图形化蓝宝石衬底及其制作方法、外延片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种图形化蓝宝石衬底及其制作方法、外延片的制作方法，属于半导体光【技术领域】。所述蓝宝石衬底的图形化表面上有多个凸起，所述多个凸起为周期性图形阵列，所述凸起为台体结构，每个所述凸起的顶部均有凹槽。本发明通过在蓝宝石衬底表面的形成台体结构的凸起，并在每个凸起的顶部设置凹槽，由于凸起顶部非常小，采用侧向外延生长法的外延片在凸起的顶部可以直接闭合生长，从而使氮化镓层与蓝宝石衬底之间形成空气的界面间隙，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、空气、蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率。
【专利说明】图形化蓝宝石衬底及其制作方法、外延片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光【技术领域】，特别涉及一种图形化蓝宝石衬底及其制作方法和外延片的制作方法。
【背景技术】
[0002]PSS(Pattern Sapphire Substrate,蓝宝石衬底)技术是目前异质衬底氮化镓材料生长领域较为成熟的技术方案。其中，采用图形化蓝宝石衬底技术可以较好地缓解蓝宝石衬底和氮化镓外延生长中的应力，降低氮化镓外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量。
[0003]但是，当光从有源层进入图形化的蓝宝石衬底时，由于蓝宝石的折射率(1.7?
1.8)与氮化镓的折射率(2.5) 二者之间相差较小，光较容易在蓝宝石衬底的界面上发生透射，而使光的反射率不高，从而导致发光二极管的光提取效率依然较低。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中光较容易在蓝宝石衬底的界面上发生透射，而使光的反射率不高，从而导致发光二极管的出光效率依然较低的问题，本发明实施例提供了一种图形化蓝宝石衬底的制作方法。所述技术方案如下:
[0005]一方面，本发明实施例提供了 一种图形化蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的图形化表面上有多个凸起，所述多个凸起为周期性图形阵列，所述凸起为台体结构，每个所述凸起的顶部均有凹槽。
[0006]可选地，所述凹槽的横截面为圆形、方形、三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。
[0007]进一步地，所述凹槽的底面宽度为0.5?5um，所述凹槽的深度为0.1?3um。
[0008]优选地，相邻的所述凹槽之间的间距为I?20um。
[0009]可选地，所述台体结构为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
[0010]进一步地，所述凸起的底面宽度为0.5?10um，所述凸起的高度为0.5?5um。
[0011]另一方面，本发明实施例提供了一种图形化蓝宝石衬底的制作方法，所述方法包括:
[0012]提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上利用光刻胶掩膜及刻蚀工艺制备呈周期性图形阵列的多个凹槽；
[0013]采用二氧化硅将所述凹槽填平；
[0014]利用光刻胶在所述蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个掩膜，每个所述掩膜均分布在所述凹槽的正上方；
[0015]利用刻蚀工艺在所述蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个凸起，每个所述凹槽均位于所述凸起的顶部；
[0016]利用湿法腐蚀法将所述凹槽内的所述二氧化硅去除，制成凸起顶部具有凹槽的图形化蓝宝石衬底。
[0017]进一步地，所述采用二氧化硅将所述凹槽填平包括:
[0018]通过等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法，采用二氧化硅将所述凹槽填平。
[0019]优选地，所述湿法腐蚀采用的溶液为四氟化铵与氢氟酸的混合液，所述混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1?8:1。
[0020]又一方面，本发明实施例提供了一种外延片的制作方法，所述方法包括:
[0021]采用侧向外延生长在权利要求1所述的蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、η型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层，制成外延片。
[0022]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0023]通过在蓝宝石衬底表面的形成台体结构的凸起，并在每个凸起的顶部设置凹槽，由于凸起顶部非常小，采用侧向外延生长法的外延片在凸起的顶部可以直接闭合生长，从而使氮化镓层与蓝宝石衬底之间形成空气的界面间隙，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、空气、蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是本发明实施例一提供的一种图形化蓝宝石衬底的剖面结构示意图；；
