專利名稱：一種含有圖形化dbr結(jié)構(gòu)的襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改良的襯底結(jié)構(gòu)，特別涉及一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，用
于半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光器件包括發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)。LED應(yīng)用非常靈活，可以做成點、線、面各種形式的輕薄短小產(chǎn)品；環(huán)保效益更佳，由于光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有有害輻射，屬于典型的綠色照明光源，而且廢棄物可回收，沒有污染；同時控制極為方便，只要調(diào)整電流，就可以隨意調(diào)光強(qiáng)度，不同光色的組合變化多端，利用時序控制電路，更能達(dá)到豐富多彩的動態(tài)變化效果。LED由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，被稱為第四代照明光源或綠色光源，可廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背 光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。近年來，LED逐漸擴(kuò)展到通用照明領(lǐng)域，從證券行情到股票機(jī)，從筆記本電腦到數(shù)碼相機(jī)，從PDA到手機(jī)，從室內(nèi)照明到汽車車燈，LED無處不在。世界上一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術(shù)競賽。美國從2000年起投資5億美元實施“國家半導(dǎo)體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月提出發(fā)展中國的半導(dǎo)體照明計劃。照明用白光LED多是以藍(lán)色GaN LED為基礎(chǔ)光源，將藍(lán)色LED發(fā)出的一部分藍(lán)光用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，一部分藍(lán)色光透射出來，與熒光粉發(fā)出的黃綠光或紅光和綠光組成白光。提高白光LED光效，最主要是增加其核心器件藍(lán)色LED的出光效率，而LED效率一般包括內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率是指電子空穴對在LED有源區(qū)復(fù)合產(chǎn)生光子的效率；外量子效率是指有源區(qū)產(chǎn)生的光子引出LED后的總效率。內(nèi)量子效率主要由外延材料結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān)，外延生長過程中品格匹配、材料摻雜、PN結(jié)位移等均會影響整體LED的電子空穴的復(fù)合光子的效率，另外材料中的非輻射復(fù)合很大程度影響發(fā)光器件結(jié)溫對內(nèi)量子效率關(guān)聯(lián)較大。LED外量子效率，即出光效率，主要在減少器件各中材料對光吸收、增大出光角度、提高光出射的有效面積和方向等方面需要進(jìn)行優(yōu)化。在提高LED出光效率的諸多技術(shù)中，大多是外延生長結(jié)構(gòu)、晶體生長質(zhì)量、芯片外觀形貌、工藝粗化、背面反射鏡、光子晶體等方面進(jìn)行優(yōu)化。在圖形襯底上生長外延晶體匹配度高材料橫向外延生長缺陷少，整體LED材料質(zhì)量高電子空穴復(fù)合內(nèi)量子效率高，圖形化襯底使得光散射導(dǎo)致出光面積提高，采用圖形襯底外延的LED器件相比普通襯底外延LED器件出光效率提高30%以上。日本的日亞化學(xué)2002年在美國專利US6870191提出了圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管。指出在凹凸結(jié)構(gòu)的基板上生長的LED器件通過散射或衍射發(fā)光區(qū)域中產(chǎn)生的光提高光出射，一方面凹或凸的結(jié)構(gòu)形狀可很大程度避免半導(dǎo)體層中產(chǎn)生晶體缺陷。到目前為止圖形化襯底上生長外延結(jié)構(gòu)已成為GaN藍(lán)綠光高光效LED的普遍工藝，關(guān)于PSS的制備、結(jié)構(gòu)、外延生長等方面的專利、文章報道很多，僅在中國申請的PSS專利已近50項。
