[发明专利]一种提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法

说明书

本发明公开了一种提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法，其步骤如下：首先在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面生长一层薄膜，接着利用光刻技术对薄膜进行曝光进行图形定义，再对薄膜进行热腐蚀，然后利用除胶液去除薄膜上的光刻胶，在剩余薄膜的表面生长出纳米棒阵列，最后采用等离子体对生长了纳米棒阵列的衬底进行干法刻蚀后就得到了图形化的衬底。本发明在衬底上形成具有一定规律分布的图形，可以通过控制薄膜的厚度来控制衬底图形的宽度，同时可以通过控制单位面积内纳米棒的密集程度来控制衬底图形的高度和表面形貌，从而有效的降低外延薄膜的位错和缺陷密度，增加出光率，提高LED亮度，有利于增强LED的光电特性和延长使用寿命。

技术领域

本发明涉及于LED光电技术领域，尤其是涉及一种提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法。

背景技术

蓝宝石是光电产业极为重要的基础材料，广泛应用于微电子，光电子，光通讯，激光及国防军事等总多领域。蓝宝石晶体又是半导体LED照明最重要的产业化衬底。

LED是一种固态照明光源，它的原理是将电能转化为光能。LED具有寿命长、控制方便、高效能等优点，属于典型的绿色能源。但是在现有的GaN-LED结构中，从有源层发射出来的光经过LED内部全反射、吸收等损耗，最终从LED表面逸出的光不足5％,提高LED的出光效率成了众多学者的研究课题。PSS(Patterned Sapphire Substrate)，是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。图形化蓝宝石衬底可以增加LED的光输出功率及发光效率。由于GaN材料折射率高于蓝宝石衬底以及外部封装树脂，有源区产生的光子在GaN层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率，图形化蓝宝石衬底还可以增大GaN/蓝宝石界面面积，同时在界面处可以形成漫反射，使得原来形成全反射的光子有几率射到器件外，从而提高LED的出光效率。

目前的衬底图形化技术一般都需要较高的成本：涂覆纳米球干法刻蚀技术需要高精度的薄膜涂布设备，设备投资成本高，纳米球本身的原材料价格也较昂贵。而且刻蚀后的图形均为边缘较为平滑凹凸柱状图形，经过外延封装制成的LED的亮度提高不明显，不能满足人们对高亮度LED的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法，解决现有蓝宝石图形化衬底的制备方法成本高，且LED的亮度提高不明显的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：首先对蓝宝石衬底进行洁净处理，在经洁净处理的蓝宝石衬底表面生成一层氧化锌薄膜；接着，在氧化锌薄膜表面涂上一层紫外正向光刻胶，利用光刻技术对涂有紫外正向光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，以在其表面制备所需的图形；然后，对经光刻后的氧化锌薄膜进行HF热腐蚀5-10分钟，热腐蚀完成后使用除胶液，去除氧化锌薄膜上的紫外正向光刻胶；接着在氧化锌薄膜表面制备一组圆柱形氧化锌纳米棒，氧化锌纳米棒的直径为20～50nm，高度为100～500nm，密度为5.606g/cm³；最后，采用等离子体对生长了氧化锌纳米棒的蓝宝石衬底进行刻蚀处理，形成蓝宝石衬底图形。

进一步的，通过刻蚀处理可调整刻蚀反应气体的体积比例和刻蚀时间，能在衬底表面上形成不同程度的锯齿状三角锥形图形。具体采用BCl₃+CHF₃作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700W，下轰击功率为40W，轰击时间为1600S-2000S，反应室内温度为30℃-50℃。

经试验表明，LED亮度在锯齿状三角锥形图形的衬底表面粗糙度为20-200nm之间随着表面粗糙度增大而增大，当表面粗糙度为200nm时，LED亮度最大；接着LED亮度呈现出随着表面粗糙度增大而减小的趋势。