外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片与流程

1.本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片。


背景技术：

2.发光二极管(英文：light emitting diode，简称：led)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。led的核心结构是外延片，外延片的制作对led的光电特性有着较大的影响。
3.相关技术中，gan基led通常包括蓝宝石衬底、以及层叠在蓝宝石衬底的承载面上的外延结构。蓝宝石衬底通常为图形化衬底，在承载面具有间隔排布的凸起结构，凸起结构可以在生长外延结构时，为外延结构的缓冲层提供稳定的生长空间，以提升外延结构的晶体质量。
4.然而，蓝宝石衬底与gan材料之间存在较大的晶格失配，且在生长的外延结构的厚度较薄的情况下，外延结构的边缘区域在图形化的蓝宝石衬底上容易生长地不平整，进而使外延结构边缘的晶体质量较差，影响led的质量。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种外延片、外延片的制备方法和发光二极管芯片，能改善外延结构的边缘区域在图形化的蓝宝石衬底上生长不平整的问题，提升外延结构的晶体质量。所述技术方案如下：
6.本公开实施例提供了一种外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底和外延结构，所述外延结构位于所述蓝宝石衬底的承载面；所述蓝宝石衬底的承载面具有多个凹槽，多个所述凹槽间隔排布，所述凹槽内填充有氧化硅材料层，且所述氧化硅材料层的表面与所述蓝宝石衬底的承载面平齐。
7.在本公开实施例的一种实现方式中，所述凹槽的深度为5μm至15μm。
8.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凹槽的横截面为圆形，所述凹槽的横截面的直径为2.5μm至3μm，所述凹槽的横截面平行于所述蓝宝石衬底的承载面。
9.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凹槽的横截面为矩形，所述凹槽的横截面的长度为2μm至5μm，所述凹槽的横截面的宽度为1μm至2μm，所述凹槽的横截面平行于所述蓝宝石衬底的承载面。
10.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述凹槽之间的间距为0.2μm至0.5μm。
11.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述蓝宝石衬底的厚度为1200μm至1500μm。
12.本公开实施例了一种蓝宝石衬底的制备方法，所述制备方法包括：提供一蓝宝石衬底；在所述蓝宝石衬底的承载面形成多个凹槽，多个所述凹槽间隔排布；在所述凹槽内填
充氧化硅材料，形成氧化硅材料层，所述氧化硅材料层的表面与所述蓝宝石衬底的承载面平齐；在所述蓝宝石衬底的承载面上外延生长外延结构。
13.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述在所述蓝宝石衬底的承载面形成多个凹槽包括：采用光刻工艺在所述蓝宝石衬底的承载面上刻蚀形成多个所述凹槽，所述凹槽的刻蚀深度为5μm至15μm。
14.在本公开实施例的另一种实现方式中，所述在所述凹槽内填充氧化硅材料，形成氧化硅材料层包括：在所述蓝宝石衬底的表面沉积氧化硅材料，使氧化硅材料填充所述凹槽且覆盖所述蓝宝石衬底的承载面，形成氧化硅膜层；减薄所述氧化硅膜层直至露出所述蓝宝石衬底的承载面，形成所述氧化硅材料层。
15.本公开实施例提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括如前文所述的外延片。
16.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
17.本公开实施例提供的外延片中蓝宝石衬底的承载面具有多个间隔分布的凹槽，且凹槽内填充有氧化硅材料层，氧化硅材料层的表面和蓝宝石衬底的承载面平齐，以形成平片式的衬底，即在蓝宝石衬底的表面无凸起结构。
18.由于gan材料难以在氧化硅的表面直接生长，因此在外延生长的初始阶段，gan缓冲层会选择性地避免在氧化硅材料层的表面生长，在随后三维生长中，gan缓冲层重结晶晶种后继续长大为“岛”。“岛”与“岛”之间合并时，会不可避免的接触氧化硅材料层的表面，此时“岛”与“岛”间合并所产生缺陷的位置由于很难附着在氧化硅材料层的表面，因此缺陷位置应力可以在氧化硅材料层的表面处得到释放，同时减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构的生长质量。
19.并且，相较于图形化的蓝宝石衬底，该外延片中的蓝宝石衬底无凸起结构，在，生长厚度较薄的外延结构时更容易使外延结构的边缘区域铺平，使得外延结构的边缘区域生长更平整。因而，提升能有效外延片的片内波长与厚度均匀性，改善外延片的晶体质量。
