专利名称：Led外延片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及发光二级管(LED)制造领域，特别是涉及一种LED外延片。
背景技术：
无机半导体材料，如氮化镓基材料、磷化镓基材料和镓氮磷基材料等无机材料，可以通过掺入其它元素(铟或者铝)来实现蓝光、绿光或紫外光的发光二极管(lightemitting diode，简称LED)，因此在显示、照明和存储等领域有非常广泛的应用。从上世纪30年代开始，人们就开始了对无机半导体材料的广泛研究，尤其是在90年代初，人们发现了利用低温生长的无机半导体材料成核层可以很大程度提高无机半导体材料外延层的晶格质量，而由此制作出了高亮度的LED器件。 目前虽然无机半导体材料的LED产品取得了很大的进展，但仍有一些关键问题有待解决首先是无法为外延层提供合适的衬底，这样在外延层异质外延生长的过程中会导致晶格不匹配，热不匹配等问题，并且伴随着较大的位错缺陷密度，针对这个问题，有人采用横向外延生长技术(Lateral Epitaxial Over grown,简称ELOG技术)来生长高质量的氮化物外延膜；另外一个问题就是LED发光提取效率。由于无机半导体材料和空气的折射率相差较大，导致二者界面的全反射临界只有23°左右，因此，由有源层发出的光被大部分被全反射回外延层，这样经过多次的内部反射和有源层对反射光的再吸收过程，出光效率大大降低，目前，为了提高发光效率，一些人对LED的发光面进行粗糙化，即利用激光辐照，腐蚀或刻蚀的办法使得表面形成粗糙层，从而提高出光效率。另外，在目前的LED市场上，由于传统的平面电极结构的LED芯片中存着电流拥挤效应和发光面积小的问题，垂直电极结构的LED芯片成为主流解决方案之一。为了实现这种垂直结构，需要复杂且昂贵的紫外激光剥离设备来实现衬底与外延片的分离。但是由于在衬底上生长的无机半导体材料外延层存在较大的晶格常数和热膨胀系数不匹配，因此，在激光剥离过程当中会产生局部的巨大的机械应力，导致激光剥离面凹凸不平，并伴随着裂纹的出现。并且由于激光脉冲引起的次声波效应使得大量应力集中在芯片内部，从而会导致制作LED芯片有较大的漏电流。综上所述，在目前的LED产品中仍然存在着外延层晶格质量低，出光效率弱，以及在垂直结构的LED产品中，激光剥离设备价格昂贵和剥离面的质量差等问题，虽然有一些方法可以单一解决上述问题，但不能同时改善上述三个问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种LED外延片，可以同时解决上述三个问题，即能够提高外延层晶格质量，改善平面结构的LED芯片出光效率，同时针对垂直结构的LED芯片，避免了使用价格昂贵的激光剥离设备，并且使剥离面的质量得到保证。为解决上述技术问题，本实用新型提供一种LED外延片，包括衬底；[0009]图形层，所述图形层具有纳米凸起图形，所述纳米凸起图形之间具有空隙间隔，所述图形层设置于所述衬底上；外延层，所述外延层设置在所述图形层上。进一步的，所述纳米凸起图形的横截面形状为三角形、多边形或圆形。进一步的，所述纳米凸起图形的宽度为O. 05um-0. 8um,高度为Ium-IOum,所述纳米凸起图形之间的空隙间隔的宽度为O. 5um-5um。进一步的，所述纳米凸起图形的顶部具有平台。进一步的，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底或氧化锌衬 。进一步的,所述外延层的材料包括氮化镓基材料、磷化镓基材料、镓氮磷基材料及氧化锌基材料中的一种或几种的组合。进一步的，所述LED外延片设置于制备平面结构LED芯片、不需要剥离的垂直结构LED芯片或需要剥离的垂直结构LED芯片中。进一步的，所述LED外延片设置于制备平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯片中，所述图形层的材料包含碳化硅、氮化镓、氧化锌、硫化锌、氧化镁、二氧化钛及氧化铝的一种或几种的组合。进一步的，所述LED外延片设置于制备需要剥离的垂直结构LED芯片中，所述图形层的材料包含氧化锌、硫化锌及氧化镁的一种或几种的组合。与现有技术相比，本实用新型提供的LED外延片具有以下优点I.