一种双层图形化蓝宝石衬底、制备方法及LED外延片与流程

一种双层图形化蓝宝石衬底、制备方法及led外延片
技术领域
1.本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种双层图形化蓝宝石衬底、制备方法及led外延片。


背景技术：

2.20世纪以来，各个国家将低能耗、低排放、低污染为基础的低碳经济或资源节约型发展作为未来可持续发展的重要方向，在电力需求巨大的照明领域，发光二极管(light emitting diode led)扮演者至关重要的作用。gan基led芯片具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点被广泛应用于工业及通用照明。
3.蓝宝石材料因其价格适中、化学稳定性好、机械强度高、透光性好等特点，作为目前主流的gan基led芯片外延材料，但其与gan存在的较大晶格失配度和热膨胀系数极大的影响了led发光效率及使用寿命。为解决蓝宝石所存在的缺陷，图形化蓝宝石衬底(patterned sapphire substrate，pss)技术被提出。pss技术是通过微加工方式对蓝宝石表面进行处理，以得到具有一定周期性的图形微结构。图形界面能改变到达gan-蓝宝石界面处光线入射角，从而抑制led内部全反射，提升gan基led器件光提取效率。此外，由于图形斜面存在，pss衬底上外延的gan薄膜生长方式发生变化，外延层位错密度得到降低，有源层mqw的内量子效率显著提升。然而，现有图形化衬底的改进多为对图形的改变，从最初的沟槽形演变成各类图形，而仅仅改变图形微结构的形状对整个led器件的光提取及外延质量的影响有限，导致led的出光效率仍较低。


技术实现要素：

4.本发明提供一种双层图形化蓝宝石衬底、制备方法及led外延片，以增加光的反射率，获得更大出光率。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括：
6.提供第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底均包括相互背离的第一表面和第二表面；
7.在所述第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在所述第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构；
8.对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面均进行o2等离子表面活化处理；
9.利用氨水对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面均进行清洗，形成al-oh化学键；
10.将所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的第二表面相互贴合并进行真空热处理，以使所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合。
11.可选地，在所述第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在所述第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构之前，还包括：
12.对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第一表面均进行清洗和干燥处理；
13.和/或，对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面均进行o2等离子表面活化处理之前，还包括：
14.对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面均进行清洗和干燥处理。
15.可选地，对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第一表面均进行清洗和干燥处理，包括：
16.将所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底置于h2sio4和h2o2混合溶液中酸洗20-30min；
17.取出所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底并进行甩干或烘干处理。
18.可选地，对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面均进行清洗和干燥处理，包括：
19.利用氨水和h2o2混合的rca溶液清洗所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底10-20min；
20.利用0.025-0.05％hf溶液冲洗所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底；
21.将所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底置于200-300℃的空气环境中进行干燥处理。
22.可选地，在所述第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在所述第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构之后，还包括：
23.对所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面进行减薄处理。
24.可选地，所述氨水的浓度为20-30％。
25.可选地，在所述第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在所述第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构，包括：
26.在所述第一蓝宝石衬底的所述第一表面形成第一介质层，对所述第一介质层或者所述第一介质层和所述第一蓝宝石衬底进行图案化，形成所述凸起微结构；
27.对所述第二蓝宝石衬底的所述第一表面进行图案化，形成所述凹坑微结构；
28.在所述第二蓝宝石衬底的所述第一表面上形成第二介质层，所述第二介质层填充所述凹坑微结构。
29.第二方面，本发明实施例提供了一种双层图形化蓝宝石衬底，采用第一方面任一项所述的双层图形化蓝宝石衬底的制备方法制成；
30.所述图形化蓝宝石衬底包括第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底均包括相互背离的第一表面和第二表面；
