[实用新型]一种图形化衬底、LED外延片

说明书

本实用新型公开了一种图形化衬底、LED外延片，其中，图形化衬底包括：蓝宝石基板；位于所述蓝宝石基板上的图形化二氧化硅层，所述图形化二氧化硅层包括多个微结构，所述微结构带有侧壁弧度。本实用新型提供的图形化衬底、LED外延片及图形化衬底制备方法通过在蓝宝石基板上形成带有侧壁弧度的二氧化硅微结构，构成图形化二氧化硅层，能够利用侧壁弧度改变微结构对光的有效散射面积，从而使得以其制备而成的LED器件可以打破出光界面的全反射限制，进一步提高LED有源区的出射光出光效率，提高LED的发光效率。

技术领域

本实用新型实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种图形化衬底、LED外延片。

背景技术

以氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金材料为主的III-V族氮化物半导体材料，由于其能带宽度范围可在0.7eV至6.2eV连续可调，且均为直接带隙，以及其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)、激光器、电子功率器件等光电器件的优选材料。特别地，GaN基LED发光波长可从深紫外至远红外波段进行调控，有着非常广泛的应用领域，其中，应用在半导体照明领域的GaN基白光LED器件得到蓬勃发展。

由于GaN单晶材料制备非常困难，又很难找到与GaN晶格匹配的衬底材料，目前99％以上的GaN基LED器件均是通过异质外延生长获得的，所采用的衬底材料主要是蓝宝石基板。然而，蓝宝石与GaN材料的晶格常数相差约15％，也存在严重的热失配问题，这两方面导致在蓝宝石基板上生产的氮化物材料晶体质量差，位错密度达到10⁸-10¹⁰/cm²，从而影响器件的使用寿命和发光效率。氮化物与蓝宝石二种材料的折射率差导致光的全反射限制，使得LED内部大约75％的光被限制在器件内部不能出射，最终形成热散失掉，因此，如何提高基于蓝宝石基板的GaN基LED器件的发光效率，成为制约LED发展的关键问题。

近年来，图形化蓝宝石基板(Patterned sapphire substrate，PSS)技术在GaN基LED外延生长中得到大幅度推广与应用，呈现迅猛发展的势头。PSS技术是首先在蓝宝石基板上制备微/纳米尺寸的微结构图形阵列，并按照侧向外延生长技术的理念，进行金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)外延生长，一步到位获得高品质的GaN基LED外延片。相对平片蓝宝石基板，PSS具有二方面的优势：其一，PSS能减少GaN外延层的位错密度，弛豫异质外延生长过程中产生的应力，从而提高外延材料的晶体质量以减少有源区的非辐射复合，提高内量子效率；其二，PSS可以通过图形阵列对有源层产生的光的反射、衍射作用而减少因材料折射率差异所造成的内部全反射，以提高LED的出光效率，进而提高GaN基LED整体的发光效率。目前，PSS已经成为LED产业的主流衬底材料，相对采用平片蓝宝石基板制作的LED器件，PSS对应的LED器件的光功率增加了30％左右。

由于异质材料界面的折射率差越大，越有利于改变LED内部光子的散射效果，更有利于LED出光效率的提高。然而，蓝宝石折射率(n≈1.78)与GaN材料折射率(n≈2.5)的差值只有0.7左右，不利于进一步提升LED的出光效率；同时，PSS本身与GaN的晶格失配大等因素限制了LED内量子效率的进一步提升。此外，由于蓝宝石材料的化学键能大性能稳定的特点，导致制备PSS的干法刻蚀过程存在刻蚀速率慢、选择比低、设备成本高、产能低、均匀性难以控制等缺点。

实用新型内容

本实用新型提供一种图形化衬底、LED外延片及图形化衬底制备方法，以减少图形化衬底的制备周期，提高图形化衬底的性能，改善外延层的生长品质。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种图形化衬底，包括：

蓝宝石基板；