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间设置一层具有纳米凸起图形的图形层，一方面，由于图形层与外延层的晶格匹配优于衬底与外延层的晶格匹配，因此，在图形层上生长的外延层的晶格质量要高于直接在衬底上生长外延层，使早期在图形层上生长的外延层种子层的晶格质量本身就得到极大的提高；另一方面，随着外延层的不断生长和厚度增加，通过生长条件的控制，由于晶体生长方向垂直于位错运动方向，因此大大降低外延层中的扩展位错密度，使得在横向外延生长过程中外延层逐渐合并，从而整个外延层连成一片，从而再次提高了外延层的晶格质量。2.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间具有一层具有纳米凸起图形的图形层，图形层具有粗糙的表面，可以对外延层向下射出的光通过散射效应反射到上表面，从而提高了光提取效率；另外，外延层覆盖所述图形层的纳米凸起图形的顶部，图形层的纳米凸起图形之间是保留空隙间隔的，所以该空隙间隔形成空气泡，由于空气与图形层的材料之间存在较大的折射率差，因此当该LED外延片用于平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯片时，该空气泡会对外延层向下出射的光有较强的散射和反射作用，从而可以大大提高LED的出光效率和外量子效率。3.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间具有一层具有纳米凸起图形的图形层，当将该LED外延片用于垂直结构LED芯片时，需要把衬底和外延层分离，利用图形层材料的化学易腐蚀特性，避免复杂并且昂贵的紫外激光剥离工艺，采用无损伤无机械分离且简单可行的化学剥离技术，大大降低激光剥离对外延片的损伤而造成的漏电流和良率低的问题，同时采用化学剥离技术可以对LED外延片进行批量处理，并且图形层的纳米凸起图形之间具有空隙间隔，空隙间隔增加了化学反应的表面积，有助于加快化学反应的速度。
图I为本实用新型第一实施例的LED外延片的结构的截面示意图；图2为本实用新型第一实施例的LED外延片的图形层纳米凸起图形的横截面形状示意图；图3为本实用新型第一实施例的LED外延片的衬底与外延层分离过程示意图；图4为本实用新型第一实施例的LED外延片的制作方法的流程图；图5a-图5c为本实用新型第二实施例的LED外延片的图形层纳米凸起图形的横 截面形状示意图。其中，101、衬底；102、图形层；103、外延层；121、纳米凸起图形；122、空隙间隔；131、缓冲层；132、第一限制层；133、发光层；134、第二限制层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本实用新型的LED外延片进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。本实用新型的核心思想在于，提供一种LED外延片，该LED外延片的衬底与外延层之间设置有一层具有纳米凸起图形的图形层，具有纳米凸起图形的图形层可以能够提高外延层晶格质量，改善出光效率，同时在对衬底与外延层进行剥离时，避免了使用价格昂贵的激光剥离设备，并且保证了剥离面的质量。结合上述核心思想，本实用新型提供一种LED外延片，LED外延片包括衬底；图形层，所述图形层具有纳米凸起图形，所述纳米凸起图形之间具有空隙间隔，所述图形层设置于所述衬底上；外延层，所述外延层设置在所述图形层上。进一步，结合上述LED外延片，本实用新型还提供了一种制造方法，包括以下步骤步骤Sll，提供衬底；步骤S12，在所述衬底上制备图形层；步骤S13，在所述图形层上制备外延层。以下结合核心思想，详细说明本实用新型所述LED外延片。以下列举所述LED外延片的几个实施例，以清楚说明本实用新型的内容，应当明确的是，本实用新型的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本实用新型的思想范围之内。第一实施例以下请参考图1，其为本实用新型第一实施例的LED外延片的结构的截面图。[0041 ] 本实用新型所述LED外延片中，所述图形层通过沉积工艺直接形成。