31.所述第一蓝宝石衬底的所述第一表面形成有凸起微结构；所述第二蓝宝石衬底的所述第一表面形成有凹坑微结构；所述第一蓝宝石衬底和所述第二蓝宝石衬底的所述第二表面相互键合。
32.可选地，所述凸起微结构包括介质结构层和蓝宝石层，所述介质结构层位于所述蓝宝石层背离所述第二蓝宝石衬底的一侧；
33.所述第二蓝宝石衬底背离所述第一蓝宝石衬底的一侧还包括第二介质层，所述第
二介质层覆盖所述第二蓝宝石衬底的第二表面，且填充所述凹坑微结构。
34.可选地，所述凸起微结构的形状包括锥体、台状体、球缺体、立方体中的至少一种，或者，所述凸起微结构的形状包括具有侧壁弧度的类锥体、类台状体；
35.所述凹坑微结构的形状包括锥体、台状体、球缺体、立方体中的至少一种，或者，所述凹坑微结构的形状包括具有侧壁弧度的类锥体、类台状体。
36.可选地，所述第一介质层的材料包括sio2、aln、si3n4中的至少一种；所述第二介质层的材料包括sic、aln中的至少一种。
37.第三方面，本发明实施例提供了一种led外延片，包括第二方面任一项所述的双层图形化蓝宝石衬底，还包括位于所述双层图形化蓝宝石衬底上的外延层。
38.本发明实施例通过提供一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括：提供第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底均包括相互背离的第一表面和第二表面；在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构；对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行o2等离子表面活化处理；利用氨水对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行清洗，形成al-oh化学键；将第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互贴合并进行真空热处理，以使第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合。本发明实施例解决了现有图形化衬底对改善led的出光效率有限的问题，不仅可以实现双层的蓝宝石图形化衬底，利用两层图形微结构侧面斜率等结构特征的区别，增加对光线的反射，提高反射效率，改善对光线的调控效果，进一步地提高led芯片的出光效率。
附图说明
39.图1为本发明实施例提供的一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法的流程示意图；
40.图2为本发明实施例提供的双层图形化蓝宝石衬底制备方法的结构流程图；
41.图3为本发明实施例提供的另一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法的流程示意图；
42.图4为本发明实施例提供的一种双层图形化蓝宝石衬底的结构示意图；
43.图5为本发明实施例提供的一种led外延片的结构示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
45.图1为本发明实施例提供的一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法的流程示意图，如图1所示，一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括：
46.s101、提供第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底均包括相互背离的第一表面和第二表面。
47.s102、在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构。
48.其中，图2为本发明实施例提供的双层图形化蓝宝石衬底的结构流程图，示例性地画出在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成的凸起微结构，在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成的凹坑微结构，参考图1和图2，在第一蓝宝石衬底11的第一表面上采用mocvd或pvd沉积镀膜形成第一介质层111，并进行涂胶、曝光、显影的正胶正显影工艺，获得第一光刻胶掩膜层112。采用干法或湿法刻蚀对具有第一光刻胶掩膜层112的第一蓝宝石衬底11刻蚀，得到尺寸为底径2.5-3.5um，高度1.0-2.0um的凸起微结构113。可选地，在该实施例中，对第一介质层111的刻蚀过程存在过刻蚀，也即在第一介质层111完全刻蚀后，裸露出来的第一蓝宝石衬底11也会存在一定程度的刻蚀，其中，蓝宝石的刻蚀深度可以为100-300nm。此时的凸起微结构113包括介质层和蓝宝石层，且介质层位于蓝宝石层背离第一蓝宝石衬底的一侧。利用第一介质层111形成凸起微结构113，可以利用第一介质层111与蓝宝石衬底的折射率差，形成反射界面。同时，由介质材料形成的凸起微结构113也可与外延层形成反射界面，而且，由于凸起微结构113可选用折射率较低的的介质材料制备，光线从外延层入射凸起微结构113时，实质是光密到光疏的传播路径，折射率较低的介质材料会增加界面的全反射角度，也即会增加界面的全反射几率，使更多地光线在界面处发生反射。此外，由于凸起微结构113存在侧壁等结构特征，同样会改变界面的斜率，进一步地增加光线反射的几率。
49.在第二蓝宝石衬底12的第一表面上进行涂胶、曝光、显影的正胶负显影、负胶正显影工艺或者采用不同于第一蓝宝石衬底11的凸起微结构制备的掩模版，获得与第一光刻胶掩膜层112相互补的第二光刻胶掩膜层121。采用干法或湿法刻蚀对具有第二光刻胶掩膜层121的第二蓝宝石衬底12刻蚀，可得到尺寸为底径2.5-3.5um，深度1.0-2.0um的凹坑微结构123。并且，可选地，本实施例中可在凹坑微结构123上通过mocvd或pvd沉积形成第二介质层122，也即该第二介质层122覆盖第二蓝宝石衬底12的第二表面，且填充凹坑微结构123。此时，可以利用第二介质层122与蓝宝石衬底的折射率差，使凹坑微结构123形成反射界面。而且，第二介质层122不仅可以与第二蓝宝石衬底12形成反射界面，同时也能与外界空气形成界面，第二介质层122的折射率高于蓝宝石衬底时，则其与空气层形成界面两侧的折射率差增大，由外延层透射的光线在该界面从光密到光疏传播，从而能够增大全反射的角度，使之更容易发生全反射，增加反射几率。
50.此外，第一蓝宝石衬底11的第一表面上形成的凸起微结构113，和第二蓝宝石衬底12的第一表面上形成的凹坑微结构123交错排布，能够最大限度地提供光线反射界面，改善图形衬底对光线的反射能力。