附图说明
20.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本公开实施例提供的一种外延片的结构示意图；
22.图2是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的结构示意图；
23.图3是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的俯视图；
24.图4是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底的俯视图；
25.图5是本公开实施例提供的一种外延片的制备方法的流程图；
26.图6是本公开实施例提供的一种外延片的制备流程图；
27.图7是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图；
28.图8是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图；
29.图9是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图。
30.图中各标记说明如下：
31.10、蓝宝石衬底；11、承载面；
32.20、凹槽；201、氧化硅材料层；202、氧化硅膜层；203、光刻胶；
33.30、外延结构。
具体实施方式
34.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
35.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
36.图1是本公开实施例提供的一种外延片的结构示意图。如图1所示，外延片包括蓝宝石衬底10和外延结构30，所述外延结构30位于所述蓝宝石衬底10的承载面11。
37.图2是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底10的结构示意图。如图2所示，所述蓝宝石衬底10的承载面11具有多个凹槽20，多个所述凹槽20间隔排布，所述凹槽20内填充有氧化硅材料层201，且所述氧化硅材料层201的表面与所述蓝宝石衬底10的承载面11平齐。
38.本公开实施例提供的外延片中蓝宝石衬底10的承载面11具有多个间隔分布的凹槽20，且凹槽20内填充有氧化硅材料层201，氧化硅材料层201的表面和蓝宝石衬底10的承载面11平齐，以形成平片式的衬底，即在蓝宝石衬底10的表面无凸起结构。
39.由于gan材料难以在氧化硅的表面直接生长，因此在外延生长的初始阶段，gan缓冲层会选择性地避免在氧化硅材料层201的表面生长，在随后三维生长中，gan缓冲层重结晶晶种后继续长大为“岛”。“岛”与“岛”之间合并时，会不可避免的接触氧化硅材料层201的表面，此时“岛”与“岛”间合并所产生缺陷的位置由于很难附着在氧化硅材料层201的表面，因此缺陷位置应力可以在氧化硅材料层201的表面处得到释放，同时减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
40.并且，相较于图形化的蓝宝石衬底10，该外延片中的蓝宝石衬底10无凸起结构，在，生长厚度较薄的外延结构30时更容易使外延结构30的边缘区域铺平，使得外延结构30的边缘区域生长更平整。因而，提升能有效外延片的片内波长与厚度均匀性，改善外延片的晶体质量。
41.同时，蓝宝石衬底10、氧化硅材料层201的表面与gan基的外延结构30存在较大的折射率差异，因此来自外延结构30的发光层的光线可以在各基质交界面处实现全反射，提高发光二极管芯片的正向出光。
42.本公开实施例中，外延结构30可以是依次层叠在蓝宝石衬底10上的gan缓冲层、n
型gan层、多量子阱层和p型gan层，其中，多量子阱层为交替层叠的ingan层和gan层，即该外延层的材料为gan。
43.其中，gan的折射率为2.45，蓝宝石衬底10的折射率为1.77，氧化硅的折射率为1.5。这样gan缓冲层和蓝宝石衬底10的交界面存在较大的折射率差异，且gan缓冲层和氧化硅材料层201的交界面也存在较大的折射率差异。因而能提升交接界面处光线的全反射比例，以提升发光二极管芯片的发光效率。
44.可选地，凹槽20的深度为5μm至15μm，凹槽20的深度方向垂直于蓝宝石衬底10的承载面11。
45.凹槽20的深度在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10上填充了足量的氧化硅材料，在生长外延结构30的过程中，使氧化材料层能起到充分释放应力的作用，减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
46.作为示例，本公开实施例中，凹槽20的深度为10μm。
47.在一些实现方式中，图3是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底10的俯视图。如图3所示，凹槽20的横截面为圆形。