[0026]图2是本发明实施例二提供的一种图形化蓝宝石衬底的制造方法的流程图；
[0027]图2a_2f是本发明实施例二提供的图形化蓝宝石衬底的制造过程的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0029]实施例一
[0030]本发明实施例提供了一种图形化蓝宝石衬底，参见图1，该蓝宝石衬底13的图形化表面上有多个凸起32，多个凸起32为周期性图形阵列，凸起32为台体结构，每个凸起32的顶部均有凹槽30。
[0031]在本实施例中，凹槽30的横截面可以为圆形、方形、三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。
[0032]进一步地，凹槽30的底面宽度为0.5?5um，凹槽30的深度为0.1?3um。相邻的凹槽30之间的间距为I?20um。其中，当凹槽的横截面为圆形时，底面宽度是指圆的直径；当凹槽的横截面为方形、三角形或不规则图形等多边形时，其底面宽度是指多边形外接圆的直径。[0033]在本实施例中，台体结构可以为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。其中，棱台包括但不限于三棱台、四棱台、五棱台和六棱台。采用表面为台体结构的蓝宝石衬底，能更有效地降低外延片的位错密度，进一步提高发光二极管的光提取效率。
[0034]进一步地，相邻凸起32之间的间距为1~10um。凸起32的底面宽度为0.5~IOum,凸起32的高度为0.5~5um。其中，当凸起为圆台结构时，底面宽度是指底面圆的直径；当凸起为椭圆棱台结构时，底面宽度是指底面椭圆的长轴；当凸起为棱台结构时，底面宽度是指底面多边形外接圆的直径。
[0035]本发明实施例通过在蓝宝石衬底表面的形成台体结构的凸起，并在每个凸起的顶部设置凹槽，由于凸起顶部非常小，采用侧向外延生长法的外延片在凸起的顶部可以直接闭合生长，从而使氮化镓层与蓝宝石衬底之间形成空气的界面间隙，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、空气、蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提闻了发光二极管的光提取效率。
[0036]实施例二
[0037]本发明实施例提供了一种图形化蓝宝石衬底的制作方法，参见图2，该方法包括:
[0038]步骤201:提供一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上利用光刻胶掩膜及刻蚀工艺制备呈周期性图形阵列的多个凹槽。
[0039]在本实施例中，凹槽的横截面可以为圆形、方形、三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。
[0040]优选地，凹槽的底面宽度为0.5~5um，凹槽的深度为0.1~3um。相邻的凹槽之间的间距为I~20um。优选地，凹槽的底面宽度为0.5um~lum。在实际应用中，凹槽的底面宽度越小，外延片更容易生长闭合。
[0041]具体地，制备具有周期性图形阵列的多个凹槽的蓝宝石衬底的过程可以是:首先，提供一表面平坦的蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底I上蒸镀沉积一层二氧化硅掩膜；然后，利用光刻胶在该掩膜上制备出图形化的光刻胶掩膜；再采用湿法腐蚀或干法刻蚀将光刻胶掩膜图形转移到二氧化硅薄膜上，去除光刻胶，形成图形化的二氧化硅掩膜2(见图2a)，最后，采用湿法腐蚀等工艺将图形刻蚀到蓝宝石衬底上，以形成具有周期性图形阵列的多个凹槽3的蓝宝石衬底11 (见图2b)。
[0042]步骤202:采用二氧化硅将凹槽填平。
[0043]可选地，采用二氧化硅将凹槽填平可以包括:通过等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法，采用二氧化硅将凹槽填平。其中，将凹槽填平是指使蓝宝石衬底的表面平坦。
[0044]参见图2c，二氧化硅31沉积在凹槽中，刚好将凹槽填平，使蓝宝石衬底11的表面依然平坦。
[0045]步骤203:利用光刻胶在蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个掩膜，每个掩膜均分布在凹槽的正上方。
[0046]具体地，周期性图形阵列的掩膜可以是圆形、方形、三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。
[0047]实现时，光刻胶掩膜的底面宽度需要大于凹槽的底面宽度。参见图2d，每个光刻胶掩膜21均分布在凹槽的正上方，且光刻胶掩膜21的底面宽度大于凹槽的底面宽度。[0048]步骤204:利用刻蚀工艺在蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个凸起，每个凹槽均位于凸起的顶部。
[0049]优选地,凸起为台体结构。该台体结构可以为圆台结构、椭圆台和棱台结构中的一种或多种。其中，棱台包括但不限于三棱台、四棱台、五棱台和六棱台。采用表面为台体结构的蓝宝石衬底，能更有效地降低外延片的位错密度，进一步提高发光二极管的光提取效率。
[0050]在本实施例中，凸起的底面宽度为0.5~10um，凸起的高度为0.5~5um。优选地，凸起的底面宽度为2~3um，凸起的高度为1~3um，实验表明采用该范围内的凸起使得外延片的生长及出光效率均有较大的提升。
[0051]参见图2e，蓝宝石衬底13上有周期性图形阵列的凸起32，每个凹槽均位于凸起31的顶部，且每个凹槽内均沉积有二氧化硅31。
