CN114220892A - 一种led外延用条状复合衬底及其制备方法和制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED外延用条状复合衬底及其制备方法和制备装置，衬底为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上的图形呈条状，若干图形呈周期排列，且相邻的两个图形之间存在间隔；各图形的取向一致；图形底部宽度大于顶部宽度；图形的材料为Al2O3，图形侧壁覆盖有若干层SiO2层，SiO2层与蓝宝石衬底间存在间隙。本发明的复合衬底通过周期性排布的条状图形提高了LED的出光效率，并且能够控制出射光的偏振方向，使得LED的发光效率得到提升的同时获得偏振光。本发明的制备方法能够用于制备多层复合结构，增加偏振光提取效率的同时还能够控制复合结构的沉积位置，使其仅沉积在图形侧壁上，而无图形区域则没有沉积，目的是使得外延工艺无需改动。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED外延用条状复合衬底及其制备方法和制备装置，属于LED芯片技术领域。
背景技术
近年来，GaN基LED因具有亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被广泛应用。虽然GaN基LED已经得到广泛应用，但是由于GaN基LED内量子效率(Internal QuantumEfficiency,IQE)和光析出率(Light Extraction Efficiency,LEE)的限制，进一步提高GaN基LED的发光效率困难重重。研究发现在条状PSS上生长出的GaN外延层晶界数量更少，能够显著提高外延层的结晶度，提高IQE。
目前，主流的PSS衬底的图形为周期排列的圆锥状图形，如图1所示。该种衬底具有很好的光提取效率，因此得到了广泛应用。但是由于条状衬底的图形排列一致使得最终发射出的光的偏振方向会趋于一致，使得最终发射出的光为偏振光。这使得在某些应用领域使用条状衬底制备出的LED芯片具有更好的应用前景。通过调整上述条纹状衬底的方向以及弧度等参数，我们可以针对性的调整反射光的偏振方向，使其发射出的偏振光与后端器件匹配，提升后端产品性能。
条状衬底由于可以得到偏振光，其亮度目前还难以达到常规衬底的亮度，因此如何进一步提高条状衬底的亮度成为其大规模应用的关键。相较于传统衬底使用复合衬底后芯片的出光效率会提高10％。但是这种先在蓝宝石表面沉积一层低折射率的材料，然后通过光刻蚀刻工艺刻出图形(即图形上部为低折射材料、下部为蓝宝石)的方式无法做成多层复合层结构。这是因为发光层发出的光是经过图形侧壁反射后发射出来的，上述结构无法在图形侧壁上形成多层复合层。而先蚀刻后沉积复合层，复合层不仅会沉积在图形侧壁还会沉积在无图形区域，这会导致外延生长的界面发生改变，外延工艺需要大幅度调整。而在沉积前把无图形区域保护起来，在沉积后将无图形区域上的复合层剥离，由于复合层是连续的，在剥离后会出现剥离不彻底或者撕裂的现象，导致产品良率大大降低。
除了衬底制备上的问题，在条状衬底外延生长的过程中，由于条状衬底的取向一致，在外延时产生的热应变相较于常规衬底会更大，导致弯曲度(BOW)变大，使得图形变凸，如图6所示。如果在多量子阱发光层生长过程中衬底变凸，就会使得衬底中部与石墨盘脱离接触，如图7所示，使得中心处的温度降低，而边缘处的温度不变，导致多量子阱的厚度不均匀，导致LED的波长不集中。这是限制条状衬底大规模应用的又一个关键问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种LED外延用条状复合衬底及其制备方法和制备装置，该衬底通过周期性排布的条状图形提高了LED的内量子效率，并且由于图形排列一致，使得最终出射的光成为偏振光，拓宽了应用领域。同时，本发明提出了仅在条状衬底图形侧壁上沉积多层复合结构的制备方法，在不改变外延工艺的前提下，大幅提高产品良率和产品性能。最后，通过设计新的石墨盘，解决了条状衬底外延生长后波长集中性差的问题。
本发明的技术方案如下：
第一部分
一种LED外延用条状复合衬底，包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上的图形呈条状，若干所述图形呈周期排列，且相邻的两个所述图形之间存在间隔；所述图形底部宽度大于顶部宽度；所述图形的材料为Al2O3，所述图形上部覆盖有若干层SiO2层，所述SiO2层与所述蓝宝石衬底间存在间隙。
进一步的，各所述图形形状相同，所述图形为横置的三棱柱，所述SiO2层覆盖在所述图形远离所述蓝宝石衬底的两面。
进一步的，所述SiO2层的层数为5-10层。
第二部分
一种LED外延用条状复合衬底的制备方法，用于制备权利第一部分中所述一种LED外延用条状复合衬底，包括以下步骤
在所述蓝宝石衬底和所述图形上真空蒸镀一层金属膜；
在所述蓝宝石衬底上旋涂一层光刻胶，光刻胶厚度为2μm-2.5μm；
将光刻胶厚度减少至150-500nm；