為了提高LED器件出光效率，近年來有利用設(shè)計多層介質(zhì)反射膜提高器件出光的方法報道。CN101197417A(CN200810055710. 9)公開了一種氮化鎵基發(fā)光二極管芯片，涉及在減薄的芯片背面蒸鍍反射膜，提高發(fā)光二極管光取出效率的方法，其中反射膜包括介質(zhì)膜和金屬膜，介質(zhì)膜成分為氧化硅和氧化鈦結(jié)構(gòu)。該專利從提高二極管芯片背向反射出光，利用透明無吸收高低折射率布拉格介質(zhì)反射膜對LED芯片的光產(chǎn)生高反射，輔助金屬反射月旲提聞寬波范圍反射，以提聞芯片整體反射率。光子晶體即一種將不同介電常數(shù)的介質(zhì)在空間中按一定周期排列而形成的人造晶體，光子晶體中介質(zhì)折射率的周期變化對光子的影響，破壞光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)時，如在光子晶體中加入雜質(zhì)，光子禁帶中會出現(xiàn)品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài)，具有很大的態(tài)密度，這樣便可以實現(xiàn)自發(fā)輻射的增強(qiáng)，利用光子晶體可以控制原子的自發(fā)輻射的特性，可以制作寬頻帶、低損耗的光反射鏡，可以制作高效率的發(fā)光二極管。2003年，松下電器產(chǎn)業(yè)根據(jù)光子晶體原理開發(fā)成功GaN藍(lán)色發(fā)光二極管芯片，該產(chǎn)品通過在藍(lán)色LED芯片表面大量設(shè)置基于P型GaN的直徑I. 5 ii m、高約0. 5 ii m的圓柱狀凸部(折射率2. 5)，形成凸部和凹部的空氣層(折射率1.0)沿水平方向排列的光子晶體。照射到光子晶體中的光線因其周期性折射率分布而使光線發(fā)生衍射，使原先全反射的光違反折射定律而出射。圖形化襯底外延結(jié)構(gòu)、布拉格介質(zhì)反射膜、光子晶體分別從晶體質(zhì)量、光反射出光、衍射增大出光角度等方面對提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管光提取效率給出技術(shù)方案，如何將這些提高光效的技術(shù)方案有機(jī)結(jié)合，更大程度的提高半導(dǎo)體發(fā)光管的整體光效，是今后半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)快速應(yīng)用發(fā)展的方向。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有提高LED出光效率的技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底。本發(fā)明還提供一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底的制備方法及應(yīng)用。發(fā)明概述本發(fā)明的襯底結(jié)構(gòu)特點是生長外延結(jié)構(gòu)前的襯底，先通過半導(dǎo)體工藝技術(shù)在襯底上制作出一系列的高低折射率周期分布的介質(zhì)圖形，該圖形類似PSS周期性分布，顯露的襯底用來生長GaN薄膜，高低折射率周期分布的介質(zhì)部分用來反射LED的發(fā)光。在該結(jié)構(gòu)的襯底上再進(jìn)行MOCVD外延生長，具有PSS生長外延低缺陷、高晶體質(zhì)量的特點，同時因襯底上DBR結(jié)構(gòu)可以反射有源層射向襯底的光，有效提高背向光反射和增強(qiáng)光輻射出射效率。術(shù)語解釋DBR,分布式布拉格反射鏡的常規(guī)簡稱。PSS :圖形化藍(lán)寶石襯底的常規(guī)簡稱。LED :發(fā)光二極管的簡稱。DBR圖形的周期兩個相鄰圖形中心之間的距尚；即圓形DBR周期為兩相鄰圓心的間距，非圓形DBR周期為相鄰兩個圖形各角共有圓圓心之間的間距。發(fā)明詳述
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其中在襯底平面上制出周期性的DBR圖形，所述DBR圖形的周期為6-20 u m,圖形尺寸為3-10 u m，在DBR圖形中以Ti02、Si02、Al203、Ta205、Zr2O中的兩種或三種為介質(zhì)膜材，交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為2-15個。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述DBR圖形為正方形、圓形、六角形或三角形，所述圖形尺寸是指正方形的邊長，或者圓形的直徑，六角形或正三角形各角所共有的圓的直徑。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述每個周期的介質(zhì)膜層光學(xué)厚度為外延LED有源量子阱發(fā)射主波長的四分之一。