圖形化藍寶石襯底及發(fā)光二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種圖形化藍寶石襯底、其制作方法及采用該圖形化藍寶石襯底的發(fā)光二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]PSS (Patterned Sapphire Substrate，圖形化藍寶石襯底)是在藍寶石襯底上利用光刻、刻蝕等工藝，形成具有圖形化表面的藍寶石襯底。圖形化襯底一方面能夠有效降低外延結(jié)構(gòu)層的位錯密度，提高外延材料的晶體質(zhì)量和均勻性，進而能提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子發(fā)光效率，另一方面，由于圖形結(jié)構(gòu)增加了光的散射，改變了發(fā)光二極管的光學(xué)線路，進而提升了出光幾率。
[0003]PSS圖案底部寬度的大小對襯底的出光效率有一定的影響:底部寬度越大，圖案的表面積越大，反光區(qū)域越大，出光效率越高。同時，相鄰圖案的間距對后續(xù)外延層的生長具有一定的影響:如果間距太小，則會導(dǎo)致形成的外延層內(nèi)部缺陷增大，不利于半導(dǎo)體元件的光提取，如果間距太大，則導(dǎo)致相同尺寸的襯底表面排列的襯底圖案數(shù)目較少，降低襯底的出光效率。因此，如何獲得密度適當(dāng)并且底部寬度較大的襯底圖案是提高半導(dǎo)體元件出光效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種圖形化藍寶石襯底及采用該襯底的發(fā)光二極管，其通過增加圖形化襯底的圖案表面的反光面積，可以提高襯底對光線的反射，從而提升發(fā)光二極管的出光效率。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種圖形化藍寶石襯底，具有相對的第一表面和第二表面，所述襯底第一表面由復(fù)數(shù)個相互間隔的圖案排列而成，所述圖案具有復(fù)數(shù)個側(cè)面和至少一個夾置于所述相鄰側(cè)面之間的凹陷區(qū)，所述凹陷區(qū)的深度和寬度自所述圖案的頂部向底部逐漸減小。
[0006]優(yōu)選的，所述圖案還包括一頂面和一底面，所述凹陷區(qū)夾置于所述相鄰側(cè)面和頂面之間。
[0007]優(yōu)選的，所述凹陷區(qū)由兩個傾斜面連接而成。更佳的，所述凹陷區(qū)在所述圖案底面上的投影呈三角形。
[0008]優(yōu)選的，所述兩傾斜面呈軸對稱設(shè)置。
[0009]優(yōu)選的，所述兩傾斜面的夾角范圍為90~150°。
[0010]優(yōu)選的，所述圖案的頂面呈具有凸起的多邊形。
[0011]優(yōu)選的，所述側(cè)面由傾斜度不同且分別位于所述圖案上部和下部的第一側(cè)面和第二側(cè)面組成。
[0012]優(yōu)選的，所述第一側(cè)面的傾斜度小于第二側(cè)面的傾斜度。
[0013]優(yōu)選的，所述第二側(cè)面呈弧狀。
[0014]所述襯底的圖案的底部寬度范圍為4 μπι~20 μπι。
[0015]上述圖形化藍寶石襯底可以通過下面方法制備:S1、提供一藍寶石平片襯底，具有相對的第一表面和第二表面，在第一表面上形成掩膜層，其具有周期性排列的掩膜圖案；S2、采用濕法刻蝕在藍寶石平片襯底第一表面上形成復(fù)數(shù)個周期性排列的相互間隔的圖案，所述圖案具有復(fù)數(shù)個側(cè)面和至少一個夾置于所述相鄰側(cè)面之間的凹陷區(qū)，所述凹陷區(qū)的深度和寬度自所述圖案的頂部向底部逐漸減小。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜圖案具有至少一個向外延伸的凹陷，所述凹陷對應(yīng)于所述藍寶石襯底的晶格方向。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜圖案具有復(fù)數(shù)個向外延伸的凸起，所述凸起對應(yīng)于所述藍寶石襯底的晶格方向之間。
[0018]優(yōu)選的，所述凸起和凹陷交替排列，所述凸起和凹陷的數(shù)目均為3。
[0019]優(yōu)選的，所述相鄰?fù)蛊鹬g構(gòu)成一夾角，夾角的范圍為90° ~150°。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜圖案的邊緣與中心的距離為0.25 μπι -10 μπι,所述掩膜圖案的高度為I μπι~10 μπι，所述掩膜圖案的間距為0.1 μπι ~10 μπι。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜層的材料為光阻、氧化物或金屬。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟S2中濕法刻蝕采用濃硫酸和磷酸混合液刻蝕藍寶石襯底第一表面形成圖型化藍寶石襯底，刻蝕時間為500s~3500s，刻蝕溫度為150°C ~300°C。
[0023]本發(fā)明還提供了一種發(fā)光二極管，包括前述任意一種圖形化藍寶石襯底及形成于所述圖形化藍寶石襯底的發(fā)光外延層。
[0024]優(yōu)選的，所述圖形化藍寶石襯底的表面上具有一層采用PVD法形成的AlN層，所述發(fā)光外延層形成于所述AlN層之上。