48.其中，凹槽20的横截面平行于蓝宝石衬底10的承载面11。
49.相较于将凹槽20设置为矩形，将凹槽20的横截面设置为圆形能让凹槽20之间的间隙更大，以使圆形的凹槽20分布较为疏松。由于gan材料难以在氧化硅的表面直接生长，因此圆形的凹槽20能以让蓝宝石衬底10上保留有较大面积的整块区域生长外延结构30，改善外延结构30的生长质量。
50.示例性地，凹槽20的横截面的直径为2.5μm至3μm。
51.凹槽20的孔径在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10上每个凹槽20的氧化硅材料层201与外延结构30相对的面积足够大，这样在生长外延结构30的过程中，使氧化材料层能起到充分释放应力的作用，减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
52.作为示例，本公开实施例中，凹槽20的横截面的直径为2.8μm。
53.在另一些实现方式中，图4是本公开实施例提供的一种蓝宝石衬底10的俯视图。如图4所示，凹槽20的横截面为矩形。
54.相较于将凹槽20设置为圆形，将凹槽20的横截面设置为矩形能让凹槽20之间的间隙较小，在相同尺寸的蓝宝石衬底10形成更多数量的凹槽20，这样就有更多的氧化硅材料层201能进行释放应力，以减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
55.示例性地，凹槽20的横截面的长度为2μm至5μm，凹槽20的横截面的宽度为1μm至2μm。
56.凹槽20的横截面的长度和宽度在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10上每个凹槽20的氧化硅材料层201与外延结构30相对的面积足够大，这样在生长外延结构30的过程中，使氧化材料层能起到充分释放应力的作用，减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
57.作为示例，本公开实施例中凹槽20的横截面的长度为3μm，凹槽20的横截面的宽度为1μm。
58.可选地，如图1所示，凹槽20之间的间距为0.2μm至0.5μm。
59.凹槽20之间的间距在以上范围内，可以保证在蓝宝石衬底10上的凹槽20能以合理
的间距分布，且让蓝宝石衬底10的承载面11上有足量的区域生长外延层。同时，也保证蓝宝石衬底10的承载面11上有适量的凹槽20以填充氧化硅材料，形成氧化硅材料层201，起到充分释放应力的作用，减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
60.作为示例，本公开实施例中凹槽20之间的间距为0.4μm。
61.可选地，蓝宝石衬底10的厚度为1200μm至1500μm。作为示例，本公开实施例中，蓝宝石衬底10的厚度为1350μm。
62.图5是本公开实施例提供的一种外延片的制备方法的流程图。如图5所示，该制备方法包括：
63.步骤s11：提供一蓝宝石衬底10。
64.步骤s12：在蓝宝石衬底10的承载面11形成多个凹槽20。
65.其中，多个凹槽20间隔排布。
66.步骤s13：在凹槽20内填充氧化硅材料，形成氧化硅材料层201。
67.其中，氧化硅材料层201的表面与蓝宝石衬底10的承载面11平齐。
68.步骤s14：在蓝宝石衬底10的承载面11上外延生长外延结构30。
69.该制备方法制备的外延片中蓝宝石衬底10的承载面11具有多个间隔分布的凹槽20，且凹槽20内填充有氧化硅材料层201，氧化硅材料层201的表面和蓝宝石衬底10的承载面11平齐，以形成平片式的衬底，即在蓝宝石衬底10的表面无凸起结构。
70.由于gan材料难以在氧化硅的表面直接生长，因此在外延生长的初始阶段，gan缓冲层会选择性地避免在氧化硅材料层201的表面生长，在随后三维生长中，gan缓冲层重结晶晶种后继续长大为“岛”。“岛”与“岛”之间合并时，会不可避免的接触氧化硅材料层201的表面，此时“岛”与“岛”间合并所产生缺陷的位置由于很难附着在氧化硅材料层201的表面，因此缺陷位置应力可以在氧化硅材料层201的表面处得到释放，同时减少缺陷继续向上延伸的概率，提升外延结构30的生长质量。
71.并且，相较于图形化的蓝宝石衬底10，该外延片中的蓝宝石衬底10无凸起结构，在，生长厚度较薄的外延结构30时更容易使外延结构30的边缘区域铺平，使得外延结构30的边缘区域生长更平整。因而，提升能有效外延片的片内波长与厚度均匀性，改善外延片的晶体质量。
72.同时，蓝宝石衬底10、氧化硅材料层201的表面与gan基的外延结构30存在较大的折射率差异，因此来自外延结构30的发光层的光线可以在各基质交界面处实现全反射，提高发光二极管芯片的正向出光。
73.可选地，蓝宝石衬底10为通过蓝宝石材料制备的平片结构。
74.在步骤s11中，可以对蓝宝石衬底10进行预处理，将蓝宝石衬底10置于mocvd反应腔中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理15分钟。
