备干法刻蚀而形成的。由于工艺过程中涉及干法刻蚀设备，因此工艺过程复杂、成本较高。为了更有效地应用于低位错密度、高晶体质量的氮化物的外延生长，发展成本低、易于实现的图形化衬底技术势在必行。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种无损衬底、制作工艺简单、出光效率高的图形化衬底制作工艺，该工艺技术可以有效避免蓝宝石衬底内部裂纹的产生，进而提高外延材料的晶体质量和均勻性，同时可以减少光的全反射，最终最大程度地提高后续制作芯片的出光效率。为了达到上述技术目的，本发明提供一种图形化衬底的工艺，其特征在于包括如下步骤步骤一、在用于生长半导体外延片的蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶；步骤二、通过曝光显影将光刻胶构图；步骤三、通过电子束蒸发台蒸镀或磁控溅射机台在光刻胶构图层上溅镀一层图形化的粗化结构；步骤四、去除光阻，留下图形化的粗化结构。优选地，在步骤四之后进行高温处理，所述高温处理的温度在600°C 1200°C之间。优选地，所述高温处理的温度在800°C 1000°C之间。
优选地，所述高温处理的温度为800°C或850°C或900°C。优选地，所述光刻胶构图的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。优选地，所述光刻胶构图的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间，所述粗化结构的厚度在0. 5微米至3微米之间。优选地，所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的ai2O3。本发明在衬底上通过蒸镀或溅镀的方式形成有图形化的粗化结构，由于采用直接蒸镀或溅镀的方式形成图形化的粗化结构，所以不会损伤衬底，相对于现有技术中刻蚀衬底的方法，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，可大幅度节约生产成本，提高生产效率，有效地避免衬底内部裂纹的产生，在此基础上生长外延层可明显降低位错密度以及磊晶的缺陷，同时图形化的粗化结构可减少光的全反射，有助于提高后续芯片的外部量子效率，进而使后续产品更加稳定、亮度更高。本发明还公开一种图形化衬底的结构，其特征在于衬底上镀有一层图形化的粗化结构。优选地，所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的成分为Al2O315优选地，所述粗化结构的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。优选地，所述光刻胶构图的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间，所述粗化结构的厚度在0. 5微米至3微米之间。优选地，所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的Al2O315本发明在衬底上镀有图形化的粗化结构，由于是在衬底上直接镀有图形化的粗化结构，所以不会损伤衬底，相对于现有技术中刻蚀衬底的结构，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，可大幅度节约生产成本，提高生产效率，有效地避免衬底内部裂纹的产生，在此基础上生长外延层可明显降低位错密度以及磊晶的缺陷，同时图形化的粗化结构可减少光的全反射，有助于提高后续芯片的外部量子效率，进而使后续产品更加稳定、亮度更高。本发明还公开一种发光二极管芯片包括蓝宝石衬底，依次生长在衬底上的N型层、发光层、P型层以及设置在N型层与P型层上的N电极和P电极，其特征在于在所述衬底与N型层之间镀有一层图形化的粗化结构。优选地，所述粗化结构的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。优选地，所述粗化结构的厚度在0. 5微米至3微米之间，所述粗化结构的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间。优选地，所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的ai2O3。优选地，所述蓝宝石衬底的背面还设置有一层金属反射层。优选地，所述粗化结构与N型层之间设置有一层缓冲层。优选地，所述P型层与P电极之间设置有一层电流扩散层。
优选地，在所述P型层与电流扩散层之间，对应P电极的位置上形成有电流阻挡层。本发明在衬底上镀有图形化的粗化结构，相对于现有技术中刻蚀衬底的结构，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，因此本发明的结构可以有效地避免衬底内部裂纹的产生，在此基础上生长外延层可明显降低位错密度以及磊晶的缺陷， 同时图形化的粗化结构可减少光的全反射，有助于提高发光二极管芯片的外部量子效率， 进而使发光二极管芯片更加稳定、亮度更高。
