图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片。

背景技术

LED因具有高的发光效率及更长的使用寿命等优点，目前已经广泛的应用在背光、照明、景观等各个光源领域。进一步提高LED芯片的发光效率仍然是当前行业发展的重点。目前图形化蓝宝石衬底（PSS）与SiO

专利202010222244.X提及一种带有DBR结构的复合衬底，如图1所示，该复合图形化衬底采用了DBR结构来优化外延层与衬底界面的反射率，从而提高了LED芯片的光效。然而，由于DBR中的TiO

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种图形化衬底及制备方法以及包含该衬底的外延结构和芯片，通过设置周期性的中部多介质薄膜层，进一步优化外延层与衬底界面的反射率，提升LED的光效水平，同时通过顶部低折射材料层与过渡层的双重保护，解决中部多介质薄膜层高温清洗过程中的脱漏以及MOCVD高温生长过程中黑化的问题，实现高光效的LED外延片和芯片。

技术方案：第一方面，本发明提供了一种复合图形化衬底，包括衬底本体、设置于该衬底本体上的凸起结构，以及将所述凸起结构及衬底本体的上表面完全包覆的过渡层；所述凸起结构包括从下至上依次设置的底部图案层、中部多介质薄膜层和顶部低折射材料层。

优选地，所述底部图案层与所述衬底本体为一体同质结构；

和/或，所述底部图案层的厚度h1为10nm-500nm。

进一步地，所述中部多介质薄膜层为高折射率介质子层与低折射率介质子层交替排列组成的周期性结构；和/或，所述高折射率介质子层的材质为氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化硅Si

和/或，所述中部多介质薄膜层122为SiO

进一步地，所述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与所述凸起结构的底面积s2比例范围为30%~90%；优选地，所述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与所述凸起结构的底面积s2比例范围为60%~88%。前述比例越大，有效反射面积越大，衬底的反射效果就越好，所以实际应用中，既要保证中部多介质薄膜层的周期在一定的数量（周期较大则上述比例就会变小），以保证反射效果，也要保证前述比例在合适的范围。

优选地，在所述中部多介质薄膜层中，所述高折射率介质子层与所述低折射率介质子层的对数为1-25对，优选为2~10对；

优选地，所述高折射率介质子层1221的厚度为10nm-300nm；所述低折射率介质子层1222的厚度为50nm-400nm；优选地，高折射率介质子层1221的厚度为10-100nm；低折射率介质子层1222的厚度50nm~200nm；与所述底部图案层接触的材料是所述低折射率介质层。因为低折射率介质层与底部图案层之间的粘附性较好。

优选地，低折射率介质子层的厚度大于高折射率介质子层的厚度，厚度比为1.1~3；

优选地，所述顶部低折射材料层材质为二氧化硅；

和/或，所述顶部低折射材料层的折射率范围为1.35-1.55；

和/或，所述顶部低折射材料层的厚度h2为0-2000nm；优选为100nm~1000nm。

优选地，所述凸起结构的底径R为600 nm-5000nm；优选为1000nm~3000nm；

和/或，所述凸起结构120之间的间距S为50 nm-400 nm；

和/或，所述凸起结构为圆锥、圆台、圆柱、多棱锥或多棱台结构；

和/或，所述凸起结构呈周期性六角密堆积排布、周期性正方格子排布、准晶结构排布或高密度随机排布。

优选地，所述过渡层为AlN材质；

和/或，所述过渡层的厚度h3为5 nm ~ 90 nm；优选地，过渡层厚度为5~50nm，如5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm。

优选地，所述凸起结构与所述过渡层的总高度H为500nm-4000nm。

优选地，所述底部图案层的厚度h1＜所述中部多介质薄膜层的厚度≤所述顶部低折射材料层的厚度h3。

第二方面，本发明还提供了一种LED外延结构，包括如上述任一项所述的复合图形化衬底。

第三方面，本发明还提供了一种LED芯片，包括如第二方面所述的LED外延结构。

第四方面，本发明还提供了一种如第一方面任一项所述的复合图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：