去除光刻胶上方的金属膜；
在所述图形上使用磁控溅射生长多层SiO2层，每层厚度20nm；若干所述SiO2层的总厚度小于所述金属膜厚度；
使用溶剂和溶液去除剩余光刻胶和金属膜。
进一步的，所述金属膜为铝膜，所述铝膜厚度为150-300nm。
进一步的，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在ICP中通入O2，氧气流量为50-150sccm，上电极功率为1000-2500W，下电极功率为200-500W，可是温度为20-40℃，刻蚀时间为200-600s。
进一步的，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在光刻机上使用光刻板对光刻胶进行曝光，通过调整曝光能量控制光刻胶剩余厚度，通过显影得到减薄的光刻胶。
第三部分
一种LED外延用条状复合衬底的制备装置，用于制备第一部分中所述任意一种LED外延用条状复合衬底，包括石磨盘，所述石磨盘为曲面石磨盘，所述石磨盘的弯曲方向与衬底弯曲方向平行，弯曲度为5μm-50μm。
本发明具有如下有益效果：
1.该衬底采用周期性排布的条状图形，在条状蓝宝石衬底上生长出的GaN外延层晶界数量更少，能够显著提高外延层的结晶度，提高IQE，从而提高LED的发光效率。
2.该衬底采用周期性排布的条状图形，因此入射光与图形之间的夹角固定，通过调整入射光与图形之间的夹角，使得反射光为完全偏振光，且偏振方向与垂直方向偏振膜相同，提高了穿过垂直方向偏振膜的光量，可以提高后端产品的性能并且降低成本。
3.该制备方法能够在图形侧壁沉积多层复合结构，使得入射光充分反射，进一步提高偏振光的获取效率。
4.该制备方法不会让低折射率材料沉积在无图形的蓝宝石衬底上，使得外延时外延材料仍在蓝宝石衬底表面生长，因此外延工艺不需要改动，大幅度降低了外延的调试成本。
5.该制备方法不会出现多层复合结构剥离不完全或者剥离出现缺陷的现象，大幅度提高产品良率，提高经济性。
6.该制备装置在多量子阱发光层生长时，即使蓝宝石衬底发生弯曲，也能够紧贴石磨盘表面，使得温度均匀性保持较高水平，最终使得LED波长集中性更好。
附图说明
图1为传统图形化蓝宝石衬底的俯视图和截面图。
图2为本发明的图形化蓝宝石衬底的俯视图和截面图。
图3为本发明的图形化蓝宝石衬底的三维图。
图4为多层结构的光线反射示意图。
图5为本发明制备方法流程示意图。
图6为多量子阱生长前后，蓝宝石衬底变化及应力示意图。
图7为曲面石磨盘与常规石磨盘进行多量子阱生长时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
第一部分
实施例一
参考图2-3，一种LED外延用条状复合衬底，衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上的图形呈条状，若干所述图形呈周期排列，且相邻的两个所述图形之间存在间隔；各所述图形的取向一致；所述图形底部宽度大于顶部宽度；所述图形的材料为Al2O3，所述图形侧部覆盖有若干层SiO2层，所述蓝宝石衬底无图形区域无SiO2层。
在条状图形的蓝宝石衬底上生长出的GaN外延晶界数量更少，能够显著提高外延层的结晶度，提高IQE，从而提高LED的发光效率。
传统的圆锥状图形无法发射出偏振光，参考图1，而条状衬底由于排列的方向一致，能够获得偏振光。
参考图4，SiO2为低折射率材料，覆盖在图形上方的若干层SiO2层能提高入射光的反射率，从而提高反射光光量。SiO2层不与蓝宝石衬底接触，使得外延材料仍然可以在蓝宝石衬底上生长，无需改动外延工艺。
在本发明的一种实施方式中，所述SiO2层的层数为5-10层。
实施例二
一种LED外延用条状复合衬底，在实施例一的基础上，各所述图形形状相同，所述图形为横置的三棱柱，所述SiO2层覆盖在所述图形侧壁。
各所述图形周期性排布时取向一致，即条状图形的长边相互平行，且所述图形为横置的三棱柱，此时入射光与各图形，各位置之间的夹角相同，通过控制入射光与图形的夹角，使之达到布儒斯特角的时候，反射光为完全偏振光，通过调整完全偏振光的偏振方向与垂直偏振模一致，从而提高通过垂直偏振模的光量。
第二部分
实施例三
参考图5，一种LED外延用条状复合衬底的制备方法，用于制备第一部分中所述任意一种LED外延用条状复合衬底，包括以下步骤
在所述蓝宝石衬底和所述图形上真空蒸镀一层金属膜；
在所述蓝宝石衬底上旋涂一层光刻胶，光刻胶厚度为2μm-2.5μm；
将光刻胶厚度减少至150-500nm；
去除光刻胶上方的金属膜；
在所述图形上使用磁控溅射生长多层SiO2层，每层厚度20nm；若干所述SiO2层的总厚度小于所述金属膜厚度；
使用溶剂和溶液去除剩余光刻胶和金属膜。
传统的复合衬底制备方式是先在蓝宝石表面沉积一层低折射率的材料，然后在通过光刻蚀刻工艺刻出图形，即图形上部为低折射材料、下部为蓝宝石。这种方式无法做成多层复合结构，难以进一步提升光提取效率。。