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述襯底是Al2O3襯底或SiC襯底，所述襯底厚度為200-500 ii m。Al2O3襯底或SiC襯底為生長GaN外延結(jié)構(gòu)的常用襯底，其器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用，另外在上述兩種襯底上利用SiO2掩膜外延生長器件也比較成熟。本發(fā)明優(yōu)選的，以TiO2與SiO2介質(zhì)膜材交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為3-5個。 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述介質(zhì)膜為TiO2和SiO2交替使用，電子束蒸發(fā)臺設(shè)定真空KTtorr壓力下，溫度在120°C交替蒸鍍Ti02、SiO2介質(zhì)膜，交替周期為3個，即3對Ti02、SiO2介質(zhì)膜共6層。TiO2和SiO2的折射率分別為2. 35和I. 46。LED器件中心主波長460nm，介質(zhì)膜的每個周期內(nèi)的TiO2和SiO2厚度分別為489A、789A。本發(fā)明選擇Zr02、Ti02、A1203、Ta2O5> SiO2為介質(zhì)膜材。選擇這類無吸收穩(wěn)定性好的介質(zhì)膜材，可與GaN外延生長高溫耐受性和化學(xué)穩(wěn)定性達(dá)成一致，有利于整體器件各層的穩(wěn)定性。本發(fā)明含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底的制備方法，步驟如下(I)制作光刻膠圖形化襯底在Al2O3襯底或SiC襯底上，通過電子束曝光或紫外曝光技術(shù)制出周期性的光刻膠圖形，圖形周期為6-20 ym，圖形尺寸為3-10 ym;圖形為方形、圓型、六角型或正三角型形狀。(2)制作無吸收介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu)在上述步驟(I)制得的光刻膠圖形化襯底上，蒸鍍高低折射率交替的無吸收介質(zhì)膜形成DBR結(jié)構(gòu)；所述無吸收介質(zhì)膜材料選自Ta205、Zr02、Al203、Ti02、Si02中的兩種或三種交替蒸鍍，周期為2-15個。每個周期介質(zhì)膜厚度為外延LED有源量子阱發(fā)射主波長四分之
o(3)剝離將步驟(2)制得的襯底上圖形以外區(qū)域的光刻膠及介質(zhì)膜剝離掉并清洗干凈。所得Al2O3襯底或SiC襯底上形成一個個圖形尺寸在3-10 u m、周期為6_20 y m的DBR圖形結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(I)中所述的光刻膠圖形高度l-3i!m。根據(jù)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟⑵中所述的無吸收介質(zhì)膜為TiOjP SiO2交替使用，電子束蒸發(fā)臺設(shè)定真空10_7torr壓力下，溫度在120°C交替蒸鍍Ti02、SiO2介質(zhì)膜，交替周期為3個，即3對Ti02、Si02介質(zhì)膜共6層。TiO2和SiO2的折射率分別為2. 35和I. 46。LED器件中心主波長460nm，介質(zhì)膜的每個周期內(nèi)的TiO2和SiO2厚度分別為489A、789A。
本發(fā)明的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底的應(yīng)用在本發(fā)明的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底上，按現(xiàn)有技術(shù)生長LED外延結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行芯片制作，制備出LED管芯。一種LED管芯，包括本發(fā)明的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底。本發(fā)明在襯底上制備圖形化DBR結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上生長外延層因為DBR介質(zhì)膜存在外延生長過程為高質(zhì)量GaN材料橫向外延生長晶體質(zhì)量高，材料缺陷少。另一方面因為DBR介質(zhì)膜在原襯底和GaN外延層之間插入，緩解了 GaN外延層薄膜與藍(lán)寶石襯底之間應(yīng)力失配，外延薄膜晶體質(zhì)量比常規(guī)圖形襯底更優(yōu)。
