外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片

技术领域

本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片。

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，GaN基LED通常包括蓝宝石衬底、以及层叠在蓝宝石衬底上的外延层，生长在蓝宝石衬底上的外延层的材料通常为GaN。

然而，由于蓝宝石衬底的折射率为1.77，而GaN材料的折射率为2.45，两者折射率相差较大，会导致较多的光子在蓝宝石衬底和外延层的交接界面处形成全反射，从而让大量的光子无法顺利逃逸，造成发光二极管的光效下降的问题。

发明内容

本公开实施例提供了一种外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片，能改善因光子在蓝宝石衬底和外延层的交界处形成全反射，而导致光子无法逃逸的问题，提升发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底和外延层，所述外延层位于所述蓝宝石衬底的表面；所述蓝宝石衬底靠近所述外延层的表面具有多个凸起结构，多个所述凸起结构间隔排布，所述凸起结构的折射率位于所述蓝宝石衬底的折射率和所述外延层的折射率之间。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述凸起结构的制作材料为氮化硅；或者，所述凸起结构的制作材料为氮氧化硅和氮化硅。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凸起结构包括圆柱状凸起。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凸起结构远离所述蓝宝石衬底的端面具有凹孔，所述凹孔内填充有氧化铝材料层。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凸起结构包括多个同心分布的环状凸起，所述环状凸起具有多个隔断槽，多个所述隔断槽沿所述环状凸起的周向间隔排布；所述隔断槽由所述环状凸起远离所述蓝宝石衬底的端面延伸至所述蓝宝石衬底的表面。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述蓝宝石衬底呈圆形，所述环状凸起与所述蓝宝石衬底同心分布。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述蓝宝石衬底的表面还具有多个锥形凸起，在平行于所述蓝宝石衬底靠近所述外延层的表面的至少一个方向上，所述锥形凸起与所述凸起结构交替排布。

本公开实施例了一种蓝宝石衬底的制备方法，所述制备方法包括：

提供一蓝宝石衬底；

在所述蓝宝石衬底用于外延生长的表面形成多个凸起结构，多个所述凸起结构间隔排布，所述凸起结构的折射率位于所述蓝宝石衬底的折射率和外延层的折射率之间；

在所述蓝宝石衬底上外延生长外延层。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述在所述蓝宝石衬底用于外延生长的表面形成多个凸起结构包括：在所述蓝宝石衬底的表面沉积氮化硅层；刻蚀所述氮化硅层形成所述凸起结构。

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的外延片。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本公开实施例提供的外延片包括蓝宝石衬底和位于蓝宝石衬底表面的外延层，其中，在蓝宝石衬底靠近外延层的表面具有多个间隔排布的凸起结构。凸起结构的折射率在蓝宝石衬底的折射率和外延层的折射率之间。这样在蓝宝石衬底和外延层的交接界面处增加了一层折射率位于蓝宝石衬底的折射率和外延层材料的折射率之间的材料，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

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外延片的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图；

图3是图2提供的一种蓝宝石衬底的截面图；

图4是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图；

图5是图4提供的一种蓝宝石衬底的截面图；

图6是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图；

图7是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的截面图；

图8是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底上凸起结构的分布示意图；

图9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。

图中各标记说明如下：

10、蓝宝石衬底；11、锥形凸起；

20、凸起结构；201、圆柱状凸起；202、凹孔；203、氧化铝材料层；204、环状凸起；205、隔断槽；

30、外延层。

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外延片的结构示意图。如图1所示，该外延片包括蓝宝石衬底10和外延层30，外延层30位于蓝宝石衬底10的表面。

图2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2所示，蓝宝石衬底10靠近外延层30的表面具有多个凸起结构20，多个凸起结构20间隔排布，凸起结构20的折射率位于蓝宝石衬底10的折射率和外延层30的折射率之间。

本公开实施例提供的外延片包括蓝宝石衬底和位于蓝宝石衬底表面的外延层，其中，在蓝宝石衬底靠近外延层的表面具有多个间隔排布的凸起结构。凸起结构的折射率在蓝宝石衬底的折射率和外延层的折射率之间。这样在蓝宝石衬底和外延层的交接界面处增加了一层折射率位于蓝宝石衬底的折射率和外延层材料的折射率之间的材料，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