51.s103、对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行o2等离子表面活化处理。
52.其中，该步骤实质是对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底在键合前进行第一步预处理的过程。o2等离子表面活化处理在第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面能够发生多种的化学或物理变化，提高表面能。对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面进行30-300s的o2等离子表面活化处理，使表面状态能够满足后续键合的工艺要求。
53.s104、利用氨水对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行清洗，形成al-oh化学键。
54.该步骤是对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底在键合前进行第二步预处理的过程。通过氨水对蓝宝石处理，可以在蓝宝石的表面形成用于键合的活性化学键，从而有利于
两个蓝宝石衬底的紧密键合。可选地，该步骤中的氨水的浓度可选为20-30％。
55.s105、将第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互贴合并进行真空热处理，以使第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合。
56.其中，继续参考图2，将处理后的第一蓝宝石衬底11和第二蓝宝石衬底12的第二表面相互贴合，放置于真空腔体中进行真空热处理，热处理的条件为400-800℃处理1-6小时，使第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面的al-oh化学键发生al-oh+oh-al＝al-o-al+h2o的化学反应，进而实现第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合，形成双层图案化蓝宝石衬底。
57.本实施例中，通过在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构和在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构，并经过对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面的等离子表面活化，实现第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互等离子活化键合，得到双层图形化蓝宝石衬底，使得双层的蓝宝石衬底实现一体化。在双层图形化的基础上，通过两层图形微结构，可以利用两层图形微结构侧面斜率等结构特征的区别，增加对光线的反射，提高反射效率，改善对光线的调控效果，进一步地提高led芯片的出光效率。
58.具体地，图3为本发明实施例提供的另一种双层图形化蓝宝石衬底的制备方法的流程示意图，如图3所示。该双层图形化蓝宝石衬底的制备方法包括：
59.s301、提供第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底均包括相互背离的第一表面和第二表面。
60.s302、对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第一表面均进行清洗和干燥处理。
61.s303、在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构。
62.可选地，凸起微结构的形状包括锥体、台状体、球缺体、立方体中的至少一种，或者，凸起微结构的形状包括具有侧壁弧度的类锥体、类台状体；凹坑微结构的形状包括锥体、台状体、球缺体、立方体中的至少一种，或者，凹坑微结构的形状包括具有侧壁弧度的类锥体、类台状体。
63.其中，如图2所示，示例性地，凸起微结构113的形状为圆锥体结构，凹坑微结构123的形状为球缺类结构。在本发明的其他实施例中，也可通过干法或湿法刻蚀工艺参数和环境的调节，改变实际刻蚀的速率，使形成的锥体结构或台状结构具备一定的侧壁弧度，即形成类锥体或类台状体的结构。
64.s304、对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行清洗和干燥处理。
65.s305、对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行o2等离子表面活化处理。
66.s306、利用氨水对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行清洗，形成al-oh化学键。
67.s307、对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面进行减薄处理。
68.可以理解，增加s307的减薄步骤，其主要目的是在步骤s301中提供第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底时，可相对增加该两个衬底的厚度，此时第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的刚性能力较强，在其上形成微结构时，可以避免衬底过薄而发生裂片的问题，保证图形化后的两个衬底质量。具体的，减薄处理后的第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的厚
度在100-200um，在利用等离子体活化键合，使双层的图形化衬底实现一体化的同时，能够保证整个衬底具备较薄的厚度，避免衬底过厚导致的加工和散热难度提高的问题，有利于led芯片的加工和散热。
69.s308、将第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互贴合并进行真空热处理，以使第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合。
70.其中，对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第一表面以及第二表面进行清洗和干燥处理，有利于保证第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第一表面以及第二表面的洁净。
