一种图形化衬底及发光二极管的制作方法

1.本实用新型涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种图形化衬底及发光二极管。


背景技术：

2.发光二极管(led，light emitting diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体pn结作为发光材料，可以直接将电转换为光。以氮化镓为代表的ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮(ingan)带隙从0.7ev氮化铟(inn)到3.4ev氮化镓(gan)连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以ingan/gan多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。
3.但是，由于gan单晶材料制备非常困难，又很难找到与gan晶格匹配的衬底材料，目前99％以上的gan基led器件均是通过异质外延生长获得的。制备gan基led器件一般采用蓝宝石作为衬底材料，蓝宝石与gan材料的晶格常数相差约15％，同时也存在严重的热失配问题，导致在蓝宝石衬底上生长的氮化物材料的晶体质量差，位错密度达到108～1010cm-2
，从而影响器件的使用寿命和发光效率。氮化物与蓝宝石材料的折射率之差容易使光的全反射受到限制，造成led内部大约75％的光被限制在器件内部不能出射，最终形成热量散失掉，因此，如何提高以蓝宝石为衬底的gan基led器件的发光效率，成为制约led发展的关键问题。
4.现有技术中采用图形化衬底制备gan基led器件。并且，为了提高光提取效率，一般会在图形化衬底的图形顶部设置一层低折射率材料层，以提高光萃取效率。例如，图形化衬底的图形顶部的材料为二氧化硅，底部材料为蓝宝石，当光遇到图形顶端的sio2容易产生全反射，光萃取效率能够得到提高。但是，由于二氧化硅的表面无法生长外延材料，导致生长于图形顶部的外延层内容易产生严重的线缺陷，在一定程度上制约了led的光提取效率。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种图形化衬底及发光二极管，以消除生长于图形化衬底顶端的外延层内的线缺陷，提高led的光提取效率。
6.为了实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种图形化衬底，包括衬底以及位于衬底的表面的若干个间隔分布的图形结构，图形结构包括：
7.第一部分，自衬底的表面延伸形成高于衬底的表面的凸台，且第一部分远离衬底的表面包括中心区以及围绕中心区的边缘区；
8.第二部分，位于第一部分的中心区，沿远离衬底的表面的方向延伸；
9.第三部分，位于第一部分的边缘区，自边缘区沿远离第一部分的方向围绕第二部分延伸，第三部分的顶端齐平于或者低于第二部分的顶端。
10.可选地，中心区占第一部分的表面的10％～50％。
11.可选地，第一部分与衬底的形成材料相同。
12.可选地，第二部分与第一部分的形成材料相同，且第二部分与第一部分为一体结构。
13.可选地，第二部分与第一部分的形成材料不同。
14.可选地，第二部分与第三部分的形成材料不同。
15.可选地，第一部分的边缘区形成为粗化结构。
16.可选地，粗化结构形成为波浪状或者圆弧状。
17.可选地，图形结构形成为直径自图形结构的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或者锥形结构。
18.可选地，衬底包括蓝宝石衬底、sic衬底、si衬底、zno衬底、sin衬底中的一种。
19.可选地，第三部分形成为包括sio2、si3n4、zno2、si、sic、gaas、ti3o5、tio2中的一种或多种的材料层。
20.本实用新型提供一种发光二极管，包括：
21.如上述方案中任一项图形化衬底；
22.外延层，形成于图形化衬底的具有图形结构的一侧，且包括自图形化衬底的表面依次堆叠的第一半导体层、有源层和第二半导体层。
23.可选地，第二部分的晶格常数与外延层的晶格常数之差小于第三部分的晶格常数与外延层晶格常数之差。
24.与现有技术相比，本实用新型所述图形化衬底以及发光二极管至少具备如下有益效果：
25.本实用新型所述的图形化衬底包括衬底以及位于衬底的表面的若干个间隔分布的图形结构，图形结构包括形成于衬底表面的第一部分以及形成于第一部分表面的第二部分和第三部分。其中，第一部分自衬底的表面延伸形成高于衬底的表面的凸台，且第一部分远离衬底的表面包括中心区以及围绕中心区的边缘区；第二部分位于第一部分的中心区，并沿远离衬底的表面的方向延伸；第三部分位于第一部分的边缘区，自边缘区沿远离第一部分的方向围绕第二部分延伸，第三部分的顶端齐平于或者低于第二部分的顶端。在外延长晶时，由于图形结构的第二部分的表面也能够进行外延生长，在第二部分表面生长的外延层内的横向插排缺陷能够中合在图形结构的顶端的线缺陷，从而减小图形顶端的外延层内线位错密度，改善图形结构表面的外延材料的晶格质量，提高led的光提取效率及器件良率。