本公开实施例中，外延层可以是依次层叠在蓝宝石衬底上的n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层，其中，多量子阱层为交替层叠的InGaN层和GaN层，即该外延层的材料为GaN。

其中，GaN的折射率为2.45，蓝宝石衬底的折射率为1.77。对于外延层材料为GaN的发光二极管芯片，凸起结构20的制作材料可以是氮化硅，氮化硅的折射率为2.0。

这样就在蓝宝石衬底和外延层的交接界面处增加了一层折射率位于蓝宝石衬底的折射率和外延层材料的折射率之间的材料，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

可选地，凸起结构20的制作材料还可以是掺有氮氧化硅的氮化硅。掺有氮氧化硅的氮化硅的折射率同样是在1.77至2.45之间，同样能满足减少交接界面处光线的全反射比例的目的。

在一些实现方式中，图3是图2提供的一种蓝宝石衬底的截面图。如图3所示，凸起结构20包括圆柱状凸起201。

将凸起结构20设置为圆柱状结构，便于加工，且在蓝宝石衬底10的表面上的圆柱状结构与外延层的接触面相对平整，能提升外延层的生长质量。

示例性地，圆柱状结构的厚度为800埃至1200埃。

圆柱状结构的厚度在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10和外延层之间形成质量较好的圆柱状结构，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

作为示例，本公开实施例中圆柱状结构的厚度为1000埃。

示例性地，圆柱状结构的直径可以是0.2μm至0.3μm。例如，圆柱状结构的直径可以是0.2μm。

圆柱状结构的直径在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10的表面上的圆柱状结构与外延层的接触面相对平整，能提升外延层的生长质量，且能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

在另一些实现方式中，图4是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图，图5是图4提供的一种蓝宝石衬底的截面图。如图4、5所示，凸起结构20包括圆柱状凸起201，凸起结构20远离蓝宝石衬底10的端面具有凹孔202，凹孔202内填充有氧化铝材料层203。

通过在蓝宝石衬底10上形成圆柱状结构，然后继续在圆柱状结构的端面形成凹孔202，并在凹孔202内填充氧化铝材料层203。这样既可以通过氮化硅制作的圆柱状结构改善蓝宝石衬底10和外延层的交接界面处的全反射，又可以通过填充的氧化铝材料层203，让蓝宝石衬底10的凸起结构20所在位置能生长出晶体质量较好的外延层。

示例性地，圆柱状结构的厚度为800埃至1200埃。

圆柱状结构的厚度在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10和外延层之间形成质量较好的圆柱状结构，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

作为示例，本公开实施例中，圆柱状结构的厚度为1000埃。

示例性地，圆柱状结构的直径可以是0.2μm至0.3μm。

圆柱状结构的直径在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10的表面上的圆柱状结构与外延层的接触面相对平整，能提升外延层的生长质量，且能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

示例性地，凹孔202的直径不大于圆柱状结构的直径。作为示例，凹孔202的直径可以是0.15μm，这样能形成比圆柱状结构的尺寸更小的氧化铝材料层203，以满足让蓝宝石衬底10的凸起结构20所在位置能生长出晶体质量较好的外延层的目的。

示例性地，凹孔202的深度和氧化铝材料层203的厚度可以相同。凹孔202的深度为30埃至70埃，氧化铝材料层203的厚度为30埃至70埃。

凹孔202的深度和氧化铝材料层203的厚度设置在以上范围内，可以保证在圆柱状凸起201内形成足量的氧化铝材料层203，以保证蓝宝石衬底10的凸起结构20所在位置能生长出晶体质量较好的外延层。

作为示例，凹孔202的深度为50埃，氧化铝材料层203的厚度为50埃。

在另外一些实现方式中，图6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6所示，凸起结构20包括多个同心分布的环状凸起204，环状凸起204远离蓝宝石衬底10的端面具有多个隔断槽205，多个隔断槽205沿环状凸起204的周向间隔排布。