71.可选地，对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面均进行清洗和干燥处理，包括：
72.利用氨水和h2o2混合的rca溶液清洗第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底10-20min；
73.利用0.025-0.05％hf溶液冲洗第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底；
74.将第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底置于200-300℃的空气环境中进行干燥处理。
75.其中，利用氨水和h2o2混合的rca溶液清洗第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，有助于去除第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面的表面金属杂质；利用0.025-0.05％hf溶液冲洗第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底，进一步保证第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的洁净。
76.可选地，在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构，在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构，包括：
77.在第一蓝宝石衬底的第一表面形成第一介质层，对第一介质层或者第一介质层和第一蓝宝石衬底进行图案化，形成凸起微结构；
78.对第二蓝宝石衬底的第一表面进行图案化，形成凹坑微结构；
79.在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成第二介质层，第二介质层填充凹坑微结构。
80.其中，利用第一介质层制备形成凸起微结构，可以减少蓝宝石衬底上形成外延层时的应力集中的问题，降低外延材料(例如氮化镓)的晶格缺陷，从而改善外延生长质量。在第二蓝宝石衬底的第一表面上可采用mocvd或pvd沉积镀膜，形成第二介质层，利用第二介质层填充凹坑微结构。
81.具体地，第一介质层的材料包括sio2、aln、si3n4中的至少一种；第二介质层的材料包括sic、aln中的至少一种。第一介质层的厚度可设置为2-5um，第一介质层的材料中的sio2、aln、si3n4的折射率分别为1.46、2.16、2.04，均低于gan折射率(n＝2.56)，可以保证凸起微结构与外延层的折射率差，光线在外延层和凸起微结构的界面由光密到光束，全反射角度应折射率差增大而增大，也即光线在该界面发生全反射的几率增加，从而有利于提高光线的反射率；第二介质层的厚度为1-2um，第二介质层的材料中的，sic折射率2.64、热导率490w/(m k)，aln折射率2.16、热导率270w/(m k)；折射率均高于蓝宝石衬底的折射率(n＝1.78)，相较于第二蓝宝石衬底与空气层形成的界面而言，由第二介质层和空气层形成的界面折射率差更大，光线在经过第二介质层和空气层的界面时，其全反射角因折射率差变大而增大，光线更容易在此界面发生全反射，也即同样可以增加反射几率而避免光线出射，从而改善反射效率，提高led正面的出光效率。此外，第二介质层采用热导率较好的材料，也
有利于降低因复合结构衬底的厚度导致的散热问题。
82.本实施例通过在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构和在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构，并经过对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面处理，实现第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互键合，得到双层图形化蓝宝石衬底。本发明实施例解决了现有图形化衬底对改善led的出光效率有限的问题，不仅可以实现双层的蓝宝石图形化衬底，利用两层图形微结构侧面斜率等结构特征的区别，以及交界面的折射率差异，增大界面全反射角度，增加对光线的反射，提高反射效率，改善对光线的调控效果，进一步地提高led芯片的出光效率。此外，本发明实施例中，利用第一介质层形成凸起微结构以及利用第二介质层形成凹坑微结构，可以利用介质材料的良导热性能，一定程度上改善衬底的散热能力；同时，在制备过程中通过减薄处理步骤，可以有效减小整个衬底的厚度，防止厚度偏厚带来的散热问题。
83.图4为本发明实施例提供了一种双层图形化蓝宝石衬底的结构示意图，如图4所示，采用上述实施例任一项的双层图形化蓝宝石衬底的制备方法制成；
84.图形化蓝宝石衬底包括第一蓝宝石衬底11和第二蓝宝石衬底12，第一蓝宝石衬底11和第二蓝宝石衬底12均包括相互背离的第一表面和第二表面，如图所示，第一蓝宝石衬底11包括第一表面101和第二表面103，第二蓝宝石衬底12包括第一表面102和第二表面104；第一蓝宝石衬底11的第一表面101形成有凸起微结构113；第二蓝宝石衬底12的第一表面102形成有凹坑微结构123；第一蓝宝石衬底11的第二表面103和第二蓝宝石衬底12的第二表面104相互键合。
85.本实施例中，通过在第一蓝宝石衬底的第一表面上形成凸起微结构和在第二蓝宝石衬底的第一表面上形成凹坑微结构，并经过对第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面的等离子表面活化，实现第一蓝宝石衬底和第二蓝宝石衬底的第二表面相互等离子活化键合，得到一体化的双层图形化蓝宝石衬底。在双层图形化的基础上，通过两层图形微结构，可以利用两层图形微结构侧面斜率等结构特征的区别，增加对光线的反射，提高反射效率，改善对光线的调控效果，进一步地提高led芯片的出光效率。此外，还能够保证整个衬底具备较薄的厚度，避免衬底过厚导致的加工和散热难度提高的问题，有利于led芯片的加工和散热。
86.图5为本发明实施例提供的一种led外延片的结构示意图，如图5所示，该led外延片包括如上实施例提供的任意一种双层图形化蓝宝石衬底301，还包括位于双层图形化蓝宝石衬底上的外延层302。
87.由于本实施例提供的led外延片包括上述实施例提供的双层图形化蓝宝石衬底，因而具备与该双层图形化蓝宝石衬底相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
88.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。