CN112701197A - 一种图形化复合衬底、制备方法及led外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种图形化复合衬底、制备方法及LED外延片。该图形化复合衬底包括：图形化基板，所述图形化基板表面蚀刻有微结构；单晶三氧化二铝薄膜，所述单晶三氧化二铝薄膜均匀覆盖在所述微结构上；所述图形化基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述图形化基板的热导率高于三氧化二铝的热导率。本发明实施例解决了现有蓝宝石衬底刻蚀效率低、导热性能较差的问题，可以改善蚀刻效率，使制备工艺简单化，优化散热能力，同时能够保证外延生长质量，有助于制备性能优异的LED芯片。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图形化复合衬底、制备方法及LED外延片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的光电转换效率直接决定了LED元件的发光强度，它主要由内量子效率与出光效率构成。内量子效率指在有源区电子与空穴结合产生光子的效率，它受外延缺陷影响；出光效率指产生光子出射到器件外部的效率，它受器件结构设计影响。目前，用于GaN外延生长的衬底基板主流是采用图形化的三氧化二铝衬底，这是由于三氧化二铝具有物化性质稳定、价格低、透光性好等优点，同时图形化结构的三氧化二铝衬底能够有效抑制外延缺陷、提高出光效率。
但是，在图形化三氧化二铝的制造与使用过程中，存在以下问题：(1)三氧化二铝性质稳定，Al-O化学键键能高，主流的干法刻蚀工艺刻蚀效率仍然较低。例如，相同条件下，采用电感耦合等离子刻蚀二氧化硅与三氧化二铝，前者速率是后者的约2倍。(2)三氧化二铝导热性不佳，在一定程度上限制了LED元件的散热性能。
发明内容
本发明提供一种图形化复合衬底、制备方法及LED外延片，以替代传统的三氧化二铝衬底，可以保证制备工艺简单化，优化散热能力，同时能够保证外延生长质量。
第一方面，本发明实施例提供了一种图形化复合衬底，包括：
图形化基板，所述图形化基板表面蚀刻有微结构；
单晶三氧化二铝薄膜，所述单晶三氧化二铝薄膜均匀覆盖在所述微结构上；
所述图形化基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述图形化基板的热导率高于三氧化二铝的热导率。
可选地，所述单晶三氧化二铝薄膜的厚度在50-1000nm。
可选地，所述微结构包括圆锥体、多边形椎体、椭圆锥体、圆柱、圆台中的至少一种。
可选地，所述图形化基板的材质为氧化物、氮化物、碳化物和金属单质中的至少一种。
第二方面，本发明实施例还提供了一种图形化复合衬底的制备方法，包括：
提供一基板，所述基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述基板的热导率高于三氧化二铝的热导率；
在所述基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板；
在所述图形化基板表面形成金属铝薄膜，所述金属铝薄膜均匀覆盖在所述微结构上；
对所述金属铝薄膜进行氧化热处理，将所述金属铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜。
可选地，对所述金属铝薄膜进行氧化热处理，将所述金属铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜，包括：
对所述金属铝薄膜进行低温氧化热处理，形成多晶三氧化二铝薄膜；
对所述多晶三氧化二铝薄膜进行高温氧化热处理，形成单晶三氧化二铝薄膜。
可选地，所述低温氧化热处理的温度在200-500℃，时间为12-36h。
可选地，所述高温氧化热处理的温度在1000-1500℃，时间为6-36h。
可选地，在所述基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板，包括：
在所述基板表面涂覆聚合物胶层；
采用光刻工艺或纳米压印工艺对所述聚合物胶层进行图案化，形成聚合物掩膜；
根据所述聚合物掩膜，对所述基板蚀刻，在所述基板表面形成微结构。
第三方面，本发明实施例还提供了一种LED外延片，包括如第一方面任一项所述的图形化复合衬底。
