專利名稱:一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu)以及發(fā)光二極管芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域,特指一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu),另外本實(shí)用新型還公開一種采用該襯底的發(fā)光二極管芯片。
背景技術(shù):
以III-V族氮化鎵(GaN)為代表的氮化物化合物半導(dǎo)體,如氮化鎵(GaN)、氮化鋁 (AlN)、氮化銦αηΝ)、氮化鋁鎵(AWaN)、氮化鎵銦(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)或氮化鋁鎵銦(AKialnN)等在紫外/藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管、激光器、太陽光盲紫外光電探測器以及高頻、高溫大功率電子器件等諸多領(lǐng)域有著重要而廣泛的應(yīng)用。目前藍(lán)寶石襯底是氮化物進(jìn)行異質(zhì)外延生長最為常用的襯底。由于藍(lán)寶石襯底和氮化物外延層間存在很大晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)差異,因此利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、氫化物氣相外延 (HVPE)或分子束外延(MBE)等外延技術(shù)生長的氮化物外延層中存在很大的應(yīng)力和很多晶體缺陷如位錯(cuò)等,材料的晶體質(zhì)量因此受到很大影響,進(jìn)而劣化了器件性能。采用圖形化藍(lán)寶石襯底(Improve sapphire substrate)的技術(shù)可以緩解藍(lán)寶石襯底和氮化物外延層異質(zhì)外延生長中由于晶格失配引起的應(yīng)力,使之得到有效的弛豫,大大降低外延生長的氮化物材料中的位錯(cuò)密度,使晶體質(zhì)量得到很大提高。但目前圖形藍(lán)寶石襯底的制備技術(shù)大多是采用傳統(tǒng)的光刻法制備出光刻圖形,然后以二氧化硅(Sit)》或氮化硅(SiM)層為掩膜, 再利用反應(yīng)離子(RIE)或感應(yīng)耦合等離子(ICP)等設(shè)備干法刻蝕而形成的。由于工藝過程中涉及干法刻蝕設(shè)備,因此工藝過程復(fù)雜、成本較高。為了更有效地應(yīng)用于低位錯(cuò)密度、高晶體質(zhì)量的氮化物的外延生長,發(fā)展成本低、易于實(shí)現(xiàn)的圖形化襯底技術(shù)勢在必行。
實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題,本實(shí)用新型的目的在于提供一種無損襯底、結(jié)構(gòu)簡單、出光效率高的圖形化襯底,該圖形化襯底的技術(shù)可以有效避免藍(lán)寶石襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,進(jìn)而提高外延材料的晶體質(zhì)量和均勻性,同時(shí)可以減少光的全反射,最終最大程度地提高后續(xù)制作芯片的出光效率。為了達(dá)到上述技術(shù)目的,本實(shí)用新型提供一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于襯底上鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地,所述襯底為藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)的成分為Al2O315優(yōu)選地,所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成。優(yōu)選地,所述光刻膠構(gòu)圖的圖形單元之間的間距在2微米至5微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)的厚度在0. 5微米至3微米之間。優(yōu)選地,所述粗化結(jié)構(gòu)的材料是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的Al2O315本實(shí)用新型在襯底上鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),由于是在襯底上直接鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),所以不會(huì)損傷襯底,相對于現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕襯底的結(jié)構(gòu),具有不會(huì)損傷襯底、不需要專業(yè)的干法、濕法刻蝕設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),可大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,有效地避免襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,在此基礎(chǔ)上生長外延層可明顯降低位錯(cuò)密度以及磊晶的缺陷,同時(shí)圖形化的粗化結(jié)構(gòu)可減少光的全反射,有助于提高后續(xù)芯片的外部量子效率,進(jìn)而使后續(xù)產(chǎn)品更加穩(wěn)定、亮度更高。本實(shí)用新型還公開一種發(fā)光二極管芯片包括藍(lán)寶石襯底,依次生長在襯底上的 N型層、發(fā)光層、P型層以及設(shè)置在N型層與P型層上的N電極和P電極,其特征在于在所述襯底與N型層之間鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地,所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成。優(yōu)選地,所述粗化結(jié)構(gòu)的厚度在0. 5微米至3微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元之間的間距在2微米至5微米之間。優(yōu)選地,所述襯底為藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)的材料是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的ai2O3。優(yōu)選地,所述藍(lán)寶石襯底的背面還設(shè)置有一層金屬反射層。本實(shí)用新型在襯底上鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),相對于現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕襯底的結(jié)構(gòu),具有不會(huì)損傷襯底、不需要專業(yè)的干法、濕法刻蝕設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),因此本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)可以有效地避免襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,在此基礎(chǔ)上生長外延層可明顯降低位錯(cuò)密度以及磊晶的缺陷,同時(shí)圖形化的粗化結(jié)構(gòu)可減少光的全反射,有助于提高發(fā)光二極管芯片的外部量子效率,進(jìn)而使發(fā)光二極管芯片更加穩(wěn)定、亮度更高。