在本發(fā)明的圖形化DBR結(jié)構(gòu)襯底上外延制備LED管芯結(jié)構(gòu)，其管芯出光方面除了具有PSS LED管芯結(jié)構(gòu)出光的特點外，凸點DBR圖形很大程度上無吸收反射了背向光，增強(qiáng)了光輻射強(qiáng)度，增大出射面，提高出光效率。與現(xiàn)有提高出光技術(shù)的工藝相比本發(fā)明的創(chuàng)新點在于將圖形化襯底和DBR反射膜完好結(jié)合，有效提高外延生長薄膜質(zhì)量，提高光出光效率20%以上。


圖I本發(fā)明的襯底結(jié)構(gòu)示意圖。襯底上面制備圖形化DBR結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明實施例I襯底的俯視圖，其中，IKDBR圖形周期，兩相鄰圓心的間距。圖3是應(yīng)用本發(fā)明襯底外延制備的LED管芯結(jié)構(gòu)光出射示意圖。圖中帶箭頭的直線表示光出射方向。其中，I、襯底，2、圖形化DBR，3、N型層，4、P型層，5、有源區(qū)，6、P電極，7、N電極。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實施例I :一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，如圖1-2所示，其中在SiC襯底平面上制出周期性的DBR圖形，所述DBR圖形的周期為10 u m,圖形為圓形直徑為6 y m，在DBR圖形中以TiO2, SiO2為介質(zhì)膜材，交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為3個，共6層。制備方法如下(I)在SiC襯底上通過光刻掩模方式制備圖形襯底光刻膠結(jié)構(gòu)，其中圖形周期為10 V- m,圖形為圓形,直徑為6 y m,高度3 y m ;(2)在上述圖形襯底的圓臺上用電子束蒸發(fā)方式蒸鍍高低折射率的介質(zhì)反射膜，其中介質(zhì)膜材料TiO2和SiO2,介質(zhì)膜系設(shè)計光學(xué)厚度每個周期的膜厚為LED量子阱發(fā)射光主波長的四分之一；電子束蒸發(fā)臺設(shè)定真空10_7torr壓力下，溫度在120°C交替蒸鍍1102和SiO2介質(zhì)膜，周期為3對；Ti02和SiO2的折射率分別為2. 35和I. 46。LED器件中心主波長460nm，介質(zhì)膜的每個周期內(nèi)的TiO2和SiO2厚度分別為489A、789A。(3)剝離將步驟⑵制得的襯底上圖形以外區(qū)域的光刻膠及介質(zhì)膜剝離掉并清洗干凈。所得SiC襯底上形成一個個圖形尺寸在6 u m、周期為10 i! m的DBR圖形結(jié)構(gòu)。實施例2 :含有實施例I圖形化DBR結(jié)構(gòu)襯底的LED管芯器件在實施例I處理干凈的圖形化DBR結(jié)構(gòu)襯底上，利用MOCVD技術(shù)生長LED外延結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行芯片制作，制備出LED管芯器件；如圖3所示。實施例3 一種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其中在Al2O3襯底平面上制出周期性的DBR圖形，所述DBR圖形的周期為15 iim，圖形為六角形，六角所在圓的直徑為8 iim，在DBR圖形中以Ti02、Ta205、Si02為介質(zhì)膜材，交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為4個，共12層。制備方法，步驟如下(I)在Al2O3襯底上通過光刻掩模方式制備圖形襯底光刻膠結(jié)構(gòu)，其中圖形周期為15 ii m,圖形為圓形,直徑為8 ii m,高度2 y m。(I)蒸鍍無吸收高反射DBR介質(zhì)膜Ti02、Ta2O5, SiO2的復(fù)合的膜
在步驟(I)制得的Al2O3襯底上，用電子束蒸發(fā)方式蒸鍍高低折射率交替的無吸收介質(zhì)膜形成DBR結(jié)構(gòu)；所述無吸收介質(zhì)膜材料選自Ti02、Ta2O5, SiO2三種交替使用，交替周期為4個，每周期介質(zhì)膜厚度為外延LED有源量子阱發(fā)射波長四分之一。Ti02、Ta2O5、和SiO2的折射率分別為2. 35,2. 06和I. 46。(3)將步驟(2)制得的襯底上圖形以外區(qū)域的光刻膠及介質(zhì)膜剝離掉并清洗干凈。所得SiC襯底上形成一個個圖形尺寸在8 ilm、周期為15 ilm的DBR圖形結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.