该制备方法能够制备多层覆盖的复合结构，使得入射光充分反射，且该制备方法不会让低折射率材料沉积在无图形的蓝宝石衬底上，使得外延时外延材料仍在蓝宝石衬底表面生长，因此外延工艺不需要改动，大幅度降低了外延调试成本。
通过该制备方法制作的SiO2层不连续，在后续去除光刻胶和金属膜时，不会出现无法剥离或者剥离产生缺陷的问题，大幅度提高产品良率。
在本发明的一种实施方式中，所述金属膜为铝膜，所述铝膜厚度为150-300nm。
在本发明的一种实施方式中，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在ICP中通入O2，氧气流量为50-150sccm，上电极功率为1000-2500W，下电极功率为200-500W，可是温度为20-40℃，刻蚀时间为200-600s。
在本发明的一种实施方式中，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在光刻机上使用光刻板对光刻胶进行曝光，通过调整曝光能量控制光刻胶剩余厚度，通过显影得到减薄的光刻胶。
第三部分
实施例四
参考图7，一种LED外延用条状复合衬底的制备装置，用于制备第一部分中所述任意一种LED外延用条状复合衬底，包括石磨盘，所述石磨盘为曲面石磨盘，所述石磨盘的弯曲方向与衬底弯曲方向平行，弯曲度为5μm-50μm。
在GaN外延生长的过程中，需要经过缓冲层生长、N型GaN层生长、多量子阱发光层生长、P型GaN层生长、退火等过程。由于不同外延生长阶段的温度不同，就不可避免的会出现由热膨胀系数不同导致的残余应力，这会使得衬底在不同阶段的弯曲度(BOW)值不同。在这些外延生长阶段中，多量子阱发光层的生长尤为重要，这是因为单层量子阱仅有十几纳米的厚度，这对外延生长的均匀性有着很高的要求，而在多量子阱的生长过程中，衬底的BOW值变大，这使得衬底变凸，参考图6。如果在多量子阱发光层生长过程中衬底变凸，就会使得衬底中部与石墨盘脱离接触，参考图7，使得中心处的温度更低，而边缘处的温度仍然为设定温度，导致多量子阱的厚度不均匀，最终使得LED的波长不集中。而由于本发明的条状衬底的方向相同，导致残余应力的方向趋于一致，这会使得条状衬底在多量子阱发光层生长时的BOW值变化比传统PSS衬底的BOW值变化更大，恶化LED的波长集中度，最终降低产品良率。
通过使用具有弯曲度的石磨盘进行外延生长，在多量子阱发光层生长时即使蓝宝石衬底发生弯曲，也能够紧贴石磨盘表面，使得温度均匀性保持较高水平，最终使得LED波长集中性更好。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种LED外延用条状复合衬底，其特征在于，衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上的图形呈条状，若干所述图形呈周期排列，且相邻的两个所述图形之间存在间隔；各所述图形的取向一致；所述图形底部宽度大于顶部宽度；所述图形的材料为Al2O3，所述图形侧部覆盖有若干层SiO2层，所述蓝宝石衬底无图形区域无SiO2层。
2.根据权利要求1所述LED外延用条状复合衬底，其特征在于，各所述图形形状相同，所述图形为横置的三棱柱，所述SiO2层覆盖在所述图形侧壁。
3.根据权利要求1所述LED外延用条状复合衬底，其特征在于，所述SiO2层的层数为5-10层。
4.一种LED外延用条状复合衬底的制备方法，用于制备权利要求1-3中所述任意一种LED外延用条状复合衬底，其特征在于，包括以下步骤
在所述蓝宝石衬底和所述图形上真空蒸镀一层金属膜；
在所述蓝宝石衬底上旋涂一层光刻胶，光刻胶厚度为2μm-2.5μm；
将光刻胶厚度减少至150-500nm；
去除光刻胶上方的金属膜；
在所述图形上使用磁控溅射生长多层SiO2层，每层厚度20nm；若干所述SiO2层的总厚度小于所述金属膜厚度；
使用溶剂和溶液去除剩余光刻胶和金属膜。
5.根据权利要求4所述LED外延用条状复合衬底的制备方法，其特征在于，所述金属膜为铝膜，所述铝膜厚度为150-300nm。
6.根据权利要求4所述LED外延用条状复合衬底的制备方法，其特征在于，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在ICP中通入O2，氧气流量为50-150sccm，上电极功率为1000-2500W，下电极功率为200-500W，可是温度为20-40℃，刻蚀时间为200-600s。
7.根据权利要求4所述LED外延用条状复合衬底的制备方法，其特征在于，所述将光刻胶厚度减少至150-500nm，具体为：在光刻机上使用光刻板对光刻胶进行曝光，通过调整曝光能量控制光刻胶剩余厚度，通过显影得到减薄的光刻胶。
8.一种LED外延用条状复合衬底的制备装置，用于制备权利要求1-3中所述任意一种LED外延用条状复合衬底，其特征在于，包括石磨盘，所述石磨盘为曲面石磨盘，所述石磨盘的弯曲方向与衬底弯曲方向平行，弯曲度为5μm-50μm。
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