[0052]步骤205:利用湿法腐蚀法将凹槽内的二氧化硅去除，制成凸起顶部具有凹槽的图形化蓝宝石衬底。
[0053]在本实施例中，湿法腐蚀采用的溶液为四氟化铵与氢氟酸的混合液，混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1~8:1。优选地，混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为6:1，根据实际应用可知，此时的混合液的腐蚀速率及整体腐蚀均匀性均能达到较好的效果。
[0054]参见图2f，蓝宝石衬底13上有周期性图形阵列的凸起32，每个凹槽30均位于凸起31的顶部，形成了凸起顶部具有凹槽的图形化蓝宝石衬底。
[0055]本发明实施例通过在蓝宝石衬底表面的形成台体结构的凸起，并在每个凸起的顶部设置凹槽，由于凸起顶部非常小，采用侧向外延生长法的外延片在凸起的顶部可以直接闭合生长，从而使氮化镓层与蓝宝石衬底之间形成空气的界面间隙，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、空气、蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提闻了发光二极管的光提取效率。
[0056]实施例三
[0057]本发明实施例提供了一种外延片的制作方法，该方法包括:
[0058]采用侧向外延生长在本发明提供的蓝宝石衬底(例如实施例一中的衬底)上依次生长缓冲层、η型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层，制成外延片。
[0059]具体地，缓冲层可以包括:低温缓冲层和高温缓冲层(例如，非掺杂的氮化镓层)。
[0060]本发明实施例通过在蓝宝石衬底表面的形成台体结构的凸起，并在每个凸起的顶部设置凹槽，由于凸起顶部非常小，采用侧向外延生长法的外延片在凸起的顶部可以直接闭合生长，从而使氮化镓层与蓝宝石衬底之间形成空气的界面间隙，空气作为最低折射率的材料，使光在氮化镓、空气、蓝宝石衬底界面处不易被透射更易被反射，可产生更高的反射率，从而提高了发光二极管的光提取效率。另外，采用侧向外延生长法，能更有效地降低外延片的缺陷密度，从而提高发光二极管的光提取效率。
[0061 ] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
【权利要求】
1.一种图形化的蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的图形化表面上有多个凸起，所述多个凸起为周期性图形阵列，其特征在于，所述凸起为台体结构，每个所述凸起的顶部均有凹槽。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底，其特征在于，所述凹槽的横截面为圆形、方形、三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的蓝宝石衬底，其特征在于，所述凹槽的底面宽度为0.5?5um,所述凹槽的深度为0.1?3um。
4.根据权利要求2所述的蓝宝石衬底，其特征在于，相邻的所述凹槽之间的间距为I?20umo
5.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底，其特征在于，所述台体结构为圆台结构、椭圆台结构和棱台结构中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的蓝宝石衬底，其特征在于，所述凸起的底面宽度为0.5?IOum,所述凸起的高度为0.5?5um。
7.一种图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于，所述方法包括: 提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上利用光刻胶掩膜及刻蚀工艺制备呈周期性图形阵列的多个凹槽； 采用二氧化硅将所述凹槽填平； 利用光刻胶在所述蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个掩膜，每个所述掩膜均分布在所述凹槽的正上方； 利用刻蚀工艺在所述蓝宝石衬底上形成周期性图形阵列的多个凸起，每个所述凹槽均位于所述凸起的顶部； 利用湿法腐蚀法将所述凹槽内的所述二氧化硅去除，制成凸起顶部具有凹槽的图形化蓝宝石衬底。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用二氧化硅将所述凹槽填平包括: 通过等离子体增强化学气相沉积法或溶胶凝胶法，采用二氧化硅将所述凹槽填平。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用的溶液为四氟化铵与氢氟酸的混合液，所述混合液中四氟化铵与氢氟酸体积比为2:1?8:1。
10.一种外延片的制作方法，其特征在于，所述方法包括: 采用侧向外延生长在权利要求1所述的蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、η型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层，制成外延片。
【文档编号】H01L33/00GK103887390SQ201410043544
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】桂宇畅, 张建宝 申请人:华灿光电(苏州）有限公司