[发明专利]一种具有全方位反射镜的图形衬底及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有全方位反射镜的图形衬底及其制备方法，属于光电子技术领域。

背景技术

GaN基材料的外延层主要是生长在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产应用成熟、质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械硬度高，易于处理和清洗，因大多数GaN-LED采用蓝宝石衬底生长，蓝宝石衬底上生长GaN材料，存在较多的问题，其中最大的问题是表面出光问题，虽然GaN基LED已经产业化，但是芯片出光效率低的问题仍然没有很好的解决。根据GaN基LED的发光性质来看，一般可以用来提高GaN基LED的发光效率主要有两种途径，一种是提高其内量子效率，一种是提高其外量子效率。由于GaN功率型LED材料一般都是采用MOCVD的外延生长和多量子阱的结构，但是提升内量子效率不明显。

经研究发现组装的InGaN LED能有效的降低体内的位错密度，主要是由于衬底上的微型图形改变了GaN生长，抑制了缺陷的进一步延伸，从而降低了GaN体内的缺陷密度。出光效益的增强的原因是非辐射复合中心(位错和点缺陷)的减少使其发光效益增加。Motokazu Yamada et al.利用PSS(Patterned Sapphire Substrate)技术研究了UV-LED，结果发现在20mA的正向电流注入下，出光效益达到35.5％。解释其原因是PSS结构的衬底使朝下的光的传播方向从几乎规定的方向到任意方向能有效提高LED的出光效益。PSS制备工艺比较简单，且均匀性，稳定性较好，制作成本低，所以得到广泛应用。PSS一方面可以解决由于蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配这一问题，同时PSS微型图形结构改变了GaN的生长过程，能够抑制缺陷向外延表面延伸，降低了外延的缺陷密度。另一方面，GaN与蓝宝石衬底的折射率和空气的折射率存在差距，GaN材料的折射率(2.4)高于蓝宝石衬底(1.7)和空气的折射率(1.0)，PSS图形结构改变了有源区发出光的传播路线，有源区发出的光入射到PSS图形上反射回去，经过GaN材料入射到GaN与空气的界面，与普通蓝宝石平面比较，减小了入射角，减少全反射的机会，增加出光机会，使更多的光经PSS结构作用反射出来，这样就提高了光提取效率。

但是LED结区发出的光是向上、下两个表面出射的，而封装好的LED是“单向”出光的，因此，有必要将向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即为透明衬底法，但是这种方法的成本较高、工艺复杂。本专利研究的是由多层交替的高折射率和低折射率材料组成的ODR结构，它位于外延层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用ODR反射原理反射回上表面，在PSS基础上更加增加出光效率，同时提高GaN的晶体质量。

中国专利文件201773864U公开了一种具有高反射镜的氮化镓基倒装发光二极管的专利，是在LED芯片的呈周期性的凹凸状的透明导电层粗化表面上覆盖分布布拉格反射镜，可以使分布布拉格反射镜呈相应的周期性凸凹状，起到高反射镜的作用，但是该专利是在LED芯片的导电层上制作反射镜，容易影响导电层的作用，造成芯片电压高。本专利在图形衬底上制备ODR结构，然后生长外延层，克服了这一缺点。

中国专利文件201110058547.3公开了一种含有图形化DBR结构的衬底：在衬底平面上制出周期性的DBR图形，所述DBR图形的周期为6-20μm，图形尺寸为3-10μm，在DBR图形中以TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、Zr₂O中的两种或三种为介质膜材，交替蒸镀在衬底的DBR图形上，交替周期为2-15个。该专利是在平片衬底上制备出图形DBR，形成一个周期性DBR结构；但是该专利制备出的DBR图形结构后再生长外延层有一定的困难，三维生长受到影响，不容易长平，另外在平片上做DBR结构需要介质膜有一定的粘附性，否则图形会成片状脱落，导致图形不均匀。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种具有全方位反射镜的图形衬底。本发明还提供一种上述衬底的制备方法。

术语解释：

1.ODR：全方位反射镜。

2.GaN-LED：GaN基发光二极管。

3.PSS图形：Patterned sapphire substrate蓝宝石图形衬底。

本发明的技术方案如下：