[发明专利]图形化衬底的制备方法及具有空气隙的LED外延结构

说明书

本发明涉及半导体领域，公开了一种图形化衬底的制备方法及具有空气隙的LED外延结构，该方法为：在衬底本体上制备出第一光刻窗口，形成图案化的牺牲层；在牺牲层以及衬底本体表面沉积形成凸起结构的材料层；在材料层上制备出图案化的第二光刻窗口；且各第二光刻窗口的部分或全部外沿线位于牺牲层中至少一个图案的外沿线以内；刻蚀掉位于第二光刻窗口内的材料层形成顶部图案层；腐蚀掉没有被顶部图案层完全包裹在内的牺牲层中的图案，形成悬空部和底部图案层；去除正性光刻胶得到具有凸起结构的图形化衬底。外延结构中空气隙的存在，会使得其发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加出光反射，提升出光效率和亮度。

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的制备方法及具有空气隙的LED外延结构。

背景技术

半导体发光二极管(light-emission diodes，LEDS)因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，蓝、绿光GaN基LED芯片在显示、照明领域发展迅速；国内LED照明已经取代普通照明约30％份额，为继续提高LED在照明市场普及率，需要继续提升LED在光亮度、光品质方面的性能。目前主流蓝绿GaN基LED外延片95％以上都是使用蓝宝石基板做衬底材料，蓝宝石衬底因硬度大、透光率高、工艺成熟等特点，在今后主流LED市场仍将会是最主要的衬底材料。目前采用的蓝宝石衬底基本上都是进行了图形化( PatternedSapphireSubstrate，PSS)加工后再用于LED外延生长。因为在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，提高外延层晶体质量以提高LED电学特性；另外，蓝宝石的折射率为1.8，氮化镓的折射率为2.5，由于折射率的差异，当光从氮化镓外延层进入蓝宝石图形衬底时，会形成全反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。基于PSS衬底的外延材料制成的LED器件参数表明，其20A/cm2电流密度下相同尺寸芯片的光功率相比蓝宝石平片衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。

现有技术中Al₂O₃与SiO₂复合衬底中，SiO₂的下表面与Al₂O₃的上表面重合，二者在蓝宝石衬底上形成金字塔形状的立体图案，如图1，这种具有金字塔形状立体图案的复合衬底主要是依靠金字塔的锥形表面对LED的出光反射，想要更多的对LED的出光进行反射，就需要尽可能的在衬底上将这种金字塔形状的立体图案做的更密集，但是由于蓝宝石衬底（Al₂O₃）较硬，刻蚀较困难，图案分布较密集时很难控制刻蚀深度和精度。

为了在这种金子塔形状的立体图案衬底上进一步的增加对LED的出光反射，授权公告号为CN216250771U、名称为复合图形衬底及包含该衬底的LED外延结构的中国实用新型专利中，公开了一种LED外延结构，该LED外延结构中包括还包括复合图形衬底，该复合图形衬底包括基底以及形成于该基底上的复合微图案，复合微图案包括底部微图案以及位于该底部微图案上的顶部微图案，顶部微图案的最大投影面积大于底部微图案的顶面的面积。上述LED外延结构中还包括依次设置于复合图形衬底上的N型层、发光层和P型层，其中，N型层与复合微图案之间具有一间隙部。由于该专利中的复合图形衬底上的复合微图案中，顶部微图案的最大投影面积大于底部微图案的上表面的面积，在将其应用到LED外延结构中时，外延结构中的N型层与复合微图案之间会具有一间隙部，由于该间隙部内的空气与周围的N型层以及顶部微图案和底部微图案材料的不同，反射率不同，所以在该间隙部的位置，会导致LED发出的光在该区域内发生更多的折射和反射，能够增加LED出光的反射，提升出光效率，提升亮度。

上述专利中虽然公开了复合图形衬底的结构，但是并没有公开如何才能制备出这样的复合图形衬底，在具体的应用过程中还是会存在一定的难度。

发明内容