本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延的通用圖形化襯底及LED發(fā)光器件。

背景技術(shù)：

LED是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaN(氮化鎵)、GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的。

目前，GaN基LED器件主要使用藍(lán)寶石做襯底，由于藍(lán)寶石襯底與GaN LED材料在晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)方面的差異，導(dǎo)致GaN LED外延層中存在相當(dāng)高的穿透位錯(cuò)密度(10⁸～10¹⁰cm^-2)以及非常大的壓縮應(yīng)力，嚴(yán)重影響GaN LED光學(xué)特性的進(jìn)一步提高。材料缺陷與內(nèi)應(yīng)力的存在是GaN LED技術(shù)進(jìn)一步提高內(nèi)量子效率以及增加晶圓尺寸的主要瓶頸。

為了降低GaN外延材料中的缺陷密度與內(nèi)應(yīng)力，目前采用等離子體刻蝕(韓國專利1020080087406)與濕法化學(xué)腐蝕(中國專利CN1700449A)技術(shù)在藍(lán)寶石上制作圖形化襯底的技術(shù)，能在一定程度上降低外延層中的位錯(cuò)密度、提高LED的內(nèi)量子效率。但是GaN與藍(lán)寶石界面處對(duì)入射光的反射率不高，造成大部分進(jìn)入藍(lán)寶石襯底的光不能被有效提取，從而導(dǎo)致LED器件的外量子效率比較低。

最近，硅襯底具有尺寸大、成本低等優(yōu)勢在GaN LED技術(shù)中獲得了快速發(fā)展。但是在硅襯底上異質(zhì)外延GaN LED材料，其位錯(cuò)密度比藍(lán)寶石上的GaN材料高1～2數(shù)量級(jí)，容易形成由張應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋；并且硅襯底對(duì)藍(lán)光有強(qiáng)烈的吸收，因此所生長的LED外延結(jié)構(gòu)需要從硅襯底上剝離下來，否則LED器件的發(fā)光效率非常低。值得注意的是，目前硅襯底上異質(zhì)外延GaN材料在技術(shù)上還不成熟，而且硅襯底剝離技術(shù)存在工藝復(fù)雜、成品率低等缺點(diǎn)。因此，急需開發(fā)一種新型圖形化技術(shù)來降低硅基GaN材料的位錯(cuò)密度，并消除硅襯底的吸光效應(yīng)對(duì)LED器件發(fā)光效率的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的一個(gè)問題是減少晶體的缺陷密度，提高圖形化襯底的出光效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例所采用的技術(shù)方案為：

根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種圖形化襯底，包括:襯底；形成于所述襯底上的圖形化分布式布拉格反射鏡；形成于所述圖形化分布式布拉格反射鏡上的圖形化介質(zhì)層，圖形化分布式布拉格反射鏡與其上形成的圖形化介質(zhì)層形成多個(gè)對(duì)稱的、周期性的凸起。

可選地，所述襯底是單晶外延襯底。

可選地，所述單晶外延襯底包括藍(lán)寶石襯底、硅襯底、氮化鎵襯底、砷化鎵襯底、磷化鎵襯底與碳化硅襯底中的任意一種。

可選地，所述的圖形化分布式布拉格反射鏡由SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意兩種具有不同折射率的材料按照ABAB方式組合而成，所述圖形化分布式布拉格反射鏡的周期數(shù)范圍在1至20之間。

可選地，所述的圖形化介質(zhì)層由比GaN的折射率小的材料組成。

可選地，所述比GaN的折射率小的材料是SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一種材料。

可選地，所述凸起的形狀為圓錐形、圓柱形、圓臺(tái)形、半球形、棱錐形、棱柱形、棱臺(tái)形中的任意一種。

可選地，所述圓錐形、棱錐形、圓臺(tái)形、棱臺(tái)形圖形結(jié)構(gòu)的底角范圍從10°變化至80°。

可選地，所述凸起的排列方式包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窩晶格排列中的任一種。

可選地，所述凸起的周期為0.2至10微米，凸起的高度為0.1至5微米。

可選地，在所述周期性的凸起在襯底上的一個(gè)周期圖形中，凸起底部面積占周期圖形面積的比為0.1至0.95。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種LED發(fā)光器件，包括上述圖形化襯底。