如图6所示，隔断槽205由环状凸起204远离蓝宝石衬底10的端面延伸至蓝宝石衬底10的端面。

通过在环状凸起204的侧壁上形成隔断环状凸起204的隔断槽205，以形成多块周向环绕分布的扇环状凸起204，不仅能较好地利用氮化硅的折射率的优点，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率；而且还可以减少环状凸起204为连续完整的环状结构时造成的外延膜连续性的问题。

示例性地，环状凸起204的厚度为800埃至1200埃。

环状凸起204的厚度在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10和外延层之间形成质量较好的环状凸起204，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

作为示例，本公开实施例中，环状凸起204的厚度为1000埃。

示例性地，如图6所示，环状凸起204有多个，多个环状凸起204同心分布。这样可以充分利用环状凸起204的空隙空间，在空隙空间中形成足量的环状凸起204，以让氮化硅能更加均衡地分布在蓝宝石衬底10的表面，以大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

示例性地，蓝宝石衬底10呈圆形，环状凸起204与蓝宝石衬底10同心分布。

图7是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的截面图。如图7所示，蓝宝石衬底10的表面还具有多个锥形凸起11，在平行于蓝宝石衬底10靠近外延层30的表面的至少一个方向上，锥形凸起11与凸起结构20交替排布。

通过在蓝宝石衬底10上形成锥形凸起11，能改善出光时的全反射问题，且还能有效减少GaN外延材料的缺陷密度，减少了漏电比例，使发光二极管芯片的光效得到明显的改善。

示例性地，锥形凸起11的大端的直径为0.1μm至0.3μm。作为示例，锥形凸起11的大端的直径为0.2μm。

本公开实施例中，蓝宝石衬底10上的凸起结构20可以包括如图3、5、6所示凸起结构20中的至少一种。

示例性地，图8是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底上凸起结构的分布示意图。如图8所示，蓝宝石衬底10的表面上同时具有如图3、5、6所示的三种凸起结构20。

其中，蓝宝石衬底10上区域A所在位置的凸起结构20为圆柱状凸起201，蓝宝石衬底10上区域B所在位置的凸起结构20为具有凹孔202的圆柱状凸起201，且凹孔202内沉积有氧化铝材料层203，蓝宝石衬底10上区域C所在位置的凸起结构20为环状凸起204。蓝宝石衬底10上不同类的凸起结构20均间隔分布。

图9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9所示，该制备方法包括：

步骤S11：提供一蓝宝石衬底10。

步骤S12：在蓝宝石衬底10用于外延生长的表面形成多个凸起结构20。

其中，多个凸起结构20间隔排布，凸起结构20的折射率位于蓝宝石衬底10的折射率和外延层的折射率之间。

步骤S13：在蓝宝石衬底10上外延生长外延层。

该制备方法制备的外延片包括蓝宝石衬底10和位于蓝宝石衬底10上的外延层，在蓝宝石衬底10表面具有多个间隔排布的凸起结构20。其中，凸起结构20的折射率在蓝宝石衬底10的折射率和外延层的折射率之间，这样在蓝宝石衬底和外延层的交接界面处增加了一层折射率位于蓝宝石衬底的折射率和外延层材料的折射率之间的材料，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

可选地，蓝宝石衬底10为通过蓝宝石材料制备的平片结构。

在步骤S11中，可以对蓝宝石衬底10进行预处理，将蓝宝石衬底10置于MOCVD反应腔中，对蓝宝石衬底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，对蓝宝石衬底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。

示例性地，蓝宝石衬底10的厚度可以是500μm至1000μm。例如，蓝宝石衬底10的厚度可以是650μm。

在步骤S12之前，制备方法还包括：采用光刻的方式刻蚀蓝宝石衬底10，以在蓝宝石衬底10的表面形成多个锥形凸起11。

其中，多个锥形凸起11间隔排布。通过在蓝宝石衬底10上形成锥形凸起11，能改善出光时的全反射问题，且还能有效减少后续GaN外延材料的缺陷密度，减少了漏电比例，使发光二极管芯片的光效得到明显的改善。