如图I所示，在本实施例中，衬底101可以从以下一组材料中选出，该组材料包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底，在较佳的实施例中，衬底101选取蓝宝石衬底，因为蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中，并且，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。图形层102设置于衬底101上，图形层102具有纳米凸起图形121，纳米凸起图形121之间具有空隙间隔122。在较佳的实施例中，纳米凸起图形121的顶部具有平台，纳米凸起图形121的顶部的平台有利于外延层103在生长时保留图形层102的空隙间隔122。在本实施例中，由于衬底101选取蓝宝石衬底，外延层103为氮化镓基材料，所以图形层102的材料较佳的选择氧化锌材料。氮化镓和氧化锌均为六方晶体，氧化锌的图形层102与氮化镓基外延层103的晶格匹配优于蓝宝石材料的衬底101，因此在氧化锌的图形层102上形成氮化镓基外延层103时外延层103的晶格质量更高。而且氮化镓的外延层生长是通过横·向外延生长来覆盖氧化锌图形层的，由于晶体生长方向垂直于位错运动方向，因此大大降低外延层中的扩展位错密度，使得在横向外延生长过程中外延层逐渐合并，从而整个外延层连成一片，从而再次提高了外延层的晶格质量。同时氧化锌的纳米凸起图形的制备容易控制，并且氧化锌是两性氧化物，能与酸碱反应，在实现对衬底101与外延层103的分离时容易进行化学湿法腐蚀。但其它材料，如硫化锌、氧化镁等可以通过化学湿法腐蚀去除掉的材料，亦在本实用新型的思想范围之内。另外，当本实施例的LED外延片用于制备平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯片时，图形层102的材料还可以选择碳化硅、氮化镓、二氧化钛、氧化铝等不易被化学腐蚀材料。应注意，图形层102的材料和外延层103的材料较佳的选择同种晶型的材料以保证图形层102和外延层103之间具有好的晶格匹配。图形层102通过沉积工艺直接形成，沉积工艺为化学气相沉积或者物理气相沉积工艺沉积，其中，化学气相沉积为金属有机化合物化学气相淀积或等离子增强化学气象沉积，物理气相沉积为分子束外延、激光脉冲沉积或磁控溅射。在本实施例中，在衬底101上沉积图形层102的过程中，可通过对化学气相沉积或者物理气相沉积工艺中环境的控制，使氧化锌的原子自团簇，直接沉积形成纳米凸起图形121，纳米凸起图形121之间具有空隙间隔122，所以图形层102具有粗糙的表面。然后通过控制纵向和横向生长速度比，纳米凸起图形121顶部出现平台，呈现柱形，由于图形层102的材料为氧化锌，氧化锌属于六方晶体，因此纳米凸起图形121的横截面形状为六边形，如图2所示。当图形层102的材料不选择氧化锌时，直接沉积形成的纳米凸起图形121的横截面形状可以为其它形状，如四边形，具体的形状由所选材料的晶型决定。纳米凸起图形121的宽度为O. 05-0. 8um，高度为l_10um，空隙间隔122的宽度为O. 5-5um。较佳的，纳米凸起图形121的宽度为O. lum、0. 2um、0. 3um、0. 5um、0. 6um、0. 7um,高度为 2um、3um、5um、6um、8um、9um,空隙间隔 122 的宽度为 lum、l. 5um、2um、2. 5um、3um、4um0外延层103设置于图形层102上，用于激发出光，外延层103的材料包括氮化镓基材料、磷化镓基材料、镓氮磷基材料或氧化锌基材料。在较佳的实施例中，所述外延层103覆盖图形层102的纳米凸起图形121的顶部的平台部分，图形层102的纳米凸起图形121之间保留空隙间隔122，所以空隙间隔122形成空气泡，该空气泡会对外延层向下出射的光有较强的散射和反射作用，从而可以大大提高LED的出光效率和外量子效率，另外，当需要利用化学剥离技术把衬底101和外延层103分离时，空隙间隔122增加了化学反应的表面积，有助于加快化学反应的速度。此外，还可对外延层103的发光面进行粗糙化，从而提高出光效率。以下说明本实施例的LED外延片的制备方法。参考图4，其为本实用新型第一实施例的LED外延片的制作方法的的流程图。