蓝宝石衬底、发光二极管芯片和衬底的制备方法

技术领域

本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种蓝宝石衬底、发光二极管芯片和衬底的制备方法。

背景技术

发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片，外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。

相关技术中，生长外延片时，先将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备的反应腔内的托盘上。然后，通过MOCVD设备中的加热丝加热托盘中的蓝宝石衬底，并向反应腔内通入原材料，以在蓝宝石衬底上外延生长形成外延片。

然而，相关技术中蓝宝石衬底多为平板结构，该类蓝宝石衬底存在光提取效率低下的问题，且在该类蓝宝石衬底上外延生长的氮化物薄膜也容易出现位错密度和晶格适配度高的问题，从而影响LED的发光效率和使用寿命。

发明内容

本公开实施例提供了一种蓝宝石衬底、发光二极管芯片和衬底的制备方法，能改善蓝宝石衬底光提取效率低的问题，减少蓝宝石衬底上生长氮化物的位错密度，提升晶体质量和芯片的发光效率。所述技术方案如下：

第一方面，本公开实施例提供了一种蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底包括：衬底本体，所述衬底本体的一表面具有多个盲孔，多个所述盲孔间隔排布；所述盲孔包括相连的沉孔段和锥孔段，所述沉孔段的一端与所述锥孔段的小端同轴相连，所述锥孔段的大端位于所述衬底本体的表面；所述盲孔至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔，同一组所述盲孔中，相邻的两个所述盲孔中的一个所述盲孔的沉孔段内具有第一材料层，相邻的两个所述盲孔中的另一个所述盲孔的沉孔段内具有第二材料层，所述第一材料层的折射率与所述第二材料层的折射率不同。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述第一材料层的折射率为1至3，所述第二材料层的折射率为1至3。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述第一材料层为氧化硅层，所述第二材料层为氧化钛层。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述第一材料层的厚度不大于所述沉孔段的长度，所述第二材料层的厚度不大于所述沉孔段的长度。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述第一材料层的厚度与所述第二材料层的厚度相同。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述沉孔段的孔径为100nm至600nm，所述沉孔段的长度为100nm至500nm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述锥孔段的长度为100nm至500nm，所述锥孔段的大端的直径为800nm至1200nm，所述锥孔段的小端的直径为500nm至700nm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，相邻两个所述盲孔之间的间距为800nm至1500nm。

第二方面，本公开实施例提供了一种蓝宝石衬底的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底本体；

在所述衬底本体的表面刻蚀形成多个盲孔，多个所述盲孔间隔排布，所述盲孔包括相连的沉孔段和锥孔段，所述沉孔段的一端与所述锥孔段的小端同轴相连，所述锥孔段的大端位于所述衬底本体的表面，所述盲孔至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔，同一组所述盲孔中，相邻的两个所述盲孔中的一个所述盲孔的沉孔段内具有第一材料层，相邻的两个所述盲孔中的另一个所述盲孔的沉孔段内具有第二材料层，所述第一材料层的折射率与所述第二材料层的折射率不同。

第三方面，本公开实施例提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括如前文所述蓝宝石衬底。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本公开实施例提供蓝宝石衬底包括衬底本体，衬底本体的表面设有多个间隔排布的盲孔，盲孔包括沉孔段和锥孔段，沉孔段的一端和锥孔段的小端相连，锥孔段的大端位于衬底本体的表面。这样在衬底本体的表面形成多个锥形曲面，有利于降低在衬底本体上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

并且，盲孔至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔，在同一组盲孔的相邻的两个盲孔中，一个盲孔的沉孔内填充有第一材料层，另一个盲孔中填充有第二材料层，由于第一材料层和第二材料层的折射率不同，以使得第一材料层、衬底本体和第二材料层在横向上可形成布拉格反射镜结构，这样就能让光线在布拉格反射镜结构中经过多次反射后出光，以增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的俯视图；

图3是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的制备方法的流程图；

图4是本公开实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图。

图中各标记说明如下：

10、衬底本体；

20、盲孔；210、沉孔段；220、锥孔段；

31、第一材料层；32、第二材料层；

41、低温AlN层；42、高温AlN层；43、n型AlGaN层；44、多量子阱层；45、p型AlGaN阻挡层；46、p型AlGaN层；47、p型GaN层。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