ー種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，在襯底平面上制出周期性的DBR圖形，所述DBR圖形的周期為6-20 μ m,圖形尺寸為3-10 μ m，在DBR圖形中以Ti02、Si02、Al203、Ta2O5, Zr2O中的兩種或三種為介質(zhì)膜材，交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為2_15個。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，所述DBR圖形為正方形、圓形、六角形或三角形，所述圖形尺寸是指正方形的邊長，或者圓形的直徑，六角形或正三角形各角所共有的圓的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，所述每個周期的介質(zhì)膜層光學(xué)厚度為外延LED有源量子阱發(fā)射主波長的四分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，所述襯底是Al2O3襯底或SiC襯底，所述襯底厚度為200-500 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，以TiO2與SiO2介質(zhì)膜材交替蒸鍍在襯底的DBR圖形上，交替周期為3-5個。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于，所述介質(zhì)膜為TiO2和SiO2,電子束蒸發(fā)臺設(shè)定真空10_7torr壓カ下，溫度在120°C交替蒸鍍Ti02、Si02介質(zhì)膜，交替周期為3個；Ti02和SiO2的折射率分別為2. 35和I. 46 ；LED器件中心主波長460nm,介質(zhì)膜的每個周期內(nèi)的TiO2和SiO2厚度分別為489A、789A。
7.ー種含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底的制備方法，步驟如下 (1)制作光刻膠圖形化襯底 在Al2O3襯底或SiC襯底上，通過電子束曝光或紫外曝光技術(shù)制出周期性的光刻膠圖形，圖形周期為6-20 μ m,圖形尺寸為3-10 μ m ;圖形為方形、圓型、六角型或正三角型形狀； (2)制作無吸收介質(zhì)膜DBR結(jié)構(gòu) 在上述步驟(I)制得的光刻膠圖形化襯底上，蒸鍍高低折射率交替的無吸收介質(zhì)膜形成DBR結(jié)構(gòu)；所述無吸收介質(zhì)膜材料選自Ta205、Zr02、Al203、Ti02、Si02中的兩種或三種交替蒸鍍，周期為2-15個；每個周期介質(zhì)膜厚度為外延LED有源量子阱發(fā)射主波長四分之一； (3)剝離 將步驟(2)制得的襯底上圖形以外區(qū)域的光刻膠及介質(zhì)膜剝離掉并清洗干凈；所得Al2O3襯底或SiC襯底上形成一個個圖形尺寸在3-10 μ m、周期為6_20 μ m的DBR圖形結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底的制備方法，其特征在干，步驟(2)中所述的無吸收介質(zhì)膜為TiO2和SiO2交替使用，電子束蒸發(fā)臺設(shè)定真空KTtorr壓カ下，溫度在120°C交替蒸鍍Ti02、SiO2介質(zhì)膜，交替周期為3個，即3對Ti02、SiO2介質(zhì)膜共6層；Ti02和SiO2的折射率分別為2. 35和I. 46 ；LED器件中心主波長460nm，介質(zhì)膜每個周期中TiO2和SiO2的厚度分別為489A、789A。
9.權(quán)利要求1-6任一項所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在所述含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底上，按現(xiàn)有技術(shù)生長LED外延結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行芯片制作，制備出LED管芯。
10.ー種LED管芯，包括權(quán)利要求1-6任一項所述的含有圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖形化DBR結(jié)構(gòu)的襯底，是在襯底平面上制出周期性的DBR圖形，所述DBR圖形的周期為6-20μm，在DBR圖形中交替蒸鍍高低折射率的介質(zhì)膜。在該結(jié)構(gòu)的襯底上生長外延薄膜晶體質(zhì)量高、缺陷少，芯片器件出光效率高，適合大功率高亮度LED器件制備應(yīng)用。
文檔編號H01L33/10GK102683532SQ20111005854
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者張木青, 徐現(xiàn)剛, 李樹強(qiáng), 沈燕, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司