S1：在所述衬底本体上沉积所述中部多介质薄膜层的材料；

S2：在所述中部多介质薄膜层上沉积所述顶部低折射材料层的材料；

S3：在所述顶部低折射材料层的上表面涂覆正性光刻胶，然后依次经过曝光、显影工艺，制备出光刻窗口；

S4：将所述光刻窗口内的所述顶部低折射材料层的材料及中部多介质薄膜层的材料完全刻蚀干净后，去除剩余正性光刻胶并清洗；

S5：沉积过渡层，所述过渡层将所述凸起结构及暴露的衬底本体的上表面完全包覆，得所述复合图形化衬底。

有益效果：本发明提供的复合图形化衬底，通过引入具有高反射率特性的中部多介质薄膜层，以进一步提升外延层与衬底界面的反射率，同时，通过缩短LED内光子的传输路径来降低材料层对光子的重吸收作用，从而大大提升LED芯片的发光效率；此外，本发明通过顶部低折射材料层与AlN层的双重包裹作用，彻底解决了中部多介质薄膜层材料在高温清洗过程中脱漏，以及MOCVD高温生长过程中黑化外溢等问题，有利于实现一致性高的高光效的LED外延片和芯片。

附图说明

图1为现有技术中复合图形化衬底结构示意图；

图2为本发明实施方式1复合图形化衬底结构示意图；

图3为本发明实施方式1复合图形化衬底中凸起结构的俯视图；

图4为本发明实施方式1复合图形化衬底的制备方法示意图；

图5为本发明实施方式2复合图形化衬底俯视SEM电镜图；

图6为本发明实施方式2复合图形化衬底侧面SEM电镜图；

图7为本发明实施方式2复合图形化衬底斜面SEM电镜图；

图8为本发明实施方式5LED外延结构示意图；

图9为本发明实施方式6LED芯片结构示意图；

图10包含本发明制备的复合图形化衬底的LED外延片与常规复合衬底LED外延片的PL强度对比图；

图11为包含本发明制备的复合图形化衬底的LED芯片与常规复合衬底LED芯片的光功率分布区范围对比图；

附图标注：110衬底本体；120凸起结构；121底部图案层；122中部多介质薄膜层；123顶部低折射率材料层；124过渡层；1221高折射率介质子层；1222低折射率介质子层；200N型半导体层；300多量子阱层；400P型半导体层；500电流扩展层；600电流阻挡层；700N电极；800P电极；130正性光刻胶；111凸起图文；112DBR图层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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。

针对现有技术出现的问题，本发明提供了一种复合图形化衬底，该复合图形化衬底包括衬底本体110、设置于该衬底本体110上的凸起结构120，以及将凸起结构120及衬底本体110的上表面完全包覆的过渡层124；凸起结构120包括从下至上依次设置的底部图案层121、中部多介质薄膜层122和顶部低折射材料层123。一方面中部多介质薄膜层122具有超强反射率，可以进一步优化外延层与衬底界面的反射率，提高LED芯片的光效，另一方面通过顶部低折射材料层123与过渡层124的双重保护，解决介质膜高温清洗过程脱漏与MOCVD高温生长过程中黑化的问题，实现高光效的LED外延片和芯片，同时生长区的过渡层与外延层的材料接近，可以使外延层晶体生长质量更好。本发明实施例提供的复合图形化衬底，可以提升LED的光效水平，实现高光效的LED外延片和芯片。

对于上述复合图形化衬底的具体制备方法，可以通过在该蓝宝石衬底本体110上先形成中部多介质薄膜层122和顶部低折射率材料层123，然后通过刻蚀等方式对中部多介质薄膜层122、顶部低折射率材料层123和蓝宝石衬底本体110进行图形化，从而形成凸起结构120，最后在凸起结构120和衬底本体110的上表面沉积过渡层124。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式1

