一种多复合层图形化蓝宝石衬底的制作方法

本实用新型涉及发光二极管领域，尤其涉及一种多复合层图形化蓝宝石衬底。

背景技术：

gan作为第三代半导体，是国内外研究的热点，蓝宝石作为异质外延gan的衬底材料，具有良好的物理性质和化学性质，其生产技术成熟，机械强度高，易于处理，是目前异质外延gan应用最广泛的材料之一。但是在蓝宝石上直接沉积时，由于衬底与gan晶格失配过大，沉积出的gan薄膜应变较大，外延缺陷严重，量子阱质量下降，导致漏电严重。而aln薄膜2与gan晶格配度好，能提高gan生长质量，使外延光学性能变好。aln属ⅲ-ⅴ族化合物绝缘材料，具有高熔点、高硬度、低热膨胀系数和良好的光学性能等特点，可作为蓝宝石晶圆与gan之间的缓冲层，提高外延制备质量。

目前图形化蓝宝石衬底都存在出光率不高的情况，大部分光被限制在led芯片内，现多数研究是通过改变器件中的光回路来提高光提取效率，结构单一且效果不佳。

sio2具有绝热性好，光透过率高，抗腐蚀能力强，良好的介电性质等特点，有极其稳定的化学性质，这些优良的特性在半导体领域具有巨大的应用潜力，若将其作为蓝宝石衬底上微图形的主要材料，能有效提高光提取效率。本实用新型提出一种采用sio2和aln薄膜在蓝宝石晶圆上制成的多复合层图形化蓝宝石衬底结构。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种多复合层图形化蓝宝石衬底。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种多复合层图形化蓝宝石衬底，包括使用al2o3材料制成的衬底，所述衬底的顶部铺设有aln材料制成的薄膜，所述薄膜的顶部设有多个经过黄光和刻蚀形成的圆锥体，所述圆锥体包括上下分层的sio2部和aln部，且所述sio2部位于所述aln部的上方；设光线在薄膜中的波长为λ，所述薄膜的厚度为h，那么所述薄膜的厚度h≥λ/4。

优选的，所述薄膜的顶部设置有n-gan层。

优选的，所述n-gan层的顶部设置有源区。

优选的，所述有源区的顶部设置有p-gan层。

优选的，所述n-gan层的顶部连接有n型电极。

优选的，所述p-gan层的顶部连接有p型电极。

本实用新型的有益效果为：

第一，aln薄膜作为蓝宝石衬底生长gan的c面材料，可以解决蓝宝石和gan之间因较大的晶格失配而导致的应变，提高外延生长质量；第二，aln薄膜厚度为λ/4，由于薄膜干涉原理，aln薄膜在sio2层与al2o3衬底中间相当于一层增反膜，可增加光线正面出光率，进一步提高光效；第三，微图形圆锥体上层的主要材料为sio2，有利于gan生长过程中衬底c面和图形斜面的表面势能差值的提高，图形斜面sio2材料与gan材料之间产生的层错(stackingfaults)能有效地阻挡穿透位错（td）往上延伸，改善量子阱发光区的晶体质量，从而提升led的内量子效率；第四，sio2具有低的折射率，有利于降低gan与sio2界面的全反射角度，进而增大内部光子从led顶部出光面出射的几率，从而提高led的出光率。