本发明实施例提供的图形化复合衬底、制备方法及LED外延片，通过设置图形化基板，在图形化基板表面蚀刻微结构，同时在微结构上均匀覆盖单晶三氧化二铝薄膜，图形化基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述图形化基板的热导率高于三氧化二铝的热导率，可以利用图形化基板蚀刻速率高于三氧化二铝，实现较低的蚀刻难度，简化图形化复合衬底的制备工艺；或者可以利用图形化基板的热导率高于三氧化二铝，使得图形化复合衬底导热性能更优，保证LED芯片的散热能力。同时还可以利用图形化基板上的微结构以及在图形化基板表面均匀覆盖的单晶三氧化二铝薄膜，保证外延层的生长，降低外延生长时产生的缺陷，避免过多的晶格失配，保证外延层的生长质量。本发明实施例解决了现有蓝宝石衬底刻蚀效率低、导热性能较差的问题，可以改善蚀刻效率，使制备工艺简单化，优化散热能力，同时能够保证外延生长质量，有助于制备性能优异的LED芯片。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图；
图5是图4所示图形化复合衬底的制备方法的结构流程图；
图6是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的制备方法的流程图；
图7是图6所示图形化复合衬底制备方法的结构流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的结构示意图，参考图1，该图形化复合衬底包括图形化基板10，图形化基板10表面蚀刻有微结构11；单晶三氧化二铝薄膜20，单晶三氧化二铝薄膜20均匀覆盖在微结构11上；图形化基板10的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或图形化基板10的热导率高于三氧化二铝的热导率。
其中，图形化基板10可采用蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率的材料制成。此时，相比于三氧化二铝材质的衬底即蓝宝石衬底，图形化基板10在主流的干法刻蚀进行图形化工艺制备时，其刻蚀效率较高，并且图形化的微结构形状更容易控制。需要说明的是，刻蚀速率的比较是在相同刻蚀条件下的比较，例如采用相同腐蚀液、刻蚀气体、相同温度和相同刻蚀时间等条件。同时，图形化基板10也可采用热导率高于三氧化二铝的热导率的材料制备形成。相比于蓝宝石衬底，图形化基板10可以实现较好的导热效率，有助于LED芯片的及时散热，避免LED芯片发生故障。单晶三氧化二铝薄膜20则是通过金属铝薄膜通过热处理方式形成，其固有属性(晶格失配度、热失配度、导电性、导热性、光学性质)与单纯的三氧化二铝衬底即蓝宝石衬底一致，单晶三氧化二铝薄膜20上可以如蓝宝石衬底一样，进行外延层的生长，保证外延层具有较低的晶格失配度、热失配度等。图形化基板10上形成的微结构11可以释放外延层生长时的应力，降低外延生长时产生的缺陷。
本发明实施例提供的图形化复合衬底，通过设置图形化基板，在图形化基板表面蚀刻微结构，同时在微结构上均匀覆盖单晶三氧化二铝薄膜，图形化基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或图形化基板的热导率高于三氧化二铝的热导率，可以利用图形化基板蚀刻速率高于三氧化二铝，实现较低的蚀刻难度，简化图形化复合衬底的制备工艺；或者可以利用图形化基板的热导率高于三氧化二铝，使得图形化复合衬底导热性能更优，保证LED芯片的散热能力。同时还可以利用图形化基板上的微结构以及在图形化基板表面均匀覆盖的单晶三氧化二铝薄膜，保证外延层的生长，降低外延生长时产生的缺陷，避免过多的晶格失配，保证外延层的生长质量。本发明实施例提供的图形化复合衬底解决了现有蓝宝石衬底刻蚀效率低、导热性能较差的问题，可以改善蚀刻效率，使制备工艺简单化，优化散热能力，同时能够保证外延生长质量，有助于制备性能优异的LED芯片。
如上实施例提供的图形化复合衬底中，可选地，单晶三氧化二铝薄膜的厚度范围为50-1000nm。其中，通过设置单晶三氧化二铝薄膜的厚度不低于50nm，可以保证单晶三氧化二铝薄膜在图形化基板上的均匀覆盖，从而避免裸露的图形化基板抑制外延生长，确保外延材料在单晶三氧化二铝薄膜上的生长。同时，设置单晶三氧化二铝薄膜的厚度不高于1000nm，可以确保单晶三氧化二铝薄膜不会将图形化基板表面的微结构平坦化，保证外延生长时应力的有效释放，改善外延生长质量。