75.具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时mocvd反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。
76.示例性地，蓝宝石衬底10的厚度可以是1200μm至1500μm。例如，蓝宝石衬底10的厚度可以是1350μm。
77.图6是本公开实施例提供的一种外延片的制备流程图。如图6所示，在步骤s12之
前，制备方法还包括：对蓝宝石衬底10进行标准清洗，对清洗后的蓝宝石衬底10进行匀胶，将正型光刻胶203与稀释剂按照1：1至1∶3的比例混合均匀，后旋涂在蓝宝石衬底10表面。
78.示例性地，光刻胶203与稀释剂之间的比例可以是1∶1。
79.其中，采用匀胶机将光刻胶203旋涂在蓝宝石衬底10的表面，匀胶机的转速为3000rpm至4000rpm，旋涂时间为30s至60s。
80.示例性地，匀胶机的转速为3000rpm，旋涂时间为40s。
81.然后，对旋涂光刻胶203后的蓝宝石衬底10进行热处理，烘烤时间为1min至3min，烘烤温度为100℃至150℃。
82.示例性地，烘烤时间为2min，烘烤温度为120℃。
83.在步骤s12中在蓝宝石衬底10的承载面11形成多个凹槽20可以包括：采用光刻工艺在蓝宝石衬底10的承载面11上刻蚀形成多个凹槽20，凹槽20的刻蚀深度为5μm至15μm。具体可以包括以下两步：
84.第一步，图7是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图。如图7所示，将涂覆有光刻胶203的蓝宝石衬底10进行曝光，连续曝光时间为30s至60s，将曝光完成后的样品进行丙酮清洗，除去曝光位置的光刻胶203。
85.其中，光刻板掩膜孔径可根据设计调整，例如，光刻板掩膜孔径为2.5μm至3μm，且孔径彼此间距为0.2μm至0.5μm。
86.示例性地，光刻板掩膜孔径为2.8μm，且孔径彼此间距为0.4μm。
87.第二步，图8是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图。如图8所示，对曝光去胶后的蓝宝石衬底10进行标准干法刻蚀，刻蚀深度为5μm至15μm，然后，对刻蚀完毕的蓝宝石衬底10进行去胶和标准清洗。
88.示例性地，刻蚀深度为10μm。
89.步骤s13中，在凹槽20内填充氧化硅材料，形成氧化硅材料层201可以包括以下两步：
90.第一步，图9是本公开实施例提供的一种外延片的制备状态图。如图9所示，在蓝宝石衬底10的表面沉积氧化硅材料，使氧化硅材料填充凹槽20且覆盖蓝宝石衬底10的承载面11，形成氧化硅膜层202。
91.可选地，对清洗后具有凹槽20的蓝宝石衬底10进行化学气相沉积(chemical vapor deposition，简称cvd)沉积氧化硅材料，以形成氧化硅膜层202。
92.示例性地，氧化硅膜层202的沉积厚度为10μm至50μm。例如，氧化硅膜层202的沉积厚度为30μm。
93.第二步，如图2所示，减薄氧化硅膜层202直至露出蓝宝石衬底10的承载面11，形成氧化硅材料层201。
94.可选地，对沉积有氧化硅膜层202直的蓝宝石衬底10进行减薄，减薄厚度为10μm至40μm，直至均匀暴露出蓝宝石衬底10表面的蓝宝石基质，且氧化硅材料层201限定出的图案清晰，完成减薄后蓝宝石衬底10的厚度为1200μm至1500μm。
95.示例性地，蓝宝石衬底10的厚度为1350μm。
96.步骤s14可以包括：在蓝宝石衬底10的承载面11上依次外延生长gan缓冲层、n型gan层、多量子阱层和p型gan层。
97.其中，多量子阱层为交替层叠的ingan层和gan层。
98.本公开实施例中，采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：metal organic chemical vapor deposition，简称：mocvd)设备实现外延层的生长。
99.具体制备过程如下：
100.首先，在温度为1000℃至1200℃环境下，生长一层厚度700nm的gan缓冲层。
101.接着，在温度为1000℃至1200℃环境下，生长一层厚度500nm至1000nm的n型gan层。生长压力为200torr。
102.接着，在氮气氛围且生长压力为150torr，温度为1040℃条件下，生长5个周期的多量子阱层，多量子阱层中ingan层和gan层的厚度分别为3nm和11nm。
103.然后，在温度为980℃，生长压力为200torr的环境下，生长一层p型gan层，厚度为30nm。
104.最后，在氮气氛围下，退火30分钟，完成外延层的生长过程。
105.本公开实施例提供了一种发光二极管芯片，该发光二极管芯片包括如前文所述的外延片。
106.以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。