圖1至圖4所示為本實(shí)用新型的第一種實(shí)施方式;圖5至圖7所示為本實(shí)用新型的第二種實(shí)施方式;圖8所示為本實(shí)用新型的發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖;圖9所示為本實(shí)用新型的發(fā)光二極管芯片的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的描述,在介紹本實(shí)用新型的圖形化襯底結(jié)構(gòu)之前,先介紹一下本實(shí)用新型的圖形化襯底制作工藝,以便幫助理解本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型公圖形化襯底的制作方法,具體包括以下步驟 步驟一、如圖1所示,在用于生長半導(dǎo)體外延片的襯底1上涂覆一層光刻膠2,所述光刻膠2的表面通過掩膜形成感光區(qū)域和光阻區(qū)域;步驟二、通過曝光顯影將光刻膠2構(gòu)圖,此時(shí)在襯底1上的感光區(qū)域通過曝光后消失,僅在藍(lán)寶石襯底1上留下構(gòu)圖化的光阻區(qū)域;光刻膠構(gòu)圖的圖形單元21為圓形、方形、 梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成,如圖2、圖5所示光刻膠2構(gòu)圖的圖形單元21為方形、梯形,所述光刻膠構(gòu)圖的圖形單元21之間的間距Dl 在2微米至5微米之間,采用多種光刻膠構(gòu)圖的圖形可以使粗化結(jié)構(gòu)3進(jìn)一步降低光線的全反射幾率,提高后續(xù)芯片的出光效率;步驟三、如圖3、圖6所示,通過電子束蒸發(fā)臺(tái)蒸鍍或磁控濺射機(jī)臺(tái)在光刻膠構(gòu)圖
4層上濺鍍一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)3,所述粗化結(jié)構(gòu)3的厚度H在0.5微米至3微米之間;步驟四、通過光刻膠清洗液將圖形化的光刻膠構(gòu)圖部分(即光阻部分)去除,留下圖形化的粗化結(jié)構(gòu)3,所述粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31之間的間距D2在2微米至5微米之間,如圖4、圖7所示。通過實(shí)驗(yàn)表明,將D1、D2、H控制在前述數(shù)值范圍之內(nèi)形成的粗化結(jié)構(gòu)3其穩(wěn)定性以及光萃取效率最好。本實(shí)用新型的襯底1優(yōu)選藍(lán)寶石襯底,此時(shí)的粗化結(jié)構(gòu)3可以選用與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的Al2O3,由于組分相同,所以其結(jié)合性及其機(jī)械性能可得到進(jìn)一步鞏固。本實(shí)用新型在步驟四之后進(jìn)行高溫退火處理,所述高溫處理的溫度在600°C 1200°C之間,優(yōu)選高溫處理的溫度在800°C 1000°C之間,其中高溫處理的溫度在800°C或 850°C或9000C時(shí)效果更佳。高溫退火處理可以進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力,減少變形與裂紋傾向, 細(xì)化晶粒、調(diào)整組織、消除組織缺陷。本實(shí)用新型的圖形化襯底的結(jié)構(gòu),如圖4所示,在襯底1上鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)3。所述襯底1選用藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)3的成分為Al2O315所述粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成。所述粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31之間的間距D2在2微米至5微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)3的厚度H在0. 5微米至3微米之間。所述粗化結(jié)構(gòu)3的材料可以是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的A1203。本實(shí)用新型在襯底上鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),由于是在襯底上直接鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),所以不會(huì)損傷襯底,相對于現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕襯底的結(jié)構(gòu),具有不會(huì)損傷襯底、不需要專業(yè)的干法、濕法刻蝕設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),可大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,有效地避免襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,在此基礎(chǔ)上生長外延層可明顯降低位錯(cuò)密度以及磊晶的缺陷,同時(shí)圖形化的粗化結(jié)構(gòu)可減少光的全反射,有助于提高后續(xù)芯片的外部量子效率,進(jìn)而使后續(xù)產(chǎn)品更加穩(wěn)定、亮度更高。本實(shí)用新型還公開一種采用前述圖形化襯底的發(fā)光二極管芯片如圖8所示,包括襯底1,依次生長在襯底上的N型層5、發(fā)光層6、P型層7以及設(shè)置在N型層5與P型層7 上的N電極10和P電極9,在所述襯底1與N型層5之間鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)3。