如上实施例提供的图形化复合衬底中，图形化基板可选蚀刻速率或热导率优于三氧化二铝的材料进行制备。优选地，也可选用同时具备蚀刻速率和热导率均优于三氧化二铝的材料。具体地，图形化基板可选择氧化物、氮化物和碳化物等材质，还可以是金属单质。例如SiOx，ZnO，TiOx，TaOx，HfO2，ZrOx，AlOx，GaOx，MgOx，BaOx，InOx，SnO2，LiOx，CaOx，CuOx，IrOx，RhOx，CdGeO，InGaZnO，ZnRhO，GaIn2O4，LaO，LaCuO等，氮化物可以是SiNx、TiN、WN、CN、BN、LiN、TiON、SiON、CrN、CrNO等，碳化物可以是SiC、HfC、ZrC、WC、TiC、CrC等，单质则可以是金刚石，Si，Mo，Cu，Fe，Ag，Wu，Ni，Al等。上述材料中，二氧化硅以及金属单质等材料的刻蚀速率在相同的刻蚀条件下高于三氧化二铝的刻蚀速率。因此，可选择二氧化二硅或金属单质替代传统的蓝宝石衬底，以降低基板的蚀刻难度。上述材料中，碳化硅、氧化锌、氮化镓以及金属单质等材料的热导率要高于三氧化二铝，因此，可选择碳化硅、氧化锌、氮化镓以及金属单质等材料替代传统的蓝宝石衬底，以保证图形化基板的散热能力。需要注意的是，在选择图形化基板材料时，还需考虑材料的导电性以及价格成本。具体地，对于垂直结构的LED芯片，其图形化基板承担导电功能，因而还需保证图形化基板材料具备较优的导电性能。
此外，考虑到不同结构LED芯片的出光方式，图形化复合衬底为出光侧或反光侧。因此，为了改善出光效率，增加光线的透射，减少光线的全反射，可以将图形化基板的折射率设置为逐渐增大或逐渐减小。因此，可设置图形化基板由多种材料的混合或层叠形成，本领域技术人员可根据实际材料的折射率进行设计，此处不做限制。除此之外，考虑到图形化基板需要进行蚀刻形成微结构，不同材质的蚀刻工艺难度以及出光性能不同，本领域技术人员也可采用不同材料制备该图形化基板。
在图形化基板表面形成的微结构，一方面可以减少光线的全反射，另一方面可以减少外延层生长缺陷，释放外延生长应力，而具体的微结构的形状也决定了具体的减反效果和减少外延生长缺陷的效果。因此，本发明实施例提供的图形化复合衬底中，微结构可设置为圆锥体、多边形椎体、椭圆椎体、圆柱、圆台中的至少一种。图2是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图，示例性地参考图2，与图1所示图形化复合衬底中设置圆锥体或多边形椎体、椭圆锥体不同，图2所示的图形化复合衬底中，图形化基板10上形成的微结构11也可以是圆台状微结构。微结构可以采用单一形状，也可以是多种形状的微结构的组合，此处不做限制。另外需要说明的是，微结构通常可设置为周期结构，以保证出光的均匀性和一致性。
本发明实施例还提供了一种LED外延片，图3是本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图，参考图3，该LED外延片包括本发明实施例提供的任意一种图形化复合衬底100以及形成于图形化复合衬底100上的外延层200。
对于在不同材质的异质微结构上形成外延层，需要不同的LED外延片生长技术，而对于本发明实施例提供的图形化复合基底，LED外延片上的外延层200可以是GaN、AlGaN外延层等。该LED外延片因采用上述实施例提供的图形化复合衬底100，因而具备图形化复合衬底100同样的有益效果。
针对上述实施例提供的图形化复合衬底，本发明实施例还提供了一种图形化复合衬底的制备方法。图4是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图，图5是图4所示图形化复合衬底的制备方法的结构流程图，参考图4和图5，该图形化复合衬底的制备方法包括：
S110、提供一基板，基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或基板的热导率高于三氧化二铝的热导率。
参考图5的(a)图，该基板采用刻蚀速率和/或热导率高于三氧化二铝的材料制成，因而相比三氧化二铝基板即蓝宝石基板具有较优的刻蚀速率或者较高的热导率，该基板需经平面处理以保证具有平整表面。
S120、在基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板。