[0025]優(yōu)選的，所述AlN層的厚度為10埃~200埃。
[0026]本發(fā)明的再一方面提供了前述發(fā)光二極管的制作方法，包括如下步驟:S1、提供一藍寶石平片襯底，具有相對的第一表面和第二表面，在第一表面上形成掩膜層，其具有周期性排列的掩膜圖案；S2、采用濕法刻蝕在藍寶石平片襯底第一表面上形成復(fù)數(shù)個周期性排列的相互間隔的圖案，所述圖案具有復(fù)數(shù)個側(cè)面和至少一個夾置于所述相鄰側(cè)面之間的凹陷區(qū)，所述凹陷區(qū)的深度和寬度自所述圖案的頂部向底部逐漸減??；S3、在所述圖形化藍寶石襯底表面采用PVD法形成一 AlN層；S4、在所述AlN層上外延生長發(fā)光外延層，其至少包括N型半導(dǎo)體、發(fā)光層和P型半導(dǎo)體層。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟S2中的所述圖案還包括一頂面和一底面，所述凹陷區(qū)夾置于所述相鄰側(cè)面和頂面之間。
[0028]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜圖案具有至少一個向外延伸的凹陷，所述凹陷對應(yīng)于所述藍寶石襯底的晶格方向。
[0029]優(yōu)選的，所述步驟SI中形成的掩膜圖案還具有復(fù)數(shù)個向外延伸的凸起，其對應(yīng)于所述藍寶石襯底的晶格方向之間。
[0030]優(yōu)選的，所述步驟S3中AlN層的厚度為10埃~200埃。
[0031]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0032]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0033]圖1為監(jiān)寶石晶格結(jié)構(gòu)俯視不意圖。
[0034]圖2~圖3為現(xiàn)有技術(shù)中圖形化藍寶石襯底的圖案之SEM側(cè)視圖。
[0035]圖4~圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明實施的一種圖形化藍寶石襯底的SEM圖。其中，圖4為圖形化藍寶石襯底的整體立體圖，圖5為圖形化藍寶石襯底之單個圖案的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為圖形化藍寶石襯底之單個圖案的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖7為根據(jù)本發(fā)明實施的一種用于制作圖形化藍寶石襯底的流程示意圖。
[0037]圖8為根據(jù)本發(fā)明實施的一種用于制作圖形化藍寶石襯底的掩膜層圖案。
[0038]圖9為圖8所示掩膜層圖案的放大圖。
[0039]圖10為根據(jù)本發(fā)明實施的一種用于制作發(fā)光二極管的流程示意圖。
[0040]圖11為根據(jù)本發(fā)明實施的一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖中標(biāo)號表示:10.圖形化藍寶石襯底；20.圖形化藍寶石襯底；21.襯底的圖案；210.頂面；2101.頂面的凸起結(jié)構(gòu)；2102.頂面的凹陷結(jié)構(gòu)；211.底面；212.側(cè)面；2121.第一側(cè)面；2122.第二側(cè)面；213.凹陷區(qū)；2130.傾斜面；30.掩膜圖案；31.掩膜圖案之凹陷；32.掩膜圖案之凸起。
【具體實施方式】
[0042]下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的具體實施作詳細(xì)說明。
[0043]PSS 一般采用干法刻蝕或濕法刻蝕制備。干法刻蝕主要是采用等離子體(ICP)轟擊襯底表面制備圖案，具有各向同性的特點，制備出的圖形形貌可控，但是容易產(chǎn)生物理損傷，同時表面反射率較差，不利于進一步提高LED出光效率。濕法刻蝕主要是采用化學(xué)溶液腐蝕襯底制備圖案，具有設(shè)備成本低、操作工藝簡單、襯底表面反射率較高等優(yōu)點，適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)使用。
[0044]圖1示出了藍寶石晶格結(jié)構(gòu)的俯視示意圖，具體為六方晶格結(jié)構(gòu)，其中常被應(yīng)用的切面有A面、C面及R面。由于藍寶石C面與II1- V和I1- VI族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率較小，通常使用C面進行外延生長。采用濕法刻蝕藍寶石襯底時，由于藍寶石晶格結(jié)構(gòu)的特性，刻蝕溶液僅能沿藍寶石晶格方向腐蝕，通常形成三角錐型圖案。圖2~3顯示了現(xiàn)有技術(shù)中濕法刻蝕獲得的圖案化藍寶石襯底10，其工藝一般是在藍寶石襯底的C面上形成諸如圓柱形的掩膜圖案，然后進行濕法刻蝕。在前述刻蝕過程中，刻蝕溶液、刻蝕時間、刻蝕溫度是三個主要參數(shù)，在刻蝕溶液和刻蝕溫度一定時，刻蝕時間越長，所獲得的襯底圖案底部寬度越大，但是相鄰襯底圖案的間距會減小。
[0045]下面實施例公開一種圖形化藍寶石襯底，其在保持襯底圖案的間距不變的情況下，增大了圖案的底部寬度，增多了圖案表面反射光線的反射面。
[0046]參看圖4~6，一種圖形化藍寶石襯底20，具有相對的第一表面和第二表面，其中第