复合图形化衬底和具有空气隙的外延结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种复合图形化衬底和具有空气隙的外延结构。


背景技术：

2.半导体发光二极管(light-emission diodes，leds)因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，蓝、绿光gan基led芯片在显示、照明领域发展迅速；国内led照明已经取代普通照明约30％份额，为继续提高led在照明市场普及率，需要继续提升led在光亮度、光品质方面的性能。目前主流蓝绿gan基led外延片95％以上都是使用蓝宝石基板做衬底材料，蓝宝石衬底因硬度大、透光率高、工艺成熟等特点，在今后主流led市场仍将会是最主要的衬底材料。目前采用的蓝宝石衬底基本上都是进行了图形化( patterned sapphiresubstrate，pss)加工后再用于led外延生长。因为在pss衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，提高外延层晶体质量以提高led电学特性；另外，蓝宝石的折射率为1.8，氮化镓的折射率为2.5，由于折射率的差异，当光从氮化镓外延层进入蓝宝石图形衬底时，会形成全反射，从而改善gan基发光二极管出光率。基于pss衬底的外延材料制成的led器件参数表明，其20a/cm2电流密度下相同尺寸芯片的光功率相比蓝宝石平片衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用pss衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。
3.现有技术中al2o3与sio2复合衬底中，sio2的下表面与al2o3的上表面重合，二者在蓝宝石衬底上形成金字塔形状的立体图案，如图1，这种具有金字塔形状立体图案的复合衬底主要是依靠金字塔的锥形表面对led的出光反射，想要更多的对led的出光进行反射，就需要尽可能的在衬底上将这种金字塔形状的立体图案做的更密集，但是由于蓝宝石衬底（al2o3）较硬，刻蚀较困难，图案分布较密集时很难控制刻蚀深度和精度。


技术实现要素：

4.实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种复合图形化衬底和具有空气隙的外延结构，本衬底中的凸起结构的上部图案层的底面面积小于中部介质薄膜层的面积，中部介质薄膜层的面积等于下部图案层的顶面面积，在后续生长外延结构时，由于中部介质薄膜层表面不能生长外沿结构，所以能够在n型层与各凸起结构之间形成较大的空气隙，在该空气隙的位置，会使得led发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加led出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
5.技术方案：本实用新型提供了复合图形化衬底，包括表面具有周期性排布的凸起结构的衬底本体，相邻所述凸起结构之间具有间隔沟槽；所述凸起结构包括上部图案层、中部介质薄膜层和下部图案层，所述中部介质薄膜层的面积大于所述上部图案层的底面面积且等于所述下部图案层的顶面面积。
6.优选地，所述中部介质薄膜层的厚度为10 nm~400 nm。
7.优选地，所述上部图案层为圆锥体或金字塔结构，所述下部图案层为圆台结构，且所述上部图案层、中部介质薄膜层与下部图案层同轴设置。
8.优选地，所述上部图案层的底径d1为所述凸起结构的周期p的30%~85%；高度h1为300 nm~2000 nm。
9.优选地，所述下部图案层的底径d2为所述凸起结构的周期p的60%~96%；高度h2为50 nm~500 nm。
10.优选地，所述凸起结构的周期p为500 nm~ 5000 nm。
11.优选地，所述上部图案层为二氧化硅材质；和/或，所述中部介质薄膜层为二氧化钛或氮化铝材质；和/或，所述下部图案层与所述衬底本体的材质相同，为蓝宝石材质。
12.本实用新型还提供了一种具有空气隙的led外延结构，包括所述的图形化衬底。
13.进一步地，所述的具有空气隙的led外延结构，还包括依次设置于该图形化衬底上的n型层、发光层和p型层；在所述n型层与各所述凸起结构之间具有空气隙。
14.有益效果：本申请中的复合图形化衬底中，凸起结构中的中部介质薄膜层的面积大于上部图案层的底面面积且等于下部图案层的顶面面积；相邻凸起结构之间的间隔沟槽的底面是比较光滑的与衬底本体材质相同的平面，所以在该衬底结构上生长n型层（n型氮化镓）时，n形成就会选择性地在具有光滑底面的间隔沟槽内生长，而中部介质薄膜层表面是不能生长外延结构的，这样外延生长到最后就会在凸起结构的上部图案层、中部介质薄膜层与n型层之间形成较大的空气隙，该空气隙区域的折射率为1，与其他材料层存在显著的折射率差，将导致led内发出的光在该区域内发产生更大的反射效果，能够增加led出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
附图说明
15.图1为现有技术中具有金字塔形状立体图案的蓝宝石衬底的侧视剖视图；
16.图2为本实用新型中复合图形化衬底的结构示意图；
17.图3为复合图形化衬底的扫描电子显微镜图片；
18.图4为包含复合图形化衬底的具有空气隙的led外延结构示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。
20.本实施方式提供了一种复合图形化衬底，如图2所示，包括表面具有周期性排布的凸起结构2的蓝宝石材质的衬底本体1，相邻凸起结构2之间具有间隔沟槽101；凸起结构2的周期为3000nm。凸起结构2由同轴设置的上部图案层201、中部介质薄膜层203和下部图案层202组成，上部图案层201为圆锥体结构、二氧化硅材质，底径d1约为2300nm；高度h1约为1000nm。中部介质薄膜层203为二氧化钛或氮化铝材质，厚度为200nm。下部图案层202为圆台结构且与衬底本体1同种材质，底径d2约为2800nm；高度h2约为200 nm。上部图案层201的底面面积小于中部介质薄膜层203的面积，中部介质薄膜层203的面积等于下部图案层202的顶面面积。图3为复合图形化衬底的扫描电子显微镜俯视图。
21.图4所示为由上述复合图形化衬底制备得到的具有空气隙的led外延结构，包括上述复合图形化衬底，还包括依次设置于该图形化衬底上的n型层5、发光层6和p型层7；在n型
层5与各凸起结构2之间具有空气隙8。该空气隙8内的空气与周围的n型层5以及上部图案层201、中部介质薄膜层203与下部图案层202的材料不同，反射率不同，所以在该空气隙8的位置，会导致led发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加led出光的反射，提升出光效率，提升亮度。
22.上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。