图1是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图。如图1所示，该蓝宝石衬底包括：衬底本体10，衬底本体10的一表面具有多个盲孔20，多个盲孔20间隔排布。

如图1所示，盲孔20包括相连的沉孔段210和锥孔段220，沉孔段210的一端与锥孔段220的小端同轴相连，锥孔段220的大端位于衬底本体10的表面。

其中，盲孔20至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔20。如图1所示，同一组盲孔20中，相邻的两个盲孔20中的一个盲孔20的沉孔段210内具有第一材料层31，相邻的两个盲孔20中的另一个盲孔20的沉孔段210内具有第二材料层32，第一材料层31的折射率与第二材料层32的折射率不同。

本公开实施例提供蓝宝石衬底包括衬底本体10，衬底本体10的表面设有多个间隔排布的盲孔20，盲孔20包括沉孔段210和锥孔段220，沉孔段210的一端和锥孔段220的小端相连，锥孔段220的大端位于衬底本体10的表面。这样在衬底本体10的表面形成多个锥形曲面，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

并且，盲孔20至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔20，在同一组盲孔20的相邻的两个盲孔20中，一个盲孔20的沉孔段210内填充有第一材料层31，另一个盲孔20中填充有第二材料层32，由于第一材料层31和第二材料层32的折射率不同，以使得第一材料层31、衬底本体10和第二材料层32在横向上可形成布拉格反射镜结构，这样就能让光线在布拉格反射镜结构中经过多次反射后出光，以增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

可选地，第一材料层31的折射率为1至3，第二材料层32的折射率为1至3。

示例性地，第一材料层31为氧化硅层，氧化硅的折射率为1.2。第二材料层32为氧化钛层，氧化钛的折射率为1.5。

这样在相邻的两个盲孔20中，一个盲孔20的沉孔段210内填充氧化硅层，另一个盲孔20中填充氮化硅层，以在衬底本体10上形成交替分布的氧化硅层和氮化硅层。由于氧化硅层和氮化硅层的折射率不同，以使得氧化硅层、衬底本体10和氮化硅层在横向上可形成布拉格反射镜结构，这样就能让光线在布拉格反射镜结构中经过多次反射后出光，以增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

可选地，如图1所示，第一材料层31的厚度不大于沉孔段210的长度，第二材料层32的厚度不大于沉孔段210的长度。

通过将第一材料层31、第二材料层32填充在各自相应的沉孔段210内，并控制第一材料层31的厚度不超过沉孔段210的长度，且控制第二材料层32的厚度不超过沉孔段210的长度，以确保第一材料层31不会延伸到锥孔段220，第二材料层32不会延伸至锥孔段220。这样在保证衬底本体10上有足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构，提升蓝宝石衬底的光提取效率；同时，由于第一材料层31和第二材料层32不会延伸至锥孔段220，所以，也能保证锥形孔在衬底本体10的表面形成锥形曲面的完整性，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

作为示例，本公开实施例中，第一材料层31的厚度可以与沉孔段210的长度相同，第二材料层32的厚度可以与沉孔段210的长度相同。这样能通过第一材料层31和第二材料层32分别填充满各自对应的沉孔段210，以保证衬底本体10上有足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构，提升蓝宝石衬底的光提取效率。

作为示例，本公开实施例中，第一材料层31的厚度可以是沉孔段210的长度的二分之一，第二材料层32的厚度可以是沉孔段210的长度的二分之一。这样通过在通孔内填充适量的第一材料层31和第二材料层32，在保证衬底本体10上有足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构的前提下，还能有效节省制备成本。

可选地，第一材料层31的厚度与第二材料层32的厚度相同。

示例性地，第一材料层31为氧化硅层，第二材料层32为氧化钛层，将氧化硅层的厚度和第二材料层32的厚度设置成相同，能形成反光效果更好的布拉格反射镜结构，以进一步增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

可选地，第一材料层31的厚度可以与第二材料层32的厚度不同。

示例性地，若第一材料层31的制作成本大于第二材料层32的制作成本，第一材料层31的厚度可以大于第二材料层32的厚度。这样通过只设置合适的第二材料层32，在保证衬底本体10上有足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构的前提下，还能有效节省制备成本。