图1至图4所示为本发明的第一种实施方式；图5至图7所示为本发明的第二种实施方式；图8所示为本发明的发光二极管芯片的结构示意图；图9所示为本发明的发光二极管芯片的另一结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细的描述，本发明公开了一种图形化衬底的工艺，具体包括以下步骤步骤一、如图1所示，在用于生长半导体外延片的衬底1上涂覆一层光刻胶2，所述光刻胶2的表面通过掩膜形成感光区域和光阻区域；步骤二、通过曝光显影将光刻胶2构图，此时在衬底1上的感光区域通过曝光后消失，仅在蓝宝石衬底1上留下构图化的光阻区域；光刻胶构图的图形单元21为圆形、方形、 梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成，如图2、图5所示光刻胶2构图的图形单元21为方形、梯形，所述光刻胶构图的图形单元21之间的间距Dl 在2微米至5微米之间，采用多种光刻胶构图的图形可以使粗化结构3进一步降低光线的全反射几率，提高后续芯片的出光效率；步骤三、如图3、图6所示，通过电子束蒸发台蒸镀或磁控溅射机台在光刻胶构图层上溅镀一层图形化的粗化结构3，所述粗化结构3的厚度H在0. 5微米至3微米之间；步骤四、通过光刻胶清洗液将图形化的光刻胶构图部分(即光阻部分)去除，留下图形化的粗化结构3，所述粗化结构3的图形单元31之间的间距D2在2微米至5微米之间，如图4、图7所示。通过实验表明，将D1、D2、H控制在前述数值范围之内形成的粗化结构3其稳定性以及光萃取效率最好。本发明的衬底1优选蓝宝石衬底，此时的粗化结构3 可以选用与蓝宝石衬底同组分不同晶格的Al2O3，由于组分相同，所以其结合性及其机械性能可得到进一步巩固。本发明在步骤四之后进行高温退火处理，所述高温处理的温度在600°C 1200°C 之间，优选高温处理的温度在800°C 1000°C之间，其中高温处理的温度在800°C或850°C 或900°C时效果更佳。高温退火处理可以进一步消除残余应力，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒、调整组织、消除组织缺陷。本发明还公开一种图形化衬底的结构，如图4所示，在衬底1上镀有一层图形化的粗化结构3。所述衬底1选用蓝宝石衬底，所述粗化结构3的成分为Al2O315所述粗化结构3的图形单元31为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。所述粗化结构3的图形单元31之间的间距D2在2微米至5微米之间，所述粗化结构3的厚度H在0. 5微米至3微米之间。所述粗化结构3的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的A1203。本发明在衬底上镀有图形化的粗化结构，由于是在衬底上直接镀有图形化的粗化结构，所以不会损伤衬底，相对于现有技术中刻蚀衬底的结构，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，可大幅度节约生产成本，提高生产效率，有效地避免衬底内部裂纹的产生，在此基础上生长外延层可明显降低位错密度以及磊晶的缺陷，同时图形化的粗化结构可减少光的全反射，有助于提高后续芯片的外部量子效率，进而使后续产品更加稳定、亮度更高。本发明还公开一种采用前述图形化衬底的发光二极管芯片如图8所示，包括衬底1，依次生长在衬底上的N型层5、发光层6、P型层7以及设置在N型层5与P型层7上的N电极10和P电极9，在所述衬底1与N型层5之间镀有一层图形化的粗化结构3。所述衬底1选用蓝宝石衬底，所述粗化结构3的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的Al2O315 为了改善使后续磊晶的质量还可在粗化结构3与N型层5之间设置有一层缓冲层4。本发明还可在蓝宝石衬底1的背面形成一层金属反射层11，通过反射将芯片的部分光线反射至出光面，增加出光效率。本发明还在P型层7与P电极9之间设置有一层电流扩散层8，所述电流扩散层8完全覆盖P型层7，以使电流均分布，避免电流的过度集中。为了遏制电流过度集中在P电极9的下方，可在所述P型层7与电流扩散层8之间，对应P电极7的位置上形成有电流阻挡层81，以此来减少电流的过度聚集，最终提高出光效率。所述粗化结构3的图形单元31为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成，以此来最大程度地减少光线的全反射，其中图8所示图形单元31为方形，图9所示图形单元31为梯形。所述粗化结构的厚度H在0. 5微米至3微米之间，所述粗化结构3的图形单元之间的间距D2在2微米至5微米之间，图形单元31的横向宽度最大值L也在2微米至5微米之间，当然，粗化结构3的图形单元31也可呈差异化不规律的排布。实验证明将粗化结构3的图形单元31按照控制在前述数值范围之内可使其机械性能、光学性能可达到最优的发挥。本发明在衬底上镀有图形化的粗化结构，相对于现有技术中刻蚀衬底的结构，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，因此本发明的结构可以有效地避免衬底内部裂纹的产生，在此基础上生长外延层可明显降低位错密度以及磊晶的缺陷， 同时图形化的粗化结构可减少光的全反射，有助于提高发光二极管芯片的外部量子效率， 进而使发光二极管芯片更加稳定、亮度更高。