由于本發(fā)明采用了內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡的圖形化襯底，一方面可以減少襯底形核區(qū)(也就是周期性圖形中未被圖形化分布式布拉格反射鏡底部占據(jù)的區(qū)域)面積，從而通過側(cè)向外延生長模式降低晶體的缺陷密度(在形核區(qū)才產(chǎn)生由于GaN和襯底晶格失配造成的應(yīng)力),提高晶體質(zhì)量，另一方面，內(nèi)嵌的內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑵骷?nèi)部的光大量地反射至器件表面，從而提高了表面出光和外量子效率。

另外，由于所述襯底可以是藍(lán)寶石，也可以是Si，因此該圖形襯底不僅能提高在藍(lán)寶石上生長的GaN的晶體質(zhì)量，也能提高Si襯底上GaN的晶體質(zhì)量，更解決了Si襯底上GaN基LED的光吸收的難題。

另外，本發(fā)明的實(shí)施例通過增加周期性結(jié)構(gòu)的面積填充因子(在周期性的凸起在襯底上的一個(gè)周期圖形中，凸起底部面積占周期圖形面積的比)，具體地說增加到0.1至0.95，可以減少形核區(qū)面積，結(jié)合MOCVD側(cè)向外延的生長模式，釋放GaN與藍(lán)寶石由于晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而大幅度減少GaN外延層的位錯(cuò)密度，降低晶體的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。

另外，所述凸起的形狀為圓錐形、圓柱形、圓臺(tái)形、半球形、棱錐形、棱柱形、棱臺(tái)形中的任意一種，其中所述圓錐形、棱錐形、圓臺(tái)形、棱臺(tái)形圖形結(jié)構(gòu)的底角范圍從10°變化至80°，優(yōu)選從30°變化至40°，通過這樣的斜坡結(jié)構(gòu)和這樣的角度，有利于將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而大幅度減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

另外，所述的圖形化介質(zhì)層由比GaN的折射率小的材料組成(例如SiO₂、Si₃N₄、SiO_xN_y、SiC、Al₂O₃、Ga₂O₃、Cr₂O₃、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一種材料)，由于該材料的折射率比GaN小，也有利于將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而大幅度減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。通過在掩膜層上開窗口，實(shí)現(xiàn)空間上控制外延層生長的方法。由于掩膜層的存在阻擋了其下方的穿透位錯(cuò)向上方外延層的傳播。

附圖說明

參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。

圖1是本發(fā)明內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)圖形化襯底的示意圖；

圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的帶有藍(lán)寶石基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)圖形襯底的GaN LED器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的帶有硅基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)圖形襯底的垂直結(jié)構(gòu)GaN LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)圖形化襯底的示意圖。本發(fā)明公開的新型圖形化襯底結(jié)構(gòu)，包括襯底101、圖形化分布式布拉格反射鏡(DBR)102與圖形化介質(zhì)層103。所述圖形化分布式布拉格反射鏡102形成于所述襯底上101，所述圖形化介質(zhì)層103形成于所述圖形化分布式布拉格反射鏡102上。所述的圖形化分布式布拉格反射鏡102與圖形化介質(zhì)層103具有相同的對(duì)稱性與幾何周期。圖形化分布式布拉格反射鏡與其上形成的圖形化介質(zhì)層形成多個(gè)對(duì)稱的、周期性的凸起。