所述襯底1選用藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)3的材料是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的Al2O315 為了改善使后續(xù)磊晶的質(zhì)量還可在粗化結(jié)構(gòu)3與N型層5之間設(shè)置有一層緩沖層4。本實(shí)用新型還可在藍(lán)寶石襯底1的背面形成一層金屬反射層11,通過反射將芯片的部分光線反射至出光面,增加出光效率。本實(shí)用新型還在P型層7與P電極9之間設(shè)置有一層電流擴(kuò)散層8,所述電流擴(kuò)散層8完全覆蓋P型層7,以使電流均分布,避免電流的過度集中。為了遏制電流過度集中在P電極9的下方,可在所述P型層7與電流擴(kuò)散層8之間,對應(yīng)P電極 7的位置上形成有電流阻擋層81,以此來減少電流的過度聚集,最終提高出光效率。所述粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成,以此來最大程度地減少光線的全反射,其中圖8所示圖形單元31為方形,圖9所示圖形單元31為梯形。所述粗化結(jié)構(gòu)的厚度H在0. 5微米至3微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元之間的間距D2在2微米至5微米之間,圖形單元31的橫向?qū)挾茸畲笾礚也在2微米至5微米之間,當(dāng)然,粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31也可呈差異化不規(guī)律的排布。實(shí)驗(yàn)證明將粗化結(jié)構(gòu)3的圖形單元31控制在前述數(shù)值范圍之內(nèi)可使其機(jī)械性能、光學(xué)性能可得到最優(yōu)的發(fā)揮。 本實(shí)用新型在襯底上鍍有圖形化的粗化結(jié)構(gòu),相對于現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕襯底的結(jié)構(gòu),具有不會(huì)損傷襯底、不需要專業(yè)的干法、濕法刻蝕設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),因此本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)可以有效地避免襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,在此基礎(chǔ)上生長外延層可明顯降低位錯(cuò)密度以及磊晶的缺陷,同時(shí)圖形化的粗化結(jié)構(gòu)可減少光的全反射,有助于提高發(fā)光二極管芯片的外部量子效率,進(jìn)而使發(fā)光二極管芯片更加穩(wěn)定、亮度更高。
權(quán)利要求1.一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于襯底上鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于,所述襯底為藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)的成分為ai2O3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于,所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于所述光刻膠構(gòu)圖的圖形單元之間的間距在2微米至5微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)的厚度在0. 5微米至3微米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu),其特征在于所述粗化結(jié)構(gòu)的材料是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的ai2O3。
6.一種發(fā)光二極管芯片包括襯底,依次生長在襯底上的N型層、發(fā)光層、P型層以及設(shè)置在N型層與P型層上的N電極和P電極,其特征在于在所述襯底與N型層之間鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種發(fā)光二極管芯片,其特征在于所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元為圓形、方形、梯形、正六邊形、菱形、三角形或不規(guī)則圖形中的任何一種或幾種組合而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管芯片,其特征在于所述粗化結(jié)構(gòu)的厚度在0.5 微米至3微米之間,所述粗化結(jié)構(gòu)的圖形單元之間的間距在2微米至5微米之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一項(xiàng)所述的一種圖形化襯底的工藝,其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石襯底,所述粗化結(jié)構(gòu)的材料是與藍(lán)寶石襯底同組分不同晶格的ai2O3。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管芯片,其特征在于所述藍(lán)寶石襯底的背面還設(shè)置有一層金屬反射層。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種圖形化襯底的結(jié)構(gòu)以及發(fā)光二極管芯片,該襯底上鍍有一層圖形化的粗化結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)中刻蝕襯底的結(jié)構(gòu),具有不會(huì)損傷襯底、不需要專業(yè)的干法、濕法刻蝕設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),可大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,有效地避免襯底內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生,有助于提高后續(xù)芯片磊晶的質(zhì)量和減少光的全反射,進(jìn)而使后續(xù)產(chǎn)品更加穩(wěn)定、亮度更高。
文檔編號(hào)C30B25/18GK201981291SQ201120035968
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者樊邦揚(yáng) 申請人:廣東銀雨芯片半導(dǎo)體有限公司