附图说明

图1为本实用新型所述多复合层图形化蓝宝石衬底的结构图；

图2为多复合层图形化蓝宝石衬底的芯片结构示意图；

图3为当光线由发光层入射至图形化的sio2层时蓝宝石衬底的光路图；

图4为当光线入射角大于36.6°时，在gan和sio2两介质表面发生全反射的光路图；

图5本实用新型所述多复合层图形化蓝宝石衬底中aln膜作用下的光路图。

图中标号：1、衬底，2、薄膜，3、圆锥体，31、sio2部，32、aln部，4、n-gan层，5、有源区，6、p-gan层，7、p型电极，8、n型电极。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1和图2，一种多复合层图形化蓝宝石衬底，包括使用al2o3材料制成的衬底1，衬底1的顶部铺设有aln材料制成的薄膜2，薄膜2的顶部设有多个经过黄光和刻蚀形成的圆锥体3，圆锥体3包括上下分层的sio2部31和aln部32，且sio2部31位于aln部32的上方；设光线在薄膜2中的波长为λ，薄膜2的厚度为h，那么薄膜2的厚度h≥λ/4。实际sio2部31和aln部32在圆锥体内的容积占比为4:1。

在本实施例中，薄膜2的顶部设置有n-gan层4。

在本实施例中，n-gan层4的顶部设置有源区5。

在本实施例中，有源区5的顶部设置有p-gan层6。

在本实施例中，n-gan层4的顶部连接有n型电极8。

在本实施例中，p-gan层6的顶部连接有p型电极7。

工作原理：制作的时候首先在衬底1上制作一层aln薄膜2，然后在aln薄膜2上沉积一层sio2层，形成多层复合晶圆，通过黄光和蚀刻制程对复合晶圆进行表面微图形处理，最后在复合晶圆上制成周期性排列的、由sio2和aln材料共同构成的圆锥体微图形，即圆锥体3，此时具有多复合层的图形化衬底制备完成，如图1，进而在多复合层图形化蓝宝石衬底1上进行gan外延及芯片制备，制备出的芯片具有发光效率高、性能稳定等特点。

参考图3-图5，gan折射率约为2.45，sio2折射率约为1.46，aln折射率约为2.086，al2o3折射率约为1.77，光线自发光层入射到具有多层复合结构的图形化衬底上，在复合衬底内部介质表面进行多重反射及折射，由折射定律n1*sinɑ=n2*sinβ（ɑ为入射角，β为反射角，n1为入射光所在介质的折射率，n2为折射光所在介质的折射率），当光线由发光层入射至图形化的sio2层时，光线是由光密介质进入光疏介质，入射角小于折射角，如图3，sio2具有较低的折射率使入射光的全反射角降低，容易形成全反射，提高出光率，当入射角大于36.6°时，在gan和sio2两介质表面发生全反射，如图4；而在多层复合衬底内部，aln薄膜2折射率高于sio2层与al2o3衬底，光线由上至下通过光疏介质到光密介质再到光疏介质，在aln薄膜2的前表面反射时会有半波损失，同一束光在膜的后表面反射时没有半波损失，因而，两束光的光程差为δ=2d+λ/2，为增加光线的反射，于是δ=kλ，膜的厚度d=（2k-1）λ/4，aln膜的最小厚度为λ/4，利用薄膜2干涉原理，使薄膜2上、下表面对光线的反射光发生相长干涉，增加光线的反射，减少光线的透射，相当于一层增反膜，提高正面出光率，如图5。

本实用新型的有益效果为：第一，aln薄膜2作为蓝宝石衬底1生长gan的c面材料，可以解决蓝宝石和gan之间因较大的晶格失配而导致的应变，提高外延生长质量；第二，aln薄膜2厚度为λ/4（λ为光线在aln薄膜2中的波长），由于薄膜2干涉原理，aln薄膜2在sio2层与al2o3衬底中间相当于一层增反膜，可增加光线正面出光率，进一步提高光效；第三，微图形结构上层的主要材料为sio2，有利于gan生长过程中衬底c面和图形斜面的表面势能差值的提高，图形斜面sio2材料与gan材料之间产生的层错(stackingfaults)能有效地阻挡穿透位错（td）往上延伸，改善量子阱发光区的晶体质量，从而提升led的内量子效率；第四，sio2具有低的折射率，有利于降低gan与sio2界面的全反射角度，进而增大内部光子从led顶部出光面出射的几率，从而提高led的出光率。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。