参考图5的(b)图，通过干法或湿法刻蚀等工艺，将基板的平整表面形成微结构，该微结构可以是圆锥体、多边形椎体、椭圆锥体、圆柱、圆台中的至少一种。以干法蚀刻工艺为例，其采用的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、CF4等。并且，微结构一般为周期结构，其形状、周期、尺寸大小均直接决定了外延生长时的应力释放能力以及晶格失配度，此处对微结构的具体形状不做限制，本领域技术人员可根据实际情况进行选择和设计。
S130、在图形化基板表面形成金属铝薄膜，金属铝薄膜均匀覆盖在微结构上。
参考图5的(c)图，金属铝薄膜21可采用热蒸镀、磁控溅射等沉积工艺，将金属铝均匀沉积在图形化基板上，从而形成均匀覆盖微结构的金属铝薄膜21。可选地，金属铝薄膜21的厚度为50-1000nm。
S140、对金属铝薄膜进行氧化热处理，将金属铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜。
参考图5的(d)图，该过程实质是将金属铝氧化形成单晶三氧化二铝的过程，单晶三氧化二铝具备一致的晶格结构，且晶格结构中缺陷较少。单晶三氧化二铝薄膜20的晶格结构与外延层材料的晶格类似，因而可以在其上生长外延材料，保证外延层的生长质量。
本发明实施例提供的图形化复合衬底的制备方法，通过提供一基板，该基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或基板的热导率高于三氧化二铝的热导率；然后在基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板；继而在图形化基板表面形成金属铝薄膜，使金属铝薄膜均匀覆盖在微结构上；最后对金属铝薄膜进行氧化热处理，将金属铝薄膜转换为单晶三氧化二铝薄膜，可以利用图形化基板蚀刻速率高于三氧化二铝，实现较低的蚀刻难度，简化图形化复合衬底的制备工艺；或者可以利用图形化基板的热导率高于三氧化二铝，使得图形化复合衬底导热性能更优，保证LED芯片的散热能力；同时还可以利用图形化基板上的微结构以及在图形化基板表面均匀覆盖的单晶三氧化二铝薄膜，保证外延层的生长，降低外延生长时产生的缺陷，避免过多的晶格失配，保证外延层的生长质量。本发明实施例解决了现有蓝宝石衬底刻蚀效率低、导热性能较差的问题，可以改善蚀刻效率，使制备工艺简单化，优化散热能力，同时能够保证外延生长质量，有助于制备性能优异的LED芯片。
具体地，本发明实施例还提供了一种图形化复合衬底的制备方法。图6是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的制备方法的流程图，图7是图6所示图形化复合衬底制备方法的结构流程图，参考图6和图7，该图形化复合衬底的制备方法包括：
S210、提供一基板，基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或基板的热导率高于三氧化二铝的热导率。
S220、在基板表面涂覆聚合物胶层。
参考图7的(b)图，聚合物胶层30实质为光刻胶或纳米压印胶，其用于形成聚合物掩膜31，用于在对基板进行图形化蚀刻时保护聚合物掩膜覆盖的区域。聚合物胶层具体采用的光刻胶材料或纳米压印胶材料，此处不做限制。
S230、采用光刻工艺或纳米压印工艺对聚合物胶层进行图案化，形成聚合物掩膜。
参考图7的(c)图，此处需要说明的是，基板形成的微结构11形状一定程度上取决于刻蚀工艺和刻蚀参数，但主要取决于聚合物掩膜31的图案，因此，在进行聚合物胶层的图案化时，需要预先设计图形化基板上微结构的形状，以便于制备对应的聚合物掩膜。
S240、根据聚合物掩膜，对基板蚀刻，在基板表面形成微结构。
S250、在基板表面形成金属铝薄膜，金属铝薄膜均匀覆盖在微结构上。
S260、对金属铝薄膜进行低温氧化热处理，形成多晶三氧化二铝薄膜。
该过程实质是通过加热金属铝薄膜21预设时间，使金属铝薄膜21初步氧化形成多晶三氧化二铝薄膜22，其中多晶三氧化二铝薄膜22中三氧化二铝晶粒较多，大小和形状也均不同，此时的三氧化二铝薄膜22不能保证外延层的均匀生长。该低温氧化热处理的过程中，温度可设置在200-500℃，热处理时间在12-36h之间。
S270、对多晶三氧化二铝薄膜进行高温氧化热处理，形成单晶三氧化二铝薄膜。
该过程实质上同样是对多晶三氧化二铝薄膜22的加热过程，其加热温度明显高于步骤S260中的低温热处理时的温度。可选地，高温氧化热处理的温度在1000-1500℃，时间为6-36h。此时，多晶三氧化二铝薄膜22可以转换为单晶三氧化二铝薄膜20，即其中形成均一的三氧化二铝晶体结构，在其上生长外延材料时可以辅助形成均一的外延层，避免晶格缺陷，保证了外延层的生长质量。