技术特征：
1.一种复合图形化衬底，其特征在于，包括表面具有周期性排布的凸起结构（2）的衬底本体（1），相邻所述凸起结构（2）之间具有间隔沟槽（101）；所述凸起结构（2）包括上部图案层（201）、中部介质薄膜层（203）和下部图案层（202），所述中部介质薄膜层（203）的面积大于所述上部图案层（201）的底面面积且等于所述下部图案层（202）的顶面面积。2. 根据权利要求1所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述中部介质薄膜层（203）的厚度为10 nm~400 nm。3.根据权利要求1所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述上部图案层（201）为圆锥体或金字塔结构，所述下部图案层（202）为圆台结构，且所述上部图案层（201）、中部介质薄膜层与下部图案层（202）同轴设置。4. 根据权利要求3所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述上部图案层（201）的底径d1为所述凸起结构（2）的周期p的30%~85%；高度h1为300 nm~2000 nm。5. 根据权利要求3所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述下部图案层（202）的底径d2为所述凸起结构（2）的周期p的60%~96%；高度h2为50 nm~500 nm。6. 根据权利要求3所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述凸起结构（2）的周期p为500 nm~ 5000 nm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合图形化衬底，其特征在于，所述上部图案层（201）为二氧化硅材质；和/或，所述中部介质薄膜层（203）为二氧化钛或氮化铝材质；和/或，所述下部图案层（202）与所述衬底本体（1）的材质相同，为蓝宝石材质。8.一种具有空气隙的led外延结构，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的图形化衬底。9.根据权利要求8所述的具有空气隙的led外延结构，其特征在于，还包括依次设置于该图形化衬底上的n型层（5）、发光层（6）和p型层（7）；在所述n型层（5）与各所述凸起结构（2）之间具有空气隙（8）。

技术总结
本实用新型涉及半导体领域，公开了一种复合图形化衬底和具有空气隙的外延结构，该衬底包括表面具有周期性排布的凸起结构（2）的衬底本体（1），相邻凸起结构之间具有间隔沟槽（101）；凸起结构包括上部图案层（201）、中部介质薄膜层（203）和下部图案层（202），中部介质薄膜层的面积大于上部图案层的底面面积且等于下部图案层的顶面面积。本衬底在后续生长外延结构时，能够在N型氮化镓层与各凸起结构之间形成较大的空气隙，在该空气隙的位置，会使得LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增强LED出光的反射效果，提升出光效率，提升亮度。提升亮度。提升亮度。


技术研发人员：付星星 孙帅 刘鹏 芦玲
受保护的技术使用者：淮安澳洋顺昌光电技术有限公司
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2022/9/9