首先进行步骤S11，提供衬底101。然后进行步骤S12，在衬底101上制备图形层102，图形层102通过化学气相沉积或者物理气相沉积工艺沉积，在生长过程中，通过对化学气相沉积或者物理气相沉积工艺中环境的控制，使图形层102的氧化锌原子自团簇，直接沉积形成纳米凸起图形121，纳米凸起图形121之间具有空隙间隔122。然后通过控制纵向和横向生长速度比，纳米凸起图形121顶部出现平台，呈现柱形。 最后进行步骤S13，采用横向外延法生长在图形层102上制备外延层103。本实施例的LED外延片用于制备平面结构LED芯片或垂直结构LED芯片。在较佳的实施例中，将本实施例的LED外延片用于制备平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯片时，本实施例的LED外延片用于做平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯的衬底和外延层，其中，与衬底101接触的图形层102下部的纳米凸起图形121之间保留空隙间隔122，所以该空隙间隔形成空气泡，该空气泡会对外延层向下出射的光有较强的散射和反射作用，从而可以大大提高LED的出光效率和外量子效率。另外，可以将本实施例的LED外延片用于制备需要剥离的垂直结构LED芯片，本实施例的LED外延片用于做需要剥离的垂直结构LED芯的外延层，在将衬底101与外延层的分离时，利用化学湿法腐蚀图形层102的方法来实现，见图3。由于图形层102的材料选择了可以被化学腐蚀的材料，所以可以采用无损伤无机械分离且简单可行的化学剥离技术，避免复杂并且昂贵的紫外激光剥离工艺，同时可以实现批量处理，大大降低激光剥离对外延片的损伤而造成的漏电流和良率低的问题。在本实施例中，该LED外延片中纳米凸起图形是沉积图形层时通过直接生长形成，纳米凸起图形的横截面形状由图形层所选材料的晶型决定。第二实施例本实施例在第一实施例的基础上，区别在于图形层102的形成过程包括先通过沉积工艺在形成纳米凸起图形121前先形成膜层，所述沉积工艺为化学气相沉积或者物理气相沉积工艺沉积；以及在所述膜层上制备所述纳米凸起图形121，得到所述图形层102。在第二实施例中，同样可以通过化学气相沉积或者物理气相沉积工艺生长膜层，但不需要对化学气相沉积或者物理气相沉积工艺中环境进行控制，直接沉积出膜层，这时不具有纳米凸起图形121及空隙间隔122。然后通过电子束光刻技术，在膜层上刻出纳米凸起图形121，纳米凸起图形121之间具有空隙间隔122，从而得到图形层102。由于在本实施例中采用电子束光刻技术制备纳米凸起图形121，所以纳米凸起图形121的横截面形状可以按需要进行控制，较佳的，横截面形状包括三角形、多边形及圆形，其它图形如不规则图形亦在本实用新型的思想范围之内。图5a-图5c为本实用新型第二实施例的LED外延片的图形层纳米凸起图形的横截面形状示意图。在图中，相同的参考标号表示等同于图I中标号，如图5a-图5c所示，纳米凸起图形121的横截面形状为三角形、五边形及圆形。[0053]本实施例中采用电子束光刻技术制备亦可得到具有纳米凸起图形121的图形层102，采用采用电子束光刻技术制备纳米凸起图形121时，纳米凸起图形121的横截面形状可以按需要进行控制，不受图形层102材料的限制。图形层102的设置可以达到能够提高外延层晶格质量，改善平面结构的LED芯片出光效率，同时针对垂直结构的LED芯片，避免了使用价格昂贵的激光剥离设备，并且剥离面的质量得到保证的有益效果。综上所述，本实用新型所述LED外延片，在衬底和外延层之间设置一层图形层，所述图形层具有纳米凸起图形，所述纳米凸起图形之间具有空隙间隔。与现有技术相比，本实用新型提供的LED外延片具有以下优点I.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间设置一层具有纳米凸起图形的图形层，一方面，由于图形层与外延层的晶格匹配优于衬底与外延层的晶格匹配，因