本实施方式提供了一种复合图形化衬底，如图2所示，包括蓝宝石材质的衬底本体110，以及设置于该衬底本体110上的凸起结构120，以及将凸起结构120及衬底本体110的上表面完全包覆的过渡层124；凸起结构120包括从下至上依次设置的底部图案层121、中部多介质薄膜层122和顶部低折射率材料层123。

其中，衬底本体110优选采用蓝宝石衬底，底部图案层121是在蓝宝石衬底本体110上形成的与其材质相同且一体结构的图案层，即通常所说的PSS衬底。一般是通过在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶，通过曝光显影工艺后，使用干法或者湿法刻蚀形成PSS图案，去除剩余光刻胶之后，即得到具有底部图案层的衬底本体110，即PSS衬底。本实施方式中底部图案层121的厚度h1为10nm-500nm。

上述凸起结构120中的中部多介质薄膜层122是为高折射率介质子层1221与低折射率介质子层1222交替排列组成的周期性结构；高折射率介质子层1221的材质为氮化镓、氮化铝、氮化硅或氧化钛；低折射率介质子层1222的材质为氧化硅或氟化镁；高折射率介质子层1221的折射率在1.8—2.8之间，低折射率介质子层1222的折射率在1.3-1.7之间，各层厚度用光学软件模拟形成分布布拉格反射镜，中部多介质薄膜层122在380-800nm的可见光波段的反射率大于95％；

上述凸起结构120可以是圆锥结构，也可以是圆台、圆柱、多棱锥或者多棱台结构等，其在衬底本体110上呈周期性六角密堆积排布，也可以呈周期性正方格子排布、准晶结构排布或高密度随机排布，底径R为600 nm-5000nm，凸起结构120之间的间距S为50 nm-400nm。凸起结构120的形状可以是在干法刻蚀过程中自然形成，也可以是通过精确调控形成。除此之外，凸起结构120的形貌也可以是蒙古包、八角锥、六角锥、五角锥等。此处需要说明的是，上述凸起结构120仅为示意，实际的形状可能由于衬底的材质以及干法刻蚀的刻蚀工艺条件，比如刻蚀气体的体积比、流量比以及刻蚀时间、刻蚀功率等不同而不同，也可在制备中根据实际需求(如器件的发光效率)进行设定或根据需求调整结构的底宽直径、高度以及间隔等，此处不做限制。

上述过渡层124为AlN材质，厚度h3为5 nm ~ 90 nm。

如图3，上述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与上述凸起结构的底面积s2比例范围为30%~90%，根据凸起结构的高度、形状，以及中部多介质薄膜层厚度的不同，该范围可以为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，在一定范围内该比例越大，相对有效反射面积越大，衬底的反射效果就越好。

在本实施方式中，凸起结构120优选为总高度H’为2000um的蒙古包形状，其包括底部图案层121,、中部多介质膜层122和顶部低折射率材料层123；其中，中部多介质薄膜层122为材质为TiO

上述复合图形化衬底的制备方法如图4所示，包括以下步骤：

S1：在蓝宝石衬底本体110上沉积中部多介质薄膜层122的材料,具体包括：

步骤一、对蓝宝石衬底本体110进行清洗(即平面衬底清洗)：步骤1.1、依次采用丙酮、异丙醇超声清洗，然后去离子水冲洗，清洗时间为3-15min；步骤1.2、采用浓硫酸双氧水溶液高温清洗，再采用去离子水冲洗，其中：浓硫酸、双氧水和水的体积比为5：1：1，溶液温度为100°C—130°C，清洗时间为3-15min；步骤1.3、甩干机旋干，同时氮气氛围烘烤；

步骤二、在蓝宝石衬底本体110的上表面沉积中部多介质薄膜层122，具体是高折射率介质子层1221与低折射率介质子层1222交替沉积：高折射率介质子层1221的材质为氮化镓、氮化铝、氮化硅、二氧化铪、二氧化锆、五氧化二钽或氧化钛；低折射率介质子层1222的材质为氧化硅或氟化镁，可根据实际需求进行设定；