示例性地，若第一材料层31的制作成本小于第二材料层32的制作成本，第一材料层31的厚度可以小于第二材料层32的厚度。这样通过只设置合适的第一材料层31，在保证衬底本体10上有足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构的前提下，还能有效节省制备成本。

可选地，如图1所示，沉孔段210的孔径为100nm至600nm，沉孔段210的长度为100nm至500nm。

示例性地，沉孔段210的孔径为400nm，沉孔段210的长度为300nm。通过将沉孔段210设置为该尺寸，能确保在沉孔段210内填充足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构，提升蓝宝石衬底的光提取效率。

可选地，如图1所示，锥孔段220的长度为100nm至500nm，锥孔段220的大端的直径为800nm至1200nm，锥孔段220的小端的直径为500nm至700nm。

示例性地，锥孔段220的长度为400nm，锥孔段220的小端的直径为400nm，锥孔段220的大端的直径为600nm。通过将锥孔段220设置为该尺寸，以衬底本体10的表面形成合适的锥形曲面，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

本公开实施例中，位于衬底本体10的表面上的盲孔20均匀分布，且覆盖衬底本体10的各处表面，以使形成的布拉格反射镜能均衡地分布在衬底本体10的表面上，提升光提取效率。

示例性地，图2是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的俯视图。如图2所示，盲孔20阵列排布于衬底本体10的表面。其中，相邻两个盲孔20之间的间距为800nm至1500nm。

作为示例，相邻两个盲孔20之间的间距为800nm。

需要说明的是，盲孔20还可以采用其他的方式排布在衬底本体10的表面，只要满足盲孔20均分分布即可，本公开实施例不做限制。

图3是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的制备方法的流程图。如图3所示，该制备方法包括：

步骤S11：提供一衬底本体10。

步骤S12：在衬底本体10的表面刻蚀形成多个盲孔20。

其中，多个盲孔20间隔排布，盲孔20包括相连的沉孔段210和锥孔段220，沉孔段210的一端与锥孔段220的小端同轴相连，锥孔段220的大端位于衬底本体10的表面。盲孔20至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔20，同一组盲孔20中，相邻的两个盲孔20中的一个盲孔20的沉孔段210内具有第一材料层31，相邻的两个盲孔20中的另一个盲孔20的沉孔段210内具有第二材料层32，第一材料层31的折射率与第二材料层32的折射率不同。

通过该制备方法制备的蓝宝石衬底包括衬底本体10，衬底本体10的表面设有多个间隔排布的盲孔20，盲孔20包括沉孔段210和锥孔段220，沉孔段210的一端和锥孔段220的小端相连，锥孔段220的大端位于衬底本体10的表面。这样在衬底本体10的表面形成多个锥形曲面，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

并且，盲孔20至少包括一组沿同一直线间隔排布的盲孔20，同一组盲孔20的相邻的两个盲孔20中，一个盲孔20内填充有第一材料层31，另一个盲孔20中填充有第二材料层32，由于第一材料层31和第二材料层32的折射率不同，以使得第一材料层31、衬底本体10和第二材料层32在横向上可形成布拉格反射镜结构，这样就能让光线在布拉格反射镜结构中经过多次反射后出光，以增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

可选地，衬底本体10为通过蓝宝石材料制备的平片结构。

在步骤S11中，可以对衬底本体10进行预处理，将衬底本体10置于MOCVD反应腔中，对衬底本体10进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对衬底本体10进行烘烤处理15分钟。

具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时MOCVD反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。

步骤S12中，在衬底本体10的表面形成盲孔20的过程可以包括：

首先，采用干法刻蚀的方式在衬底本体10的表面刻蚀形成初始沉孔，初始沉孔的长度为沉孔段210和锥孔段220的长度之和。

然后，采用干法刻蚀的方式在初始沉孔的基础上继续刻蚀，以形成锥孔段220，这样就让被刻蚀的初始沉孔形成沉孔段210，以完成盲孔20的制备。

可选地，如图1所示，沉孔段210的孔径为100nm至600nm，沉孔段210的长度为100nm至500nm。

示例性地，沉孔段210的孔径为400nm，沉孔段210的长度为300nm。通过将沉孔段210设置为该尺寸，能确保在沉孔段210内填充足量的第一材料层31和第二材料层32，以形成布拉格反射镜结构，提升蓝宝石衬底的光提取效率。