此，在图形层上生长的外延层的晶格质量要高于直接在衬底上生长外延层，使早期在图形层上生长的外延层种子层的晶格质量本身就得到极大的提高；另一方面，随着外延层的不断生长和厚度增加，通过生长条件的控制，由于晶体生长方向垂直于位错运动方向，因此大大降低外延层中的扩展位错密度，使得在横向外延生长过程中外延层逐渐合并，从而整个外延层连成一片，从而再次提高了外延层的晶格质量。2.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间具有一层具有纳米凸起图形的图形层，图形层具有粗糙的表面，可以对外延层向下射出的光通过散射效应反射到上表面，从而提高了光提取效率；另外，外延层覆盖所述图形层的纳米凸起图形的顶部，图形层的纳米凸起图形之间保留空隙间隔的，所以该空隙间隔形成空气泡，由于空气与图形层的材料之间存在较大的折射率差，因此当该LED外延片用于平面结构LED芯片时，该空气泡会对外延层向下出射的光有较强的散射和反射作用，从而可以大大提高LED的出光效率和外量子效率。3.在本实用新型提供的LED外延片在衬底与外延层之间具有一层具有纳米凸起图形的图形层，当将该LED外延片用于垂直结构LED芯片时，需要把衬底和外延层分离，利用图形层材料的化学易腐蚀特性，避免复杂并且昂贵的紫外激光剥离工艺，采用无损伤无机械分离且简单可行的化学剥离技术，大大降低激光剥离对外延片的损伤而造成的漏电流和良率低的问题，同时采用化学剥离技术可以对LED外延片进行批量处理，并且图形层的纳米凸起图形之间具有空隙间隔，空隙间隔增加了化学反应的表面积，有助于加快化学反应的速度。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种LED外延片，包括 衬底； 图形层，所述图形层具有纳米凸起图形，所述纳米凸起图形之间具有空隙间隔，所述图形层设置于所述衬底上； 外延层，所述外延层设置在所述图形层上。
2.如权利要求I所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米凸起图形的横截面形状为三角形、多边形或圆形。
3.如权利要求I所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米凸起图形的宽度为O.05um-0. 8um,高度为Ium-IOum,所述纳米凸起图形之间的空隙间隔的宽度为O. 5um_5um。
4.如权利要求I所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米凸起图形的顶部具有平台。
5.如权利要求I所述的LED外延片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底或氧化锌衬底。
6.如权利要求I所述的LED外延片，其特征在于，所述外延层的材料包括氮化镓基材料、磷化镓基材料、镓氮磷基材料及氧化锌基材料中的一种或几种的组合。
7.如权利要求I至6中任意一项所述的LED外延片，其特征在于，所述LED外延片设置于制备平面结构LED芯片、不需要剥离的垂直结构LED芯片或需要剥离的垂直结构LED芯片中。
8.如权利要求7所述的LED外延片，其特征在于，所述LED外延片设置于制备平面结构LED芯片或不需要剥离的垂直结构LED芯片中，所述图形层的材料包含碳化硅、氮化镓、氧化锌、硫化锌、氧化镁、二氧化钛及氧化铝的一种或几种的组合。
9.如权利要求7所述的LED外延片，其特征在于，所述LED外延片设置于制备需要剥离的垂直结构LED芯片中，所述图形层的材料包含氧化锌、硫化锌及氧化镁的一种或几种的组合。
专利摘要本实用新型揭示了一种LED外延片，该LED外延片包括衬底；图形层，所述图形层具有纳米凸起图形，所述纳米凸起图形之间具有空隙间隔，所述图形层设置于所述衬底上；外延层，所述外延层设置在所述图形层上。本实用新型提供的LED外延片，可以能够提高外延层晶格质量，改善LED芯片出光效率，同时针对需要剥离的垂直结构的LED芯片，避免了使用价格昂贵的激光剥离设备，并且剥离面的质量得到保证。
文档编号H01L33/22GK202633369SQ20122032556
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者高耀辉, 张昊翔, 封飞飞, 金豫浙, 万远涛, 李东昇, 江忠永 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司