26.并且，本实用新型中的第一部分与第三部分为异质材料层，由于第一部分和第三部分的折射率差，使得射入图形化衬底的光能够产生全反射，有效提高了光萃取效率。
27.本实用新型所述的发光二极管包括上述图形化衬底，同样能达到上述技术效果。
附图说明
28.图1为现有技术中在一种图形化衬底的表面生长外延材料的透射电镜(tem)照片；
29.图2为现有技术中在一种图形化衬底的表面生长外延材料的透射电镜(tem)照片；
30.图3为本实用新型实施例1中所述图形化衬底的俯视结构示意图；
31.图4为沿图3中图形化衬底的a-a’向的截面结构示意图；
32.图5a为本实用新型实施例1中形成图形化衬底的方法中提供的衬底的结构示意图；
33.图5b为本实用新型实施例1中形成图形化衬底时刻蚀衬底，在衬底的表面形成周期性排列的圆柱状凸起的结构示意图；
34.图5c为本实用新型实施例1中图5b所示的衬底表面形成介质层后的结构示意图；
35.图6为本实用新型实施例2中所述的图形化衬底的截面结构示意图；
36.图7为本实用新型实施例3所述的发光二极管的结构示意图。
37.附图标记列表：
38.1蓝宝石
39.2二氧化硅
40.3线缺陷
41.100图形化衬底
42.110衬底
43.120图形结构
44.121第一部分
45.1211边缘区
46.1212中心区
47.122第二部分
48.123第三部分
49.200外延层
50.201第一半导体层
51.202有源层
52.203第二半导体层
53.300粗化结构
54.401第一电极
55.402第二电极
56.500圆柱状凸起
57.600介质层
具体实施方式
58.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
59.须知，本实用新型实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，虽图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，
以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
60.图1提供一种图形化衬底，该图形化衬底的衬底以及图形底部的材料为蓝宝石1，图形顶部采用低折射率材料二氧化硅2。采用图1所示的图形化衬底进行外延长晶时，由于sio2不易生长外延材料，外延材料内部缺陷会在图形顶端合并，产生较粗的线位错，如图1所示。该线位错作为漏电通道，并不利于后续生长半导体器件的抗静电性能。图2提供一种图形化衬底，该图形化衬底的衬底以及形成于衬底表面的图形材料均为蓝宝石1。由于该图形化衬底的表面均能进行外延生长，进行外延长晶时，图形顶端生长的外延层内产生的线位错较细短，如图2所示。
61.为了消除形成于图1所示的图形化衬底顶端的外延层内的线缺陷，提高led的光提取效率，本实施例提供一种图形化衬底及发光二极管。
62.实施例1
63.本实施例提供一种图形化衬底，该图形化衬底包括衬底以及位于衬底的表面的若干个间隔分布的图形结构，图形结构包括形成于衬底表面的第一部分以及形成于第一部分表面的第二部分和第三部分。其中，第一部分自衬底的表面延伸形成高于衬底的表面的凸台，且第一部分远离衬底的表面包括中心区以及围绕中心区的边缘区；第二部分位于第一部分的中心区，并沿远离衬底的表面的方向延伸；第三部分位于第一部分的边缘区，自边缘区沿远离第一部分的方向围绕第二部分延伸，第三部分的顶端齐平于或者低于第二部分的顶端。
64.具体地，参照图4，图形化衬底100包括衬底110以及设置于衬底110表面的若干个间隔分布的图形结构120，其中，衬底110的材料可以为蓝宝石、sic、si、zno、sin中的一种，本实施例以蓝宝石衬底为例进行说明。
65.参照图4，图形结构120形成为直径自图形结构120的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构，例如，可以是多棱台、多棱锥、圆台或圆锥。在本实施例中，图形结构120呈圆锥状。
66.参照图3和图4，图形结构120的第一部分121形成于衬底110的表面，且自衬底110的表面延伸形成高于衬底110的表面的凸台。第一部分121在远离衬底110的表面包括中心区1212以及围绕中心区1212的边缘区1211。第一部分121的材料可以与衬底110的材料相同，也可以不同。在本实施例中，第一部分121形成为圆台状，其材料与衬底110的材料相同，均为蓝宝石材料。