需要说明的是，在沉积中部多介质薄膜层122时，可以通过磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺、旋涂工艺、喷涂工艺和等离子增强化学气相沉积工艺中的任意一种工艺形成。其中，通过磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺、旋涂工艺、喷涂工艺和等离子增强化学气相沉积等工艺，可以精确调控中部多介质薄膜层122的厚度；

S2：在中部多介质薄膜层122上沉积顶部低折射材料层123的材料SiO

在沉积顶部低折射材料层123时，也可以通过磁控溅射工艺、旋涂工艺、喷涂工艺、旋喷工艺和等离子增强化学气相沉积工艺中的任意一种工艺形成。其中，磁控溅射工艺、电子束蒸发工艺、旋涂工艺、喷涂工艺和等离子增强化学气相沉积等工艺，可以精确调控顶部低折射材料层123的厚度h2；

S3：在顶部低折射材料层123的上表面涂覆正性光刻胶130，然后依次经过曝光、显影工艺，制备出光刻窗口；

S4：将光刻窗口内的顶部低折射材料层123的材料及中部多介质薄膜层122的材料完全刻蚀干净后，清洗去除光刻胶残胶、副产物和污染物；

在本实施方式中，上述刻蚀采用的是干法刻蚀，干法刻蚀的条件为：采用三氟甲烷(CHF

S5：通过磁控溅射方法沉积厚度h2为5nm -90 nm的AlN材质的过渡层124，过渡层124将凸起结构120及暴露的衬底本体110的上表面完全包覆，得复合图形化衬底。

实施方式2

如图5~7所示，本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于凸起结构120不同，本实施方式中，凸起结构120中的底部图案层121的厚度h1＜中部多介质薄膜层122的厚度≤所述顶部低折射材料层123的厚度h3。其中，中部多介质薄膜层122周期数为5；其中，高折射率介质子层1221的厚度为100nm；低折射率介质子层1222的厚度为180nm。且顶部低折射率材料层123厚度h2为1500nm, 底部图案层121的厚度h1为100nm, 凸起结构120的总高度H’为3000nm。上述中部多介质薄膜层最顶层的表面积s1与上述凸起结构的底面积s2比例范围为60%~88%。

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不再赘述。

实施方式3

本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于凸起结构120不同，本实施方式中，凸起结构120中的中部多介质薄膜层122为材质为Si

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不再赘述。

实施方式4

本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于凸起结构120不同，本实施方式中，凸起结构120中的中部多介质薄膜层122为材质为Ta

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不再赘述。

实施方式5

本实施方式提供了一种LED外延结构，如图8所示，包括实施方式1中的复合图形化衬底，还包括设置在复合图形化衬底之上的N型半导体层200、多量子阱层300和P型半导体层400。

其具体制备方法为：在实施方式1制备得到的复合图形化衬底上生长获得外延片(即磊晶生长)：在制备好的复合图形化衬底上用金属有机化学沉积(MOCVD)方法生长GaN基半导体层，包含N型半导体层200、多量子阱层300和P型半导体层400等完整的LED磊晶结构(即外延片)。

实施方式6

本实施方式提供了一种LED芯片，如图9所示，包括实施方式5中的LED外延结构，以及位于P型半导体层400上方的电流阻挡层600、位于电流阻挡层上方的电流扩展层500，以及电连接于N型半导体层200的N电极700和电连接于P型半导体层400的P电极800。

上述P电极800的下端设置在电流扩展层500的上表面上，上述N电极700的下端设置在多量子阱层300的上表面上。电流阻挡层600的材质为绝缘材料，绝缘材料为二氧化硅(SiO

对包含本发明制备的复合图形化衬底的LED外延片和常规复合衬底LED外延片进行分析，测试其PL强度，结果如图10。对包含本发明制备的复合图形化衬底的LED芯片和常规复合衬底LED芯片进行分析，测试其亮度，结果如图11。从对比数据看，本发明制备的LED芯片在高亮度区间的占比明显高于常规复合衬底LED芯片的占比，说明本发明可以进一步优化外延层与衬底界面的反射率，提升LED的光效水平，实现高光效的LED外延片和芯片。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。