對(duì)稱是指凸起在襯底上排布的位置是對(duì)稱的。周期性是指凸起在襯底上排布的位置是重復(fù)出現(xiàn)的。例如，所述凸起的排列方式包括正方晶格排列、三角晶格排列、蜂窩晶格排列中的任一種，但也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠構(gòu)想出的其它排列方式。重復(fù)出現(xiàn)是指，以蜂窩晶格排列為例，在襯底的一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了由凸起排列成的蜂窩形狀，在與該區(qū)域相鄰的另一個(gè)區(qū)域也重復(fù)出現(xiàn)由凸起排列成的同樣的蜂窩形狀，以此類推。該一個(gè)區(qū)域叫做周期性的凸起在襯底上的一個(gè)周期圖形。在一個(gè)周期圖形中，凸起底部面積占周期圖形面積的比 為填充因子。例如，在某周期圖形中，有排列成蜂窩形狀的10個(gè)凸起，填充因子即為這10個(gè)凸起底部面積占整個(gè)周期圖形面積的比。

如前所述，本發(fā)明優(yōu)選的填充因子是0.1至0.95。通過增加填充因子到0.1至0.95，可以減少襯底形核區(qū)(也就是周期性圖形中未被圖形化DBR底部占據(jù)的區(qū)域)面積，從而通過側(cè)向外延生長模式降低晶體的缺陷密度。同時(shí)，填充因子的增加，DBR結(jié)構(gòu)將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而大幅度減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

分布式布拉格反射鏡(DBR)是由兩種不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列組成的周期結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)厚度為中心反射波長的1/4。因此是一種四分之一波長多層系統(tǒng)。由于頻率落在能隙范圍內(nèi)的電磁波無法穿透，布拉格反射鏡的反射率可達(dá)99％以上。改變材料的折射率或厚度可以調(diào)整能隙位置，也就可以調(diào)整布拉格反射鏡反射光的頻率。

優(yōu)選地，所述的襯底優(yōu)選是單晶外延襯底，但也可以是其它襯底。單晶外延襯底包括藍(lán)寶石襯底、硅襯底、氮化鎵襯底、砷化鎵襯底、磷化鎵襯底與碳化硅襯底中的任意一種。所述的圖形化分布式布拉格反射鏡102由SiO2、Si3N4、SiOxNy、SiC、Al2O3、Ga2O3、Cr2O3、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意兩種具有不同折射率材料按照ABAB方式組合而成，所述圖形化分布式布拉格反射鏡102的周期數(shù)范圍在1至20之間。周期數(shù)即襯底上形成上述周期圖形的數(shù)量。在一個(gè)實(shí)施例中，周期數(shù)為1；在另一個(gè)實(shí)施例中，周期數(shù)為10；在另一個(gè)實(shí)施例中，周期數(shù)為20。

優(yōu)選地，所述圖形化襯底的周期為0.2至10微米，即相隔0.2至10微米是相鄰的另一個(gè)周期圖形。在一個(gè)實(shí)施例中，周期為0.2微米；在另一個(gè)實(shí)施例中，周期為5微米；在另一個(gè)實(shí)施例中，周期為10微米。

優(yōu)選地，凸起的高度為0.1至5微米。這樣的凸起的高度有利于進(jìn)一步提高出光率。在一個(gè)實(shí)施例中，凸起的高度為0.1微米；在另一個(gè)實(shí)施例中，凸起的高度為2微米；在另一個(gè)實(shí)施例中，凸起的高度為5微米。

優(yōu)選地，所述的圖形化介質(zhì)層103由比GaN的折射率小的材料組成，例如由SiO2、Si3N4、SiOxNy、SiC、Al2O3、Ga2O3、Cr2O3、TiO2、HfO2、 ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、BeO、MgO、ZnO、BN、GaN、AlN以及稀土氧化物中任意一種材料組成。由于該材料的折射率比GaN小，也有利于將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而大幅度減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