可选地，如图1所示，锥孔段220的长度为100nm至500nm，锥孔段220的大端的直径为800nm至1200nm，锥孔段220的小端的直径为500nm至700nm。

示例性地，锥孔段220的长度为400nm，锥孔段220的小端的直径为400nm，锥孔段220的大端的直径为600nm。通过将锥孔段220设置为该尺寸，以衬底本体10的表面形成合适的锥形曲面，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

可选地，第一材料层31为氧化硅层，氧化硅的折射率为1.2。第二材料层32为氧化钛层，氧化钛的折射率为1.5。

这样在衬底本体10上形成交替分布的氧化硅层和氮化硅层。由于氧化硅层和氮化硅层的折射率不同，以使得氧化硅层、衬底本体10和氮化硅层在横向上可形成布拉格反射镜结构，这样就能让光线在布拉格反射镜结构中经过多次反射后出光，以增加光折射到空气中的几率，提升光提取效率，并提高芯片的亮度。

本公开实施例中，在衬底本体10的表面刻蚀形成盲孔20后，可以采用原子层沉积(Atomic layer deposition，简称ALD)技术于各盲孔20的沉孔段210内沉积氧化硅或氧化钛。

示例性地，氧化硅层的厚度不大于沉孔段210的长度，氧化钛层的厚度不大于沉孔段210的长度。

通过将氧化硅层、氧化钛层填充在各自相应的沉孔段210内，并控制氧化硅层的厚度不超过沉孔段210的长度，且控制氧化钛层的厚度不超过沉孔段210的长度，以确保氧化硅层不会延伸到锥孔段220，氧化钛层不会延伸至锥孔段220。保证衬底本体10上有足量的氧化硅层和氧化钛层，以形成布拉格反射镜结构，提升蓝宝石衬底的光提取效率；且氧化硅层和氧化钛层不会延伸至锥孔段220，能保证锥形孔在衬底本体10的表面形成锥形曲面的完整性，有利于降低在衬底本体10上外延生长的氮化物薄膜的位错密度，以提升氮化物薄膜的晶体质量。

作为示例，氧化硅层的厚度为300nm，氧化钛层的厚度为300nm。

图4是本公开实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图。如图4所示，该发光二极管芯片包括如前文所述的蓝宝石衬底。

如图4所示，发光二极管芯片还包括层叠于蓝宝石衬底上的外延片，外延片包括依次层叠的低温AlN层41、高温AlN层42、n型AlGaN层43、多量子阱层44、p型AlGaN阻挡层45、p型AlGaN层46和p型GaN层47。

本公开实施例中，采用高温MOCVD设备实现外延片的生长。其中，采用高纯氢气或高纯氮气或高纯氢气和高纯氮气的混合气体作为载气，高纯氨气作为氮源，三甲基镓及三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，硅烷作为N型掺杂剂，即Si源，三甲基铝作为铝源，二茂镁作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100torr至600torr。

具体制备过程如下：

首先，将蓝宝石衬底作为生长衬底特殊清洗处理。

然后，将衬底放入MOCVD中，生长低温AlN层41。MOCVD的工艺温度为1100℃，压力为100torr，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为3000，工艺时间为1000s。

接着，升温到1350℃生长一层厚度2.5μm的高温AlN层42。生长压力为100torr，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为300，工艺时间为5000s。

然后，在温度为1060℃环境下，生长一层厚度700nm的掺杂硅烷的n型AlGaN层43。生长压力为200torr。

接着，在氮气氛围且生长压力为150torr，温度为1040℃条件下，生长5个周期的Al

接着，在温度为980℃，生长压力为200torr的环境下，生长一层掺杂Mg的p型AlGaN阻挡层45，厚度为30nm。

然后，在温度为900℃，生长压力为300torr的环境下，生长一层掺杂Mg的p型AlGaN层46，厚度为25nm。

接着，在温度为850℃，生长压力为400torr的环境下，生长一层掺杂Mg的p型GaN层47，厚度为5nm。

最后，在氮气氛围下，退火30分钟，完成外延片的生长过程。

以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。