示例性地，锥形凸起11的大端的直径为0.1μm至0.3μm。作为示例，锥形凸起11的大端的直径为0.2μm。

可选地，在蓝宝石衬底10的表面形成多个凸起结构20包括：

第一步，在蓝宝石衬底10的表面沉积氮化硅层。

在第一步中，可以采用Ar气辅助的方式沉积氮化硅层，沉积的氮化硅层的厚度为800埃至1200埃。

示例性地，沉积的氮化硅层的厚度为1000埃。氮化硅层为后续刻蚀形成凸起结构20的膜层，通过将沉积以上厚度范围的，可以保证在蓝宝石衬底10和外延层之间形成质量较好的凸起结构20，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

第二步，刻蚀氮化硅层形成凸起结构20。

刻蚀氮化硅层后可以在蓝宝石衬底10的表面形成如图3、5、6所示凸起结构20中的至少一种结构。

示例性地，制作的凸起结构20为圆柱状凸起201时，圆柱状结构的直径可以是0.2μm至0.3μm。例如，圆柱状结构的直径可以是0.2μm。

圆柱状结构的直径在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10的表面上的圆柱状结构与外延层的接触面相对平整，能提升外延层的生长质量，且能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率。

示例性地，凸起结构20为具有凹孔202的圆柱状凸起201，且凹孔202内沉积有氧化铝材料层203时，圆柱状结构的直径可以是0.2μm至0.3μm。

其中，凹孔202的直径不大于圆柱状结构的直径。作为示例，凹孔202的直径可以是0.15μm，这样能形成比圆柱状结构的尺寸更小的氧化铝材料层203，以满足让蓝宝石衬底10的凸起结构20所在位置能生长出晶体质量较好的外延层的目的。

可选地，凹孔202的深度和氧化铝材料层203的厚度可以相同。凹孔202的深度为30埃至70埃，氧化铝材料层203的厚度为30埃至70埃。

凹孔202的深度和氧化铝材料层203的厚度设置在以上范围内，可以保证在圆柱状凸起201内形成足量的氧化铝材料层203，以保证蓝宝石衬底10的凸起结构20所在位置能生长出晶体质量较好的外延层。

作为示例，凹孔202的深度为50埃，氧化铝材料层203的厚度为50埃。

其中，通过刻蚀的方式形成凹孔202后，可以通过溅射的方式，在凹孔202内形成厚度为50埃的氧化铝材料层203。

示例性地，制作的凸起结构20为环状凸起204时，可以通过刻蚀的方式在环状凸起204上形成多个隔断槽205，多个隔断槽205间隔排布。

其中，隔断槽205露出蓝宝石衬底10的表面，且隔断槽205从环状凸起204的外边缘延伸至环状凸起204的内边缘。

通过在环状凸起204的侧壁上形成隔断环状凸起204的隔断槽205，以形成多块周向环绕分布的扇环状凸起204，不仅能较好地利用氮化硅的折射率的优点，能大幅减少交接界面处光线的全反射比例，让大量光子顺利逃逸，以提升发光二极管芯片的发光效率；而且还可以减少环状凸起204为连续完整的环状结构时造成的外延膜连续性的问题。

其中，采用干法刻蚀的方式刻蚀隔断槽205，刻蚀前800埃的氮化硅层的功率为600W，刻蚀最后200埃的氮化硅层的功率为300W。

然后，去除光刻胶形成蓝宝石衬底。

步骤S13可以包括：在蓝宝石衬底10上依次外延生长n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层。

其中，多量子阱层为交替层叠的InGaN层和GaN层。

本公开实施例中，采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal OrganicChemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备实现外延层的生长。

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，在温度为1060℃环境下，生长一层厚度700nm的n型GaN层。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个周期的多量子阱层，多量子阱层中InGaN层和GaN层的厚度分别为3nm和11nm。

然后，在温度为980℃，生长压力为200torr的环境下，生长一层p型GaN层，厚度为30nm。

最后，在氮气氛围下，退火30分钟，完成外延层的生长过程。

本公开实施例提供了一种发光二极管芯片，该发光二极管芯片包括如前文所述的外延片。

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。