权利要求
1.一种图形化衬底的工艺，其特征在于包括以下步骤步骤一、在用于生长半导体外延片的蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶；步骤二、通过曝光显影将光刻胶构图；步骤三、通过电子束蒸发台蒸镀或磁控溅射机台在光刻胶构图层上溅镀一层图形化的粗化结构；步骤四、去除光阻，留下图形化的粗化结构。
2.根据权利要求1所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于在步骤四之后进行高温处理，所述高温处理的温度在600°C 1200°C之间。
3.根据权利要求2所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述高温处理的温度在800°C 1000°C之间。
4.根据权利要求3所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述高温处理的温度为 800°C或 850°C或 900°C。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述光刻胶构图的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。
6.根据权利要求5所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述光刻胶构图的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间，所述粗化结构的厚度在0. 5微米至3微米之间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的ai2O3。
8.一种图形化衬底的结构，其特征在于衬底上镀有一层图形化的粗化结构。
9.根据权利要求8所述的图形化衬底的结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的成分为ai2O3。
10.根据权利要求9所述的图形化衬底的结构，其特征在于，所述粗化结构的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。
11.根据权利要求10所述的一种图形化衬底的结构，其特征在于所述光刻胶构图的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间，所述粗化结构的厚度在0. 5微米至3微米之间。
12.根据权利要求9至11任一项所述的一种图形化衬底的结构，其特征在于所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的ai2O3。
13.一种发光二极管芯片包括衬底，依次生长在衬底上的N型层、发光层、P型层以及设置在N型层与P型层上的N电极和P电极，其特征在于在所述衬底与N型层之间镀有一层图形化的粗化结构。
14.根据权利要求13所述的一种发光二极管芯片，其特征在于所述粗化结构的图形单元为圆形、方形、梯形、正六边形、菱形、三角形或不规则图形中的任何一种或几种组合而成。
15.根据权利要求14所述的发光二极管芯片，其特征在于所述粗化结构的厚度在0.5 微米至3微米之间，所述粗化结构的图形单元之间的间距在2微米至5微米之间。
16.根据权利要求13至15任一项所述的一种图形化衬底的工艺，其特征在于所述衬底为蓝宝石衬底，所述粗化结构的材料是与蓝宝石衬底同组分不同晶格的ai2O3。
17.根据权利要求16所述的发光二极管芯片，其特征在于所述蓝宝石衬底的背面还设置有一层金属反射层。
18.根据权利要求17所述的发光二极管芯片，其特征在于所述粗化结构与N型层之间设置有一层缓冲层。
19.根据权利要求18所述的发光二极管芯片，其特征在于所述P型层与P电极之间设置有一层电流扩散层。
20.根据权利要求19所述的发光二极管芯片，其特征在于在所述P型层与电流扩散层之间，对应P电极的位置上形成有电流阻挡层。
全文摘要
本发明提供一种图形化衬底的工艺及其结构以及发光二极管芯片，其工艺包括如下步骤步骤一、在用于生长半导体外延片的蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶；步骤二、通过曝光显影将光刻胶构图；步骤三、通过电子束蒸发台蒸镀或磁控溅射机台在光刻胶构图层上溅镀一层图形化的粗化结构；步骤四、去除光阻，留下图形化的粗化结构。本发明相对于现有技术中刻蚀衬底的工艺，具有不会损伤衬底、不需要专业的干法、湿法刻蚀设备的优点，可大幅度节约生产成本，提高生产效率，有效地避免衬底内部裂纹的产生，有助于提高后续芯片磊晶的质量和减少光的全反射，进而使后续产品更加稳定、亮度更高。本发明还公开一种图形化衬底的结构及发光二极管芯片。
文档编号H01L33/00GK102181824SQ201110036599
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者樊邦扬 申请人:广东银雨芯片半导体有限公司