示例性地，以基板为二氧化硅基板为例，在二氧化硅基板上形成100nm金属铝薄膜后，步骤S260中，低温氧化热处理具体步骤为：将衬底放置于退火炉中10h，退火炉温度控制在300℃，此时金属铝薄膜可充分氧化形成多晶三氧化二铝薄膜。步骤S270中，高温氧化热处理的具体步骤为：将基板再次置于退火炉内12h，并将退火炉温度控制在1200℃，此时可将多晶三氧化二铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜，最终获得用于氮化物外延生长的三氧化二铝薄膜图形化二氧化硅衬底。
以基板为单质硅基板为例，在硅基板上形成300nm金属铝薄膜后，步骤S260中，低温氧化热处理具体步骤为：将衬底放置于退火炉中16h，退火炉温度控制在450℃，此时金属铝薄膜可充分氧化形成多晶三氧化二铝薄膜。步骤S270中，高温氧化热处理的具体步骤为：将基板再次置于退火炉内24h，并将退火炉温度控制在1350℃，此时可将多晶三氧化二铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜，最终获得用于氮化物外延生长的三氧化二铝薄膜图形化硅衬底。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种图形化复合衬底，其特征在于，包括：
图形化基板，所述图形化基板表面蚀刻有微结构；
单晶三氧化二铝薄膜，所述单晶三氧化二铝薄膜均匀覆盖在所述微结构上；
所述图形化基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述图形化基板的热导率高于三氧化二铝的热导率。
2.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述单晶三氧化二铝薄膜的厚度在50-1000nm。
3.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述微结构包括圆锥体、多边形椎体、椭圆锥体、圆柱、圆台中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的图形化复合衬底，其特征在于，所述图形化基板的材质为氧化物、氮化物、碳化物和金属单质中的至少一种。
5.一种图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，包括：
提供一基板，所述基板的蚀刻速率高于三氧化二铝的蚀刻速率，和/或所述基板的热导率高于三氧化二铝的热导率；
在所述基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板；
在所述图形化基板表面形成金属铝薄膜，所述金属铝薄膜均匀覆盖在所述微结构上；
对所述金属铝薄膜进行氧化热处理，将所述金属铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜。
6.根据权利要求5所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，对所述金属铝薄膜进行氧化热处理，将所述金属铝薄膜转化为单晶三氧化二铝薄膜，包括：
对所述金属铝薄膜进行低温氧化热处理，形成多晶三氧化二铝薄膜；
对所述多晶三氧化二铝薄膜进行高温氧化热处理，形成单晶三氧化二铝薄膜。
7.根据权利要求6所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，所述低温氧化热处理的温度在200-500℃，时间为12-36h。
8.根据权利要求6所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，所述高温氧化热处理的温度在1000-1500℃，时间为6-36h。
9.根据权利要求5所述的图形化复合衬底的制备方法，其特征在于，在所述基板表面蚀刻微结构，形成图形化基板，包括：
在所述基板表面涂覆聚合物胶层；
采用光刻工艺或纳米压印工艺对所述聚合物胶层进行图案化，形成聚合物掩膜；
根据所述聚合物掩膜，对所述基板蚀刻，在所述基板表面形成微结构。
10.一种LED外延片，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的图形化复合衬底。
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