優(yōu)選地，所述的周期性圖形為凸起的圓錐形、圓柱形、圓臺(tái)形、半球形、棱錐形、棱柱形、棱臺(tái)形中的任意一種，其中圓錐形、棱錐形、圓臺(tái)形、棱臺(tái)形圖形結(jié)構(gòu)的底角范圍從10°變化至80°，優(yōu)選為從30°變化至40°。通過這樣的斜坡結(jié)構(gòu)和這樣的角度，有利于將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而進(jìn)一步減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。

在一個(gè)實(shí)施例中，采用圓錐形，其底角為30°；在另一個(gè)實(shí)施例中，底角為35°；在另一個(gè)實(shí)施例中，底角為40°。

[第一實(shí)施例]

本實(shí)施例具體描述本發(fā)明所提供的藍(lán)寶石基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)的圖形化襯底以及GaN LED器件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

本實(shí)施例提供的藍(lán)寶石基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡圖形化襯底的結(jié)構(gòu)包括：單晶藍(lán)寶石襯底201、圖形化分布式布拉格反射鏡(DBR)與圖形化介質(zhì)層202；圖形化DBR形成于單晶藍(lán)寶石襯底201上，圖形化介質(zhì)層形成于圖形化DBR上；DBR結(jié)構(gòu)由6組TiO₂/Al₂O₃按照ABAB方式交替層疊而成，每一層TiO₂與Al₂O₃的厚度符合四分之一波長消光法則，其優(yōu)選厚度分別為49納米與67納米；圖形化介質(zhì)層由Al₂O₃材料構(gòu)成，其厚度為900納米；圖形化DBR與圖形化介質(zhì)層具有三角形對(duì)稱性，其幾何周期為3微米，底部的DBR與頂部的介質(zhì)層形成一個(gè)圓錐結(jié)構(gòu)，圓錐的底寬為2.8微米，高度為1.6微米，圓錐的斜邊與襯底平面的夾角約為49度；N型氮化鎵層203在未被TiO₂/Al₂O₃圖形覆蓋的藍(lán)寶石襯底201上形核生長，通過側(cè)向外延模式最后完全填平圖形襯底表面。InGaN/GaN多量子阱層204形成于N型氮化鎵層203上；P型氮化鎵層205形成于InGaN/GaN多量子阱層204上；透明導(dǎo)電層206形成于P型氮化鎵層205上；P金屬電極208形成于透明導(dǎo)電層206上；N金屬電極209 形成于所述N型氮化鎵層203上；氧化硅鈍化層207形成于GaN發(fā)光二極管的臺(tái)面與側(cè)壁上。

與制作在常規(guī)的藍(lán)寶石圖形化襯底上的GaN發(fā)光二極管相比較，本實(shí)施例中制備的內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡圖形化襯底的GaN發(fā)光二極管的正向電壓無明顯變化，并且發(fā)光器件的輸出光功率提高15～25％。由于圖形化襯底中已經(jīng)內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，因此可以采用低成本的紫外激光(替代皮秒激光)來切割藍(lán)寶石背面而不會(huì)影響LED正面的出光，從而節(jié)約了隱形切割與藍(lán)寶石背面精細(xì)拋光設(shè)備的投入，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

本發(fā)明提供的第一實(shí)施例在藍(lán)寶石上制備內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡的新型圖形化襯底，相比于傳統(tǒng)的藍(lán)寶石圖形襯底，新型圖形化結(jié)構(gòu)采用光學(xué)介質(zhì)材料在藍(lán)寶石C平面上形成周期性結(jié)構(gòu)，由于光學(xué)介質(zhì)材料大多為無定型結(jié)構(gòu)表面難以形核，通過增加周期性結(jié)構(gòu)的面積填充因子可以減少形核區(qū)面積，結(jié)合MOCVD側(cè)向外延的生長模式，釋放GaN與藍(lán)寶石由于晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而大幅度減少GaN外延層的位錯(cuò)密度。通過特殊的形狀或斜面角度，低缺陷密度GaN晶體能夠填充整個(gè)圖形化襯底的間隙，從而獲得高性能GaNLED外延層。與之同時(shí)，向襯底傳播的光由于周期性分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)的高反射作用，光線大量被反射回LED器件內(nèi)部，從而增強(qiáng)LED的表面或側(cè)面的出光效率。