67.参照图4，图形结构120的第二部分122形成于第一部分121的中心区1212，并且，沿远离衬底110的表面的方向延伸，能够占据图形结构120顶端的部分表面。第二部分122的材料选择为能够进行外延生长的材料，使得第二部分122占据的图形结构表面能够进行外延生长。可选地，第二部分122材料的晶格常数应尽量接近后续生长外延层材料的晶格常数，以进一步避免由晶格不匹配导致的插排缺陷的产生。在可选实施例中，第二部分122的材料与第一部分121的材料相同，且与第一部分121形成为一体结构，即均为蓝宝石，可以通过刻蚀蓝宝石衬底的方式形成该第一部分121和第二部分122。第二部分122在图形结构120的顶
部可以呈任意形状，例如，圆柱状或圆锥状。在本实施例中，第二部分122在图形结构120的顶部呈圆锥形，此时，整个图形结构120也形成为锥形结构，例如圆锥结构，第二部分122的顶部即为图形结构120的顶部，并且第二部分122的顶部高于第三部分123的顶部。在可选实施例中，第三部分123的顶部可以形成为圆柱状(未详细图示)，整个图形结构120形成为锥台结构，此时，第二部分122的顶部可以与第三部分123的顶部齐平，也可以低于第三部分123的顶部。
68.在可选实施例中，中心区1212占第一部分121的表面的10％～50％，以控制形成于中心区1212上的第二部分122和形成于边缘区1211的第三部分123占据整个图形结构的比例，保证led具有最佳的出光效果。
69.参照图3，第三部分123形成于第一部分121的边缘区1211，为了提高光的提取效率，第三部分123的材料为低折射率材料，例如，第三部分123的材料可以包括sio2、si3n4、zno2、si、sic、gaas、ti3o5、tio2中的一种或多种。在本实施例中，第三部分123的材料为sio2。
70.由于第三部分123的材料表面无法进行外延生长，进而会在后续生长外延层时产生较粗的线位错。但是本实施例中图形结构的第二部分122占据了图形结构120顶端的部分表面，并且第二部分122的材料选择为能够进行外延生长的材料，使得第二部分122占据的图形结构120表面能够进行外延生长，因此能够在一定程度上减小图形结构120顶端生长的外延层内的线位错，避免后续形成的led器件产生漏电现象。
71.上述图形化衬底可以采用以下制备方法形成：
72.s101：提供一衬底；
73.参照图5a，提供一蓝宝石衬底。
74.s102：在衬底的表面形成图形结构；
75.首先，参照图5b，在衬底110上涂覆一层光刻胶(图中未示出)，经光刻工艺暴露第一待刻蚀区域，刻蚀第一待刻蚀区域以在衬底110的表面上形成周期性排列的第一图形，在可选实施例中，该第一图形为圆柱状凸起500。
76.然后，参照图5c，在图5b所示的衬底的表面形成介质层600，优选地，该介质层600为低折射率的sio2层，当然也可以是其他低折射率材料，例如si3n4、zno2、si、sic、gaas、ti3o5、tio2中的一种或多种。具体地，采用分子束外延法(mbe)或气相外延法(hvpe)等方法，在第一图形之间的衬底110表面旋涂生长介质层600至与圆柱状凸起500平齐，在该形成介质层后的平齐的表面上涂覆一层光刻胶，对光刻胶进行图案化以暴露第二待刻蚀区域。
77.刻蚀第二待刻蚀区域的介质层600及圆柱状凸起500，以形成直径自图形结构120的底部向顶部逐渐递减的锥台结构或锥形结构，获得如图4所示的图形化衬底100。
78.实施例2
79.本实施例提供一种图形化衬底，其与实施例1中的相同之处，在此不再一一赘述，其不同之处在于：
80.本实施例中，参照图6，第一部分121表面的边缘区1211形成有粗化结构300。该粗化结构300形成有高有低的表面，例如，在边缘区形成波浪形表面或者圆弧表面。在进行外延长晶时，高表面生长的外延层内产生的横向插排缺陷会与衬底表面外延层内缺陷合并，从而能够降低外延的缺陷密度，提高晶格质量。并且，由于粗化结构300形成了高低起伏的表面，增加了第一部分121的散射面积，进而具备提亮的效果，能够进一步提升出光效率。
81.实施例3
82.本实施例提供一种发光二极管，其包括实施例1或2任一所述的图形化衬底以及形成于图形化衬底具有图形结构一侧的外延层。
83.具体地，参照图7，该外延层200在图形化衬底100的表面依次包括第一半导体层201、有源层202和第二半导体层203。可选地，在第二半导体层203上形成有第一电极401，在第一半导体层201上形成有第二电极402。在第一半导体层201和第二半导体层203的表面上还依次形成有电极接触层(图中未示出)及透明导电层(图中未示出)，第一电极401和第二电极402均形成于该透明导电层上。
84.在可选实施例中，第一半导体层201可以为n型氮化镓层，第二半导体层203可以为p型氮化镓层。
85.在可选实施例中，第二部分122的材料晶格常数为接近后续生长外延层200材料的晶格常数，以进一步避免由晶格不匹配导致的插排缺陷的产生。可选地，第二部分122的晶格常数与外延层200的晶格常数之差小于第三部分123的晶格常数与外延层200的晶格常数之差。
86.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。