[第二實(shí)施例]

本實(shí)施例具體描述本發(fā)明所提供的硅基內(nèi)嵌DBR結(jié)構(gòu)的圖形化襯底以及垂直結(jié)構(gòu)GaN LED器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

本實(shí)施例提供的硅基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡圖形化襯底的結(jié)構(gòu)包括：N型Si(111)襯底301、圖形化分布式布拉格反射鏡(DBR)與圖形化介質(zhì)層302；圖形化DBR形成于Si(111)襯底301上，圖形化介質(zhì)層形成于圖形化DBR上；DBR結(jié)構(gòu)由6組TiO₂/Al₂O₃按照ABAB方式交替層疊而成，每一層TiO₂與Al₂O₃的厚度符合四分之一波長消光法則，其優(yōu)選厚度分別為49納米與67納米；圖形化介質(zhì)層由Al₂O₃材料構(gòu)成，其厚度為900納米；圖形化DBR與圖形化介質(zhì)層具有三角形對(duì)稱性，其幾何周期為3.0微米，底部的DBR與頂部 的介質(zhì)層形成一個(gè)圓錐結(jié)構(gòu)，圓錐的底寬為3.0微米，高度為1.6微米，圓錐底部占整個(gè)襯底的面積比約為91％；N型氮化鎵(或者鋁鎵氮)層303在未被TiO₂/Al₂O₃圖形覆蓋的Si(111)襯底301區(qū)域形核生長，通過側(cè)向外延模式最后完全填平圖形襯底表面。InGaN/GaN多量子阱層304形成于N型氮化鎵層303上；P型氮化鎵層305形成于InGaN/GaN多量子阱層304上；透明導(dǎo)電層308形成于P型氮化鎵層305上；P金屬電極306形成于透明導(dǎo)電層308上；N金屬電極309形成于Si(111)襯底301背面；氧化硅鈍化層307形成于GaN發(fā)光二極管的臺(tái)面與側(cè)壁上。

首先，由于圖形化硅襯底中內(nèi)嵌了分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)的光能夠被反射至LED的正表面，有效避免了硅襯底的吸光效應(yīng)，因此該垂直結(jié)構(gòu)LED的光提取效率與背鍍DBR的藍(lán)寶石基GaN LED基本相同。其次，N型硅襯底通過圖形化襯底的形核區(qū)與N型GaN層之間形成了垂直的導(dǎo)電通路與散熱通路，因此本實(shí)施例中制備的硅基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡圖形化襯底結(jié)構(gòu)以及垂直結(jié)構(gòu)GaN發(fā)光二極管具有優(yōu)良的大電流工作能力與散熱性能。第三，與傳統(tǒng)的硅基GaN LED相比較，本發(fā)明提供的硅基內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡的圖形化襯底不需要采用硅襯底剝離、晶圓鍵合等復(fù)雜工藝，成品率非常高，制作成本較低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本發(fā)明提供的第二實(shí)施例是在Si襯底上形成內(nèi)嵌分布式布拉格反射鏡的圖形化襯底，不僅可以通過側(cè)向外延生長模式降低晶體的缺陷密度，而且可以通過增加圖形的填充因子，利用DBR結(jié)構(gòu)來將光線反射回LED表面與側(cè)面，從而大幅度減少了襯底對(duì)光的吸收，提高了LED器件的出光效率。采用新型圖形化襯底不需要?jiǎng)冸x原來的硅襯底而能直接形成垂直LED結(jié)構(gòu)，使LED器件在大電流工作時(shí)仍有良好的電流擴(kuò)展性以及散熱能力，在高亮度、低成本LED制造領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。