CN102237459B - 一种制备led器件出光结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备LED器件出光结构的方法，属于LED器件的制备技术领域。该方法具体是，在图形的蓝宝石衬底(PSS)上生长GaN外延片，然后使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的光斑对PSS蓝宝石衬底进行逐点逐行激光扫描，将GaN外延片与具有图形的蓝宝石衬底剥离，制备出周期性光栅结构和纳米粗糙结构复合的LED器件出光结构。本发明近乎无损的实现蓝宝石衬底与GaN外延片的分离，出光结构的表面由微米量级的周期性光栅结构和排布在周期性的光栅结构之中的深度和直径在10纳米到500纳米之间的纳米粗糙结构组合而成，从而提高了LED器件的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED器件的制备技术，尤其涉及一种制备LED器件出光结构的方法。
背景技术
以GaN以及InGaN，AlGaN为主的III/V氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，使其成为激光器，发光二极管等光电子器件的最优选材料。
由于GaN基材料本身折射率的限制，使得GaN基LED器件的外量子效率很低。通过研究，人们发现，在GaN出光面制作一些结构，可以有效地提高出光效率。其出光结构主要包括三种：(1)表面粗糙化结构；(2)微米量级的周期性结构(光栅)；(3)光子晶体结构(纳米周期性结构)。
采用表面粗糙化的出光结构，其原理是增加表面的出光面积，并且使有源层产生的光到达器件出光表面时拥有更多的入射角选择，可以提高出光比例。众多的实验结果证明，使用表面粗化的结构，可以将外量子效率提高30％左右。
在出光结构上制备微米量级的周期性结构(光栅)，其提高器件光萃取效率的主要原理是利用光衍射，即光线在通过狭缝或小尺寸障碍物的时候会发生衍射现象，从而增加光跃过障碍的能力。使用表面微米周期性的结构，可以将外量子效率提高超过50％左右。
器件表面的光子晶体结构特征是在GaN基LED器件的出光表面，制备周期尺寸在几十纳米到几百纳米之间的一维，二维或三维的密排的结构。其结构可以是圆锥坑、柱、方形坑或柱等各种结构。其提高器件光萃取效率除了利用光衍射的原理之外，还利用了光子带隙的原理。光子带隙是指纳米量级结构会产生对某段波长光在某个方向的传播禁止的效果，可控制光的行进方向，以达到增加出光的结果，增加器件的外量子效率。众多的实验结果证明，使用光子晶体结构，可以将外量子效率提高超过80％左右。
通常制备这些出光结构的方法主要有干法或湿法腐蚀、电子束曝光利用聚焦离子束(FIB)刻蚀等。
干法或湿法腐蚀主要是用来制备表面粗糙化结构，利用离子对GaN材料的刻蚀作用，或者是H3PO4等腐蚀性溶液将GaN表面腐蚀出粗糙不平的结构，来增加表面出光面积以及改变光线出射时的出射角，增加外量子效率。
电子束曝光是利用光刻胶作掩模，使用电子束曝光出微米量级的周期性结构图形，然后使用干法刻蚀技术在器件表面刻蚀出微米量级的周期性图形的方法，它多用来制作微米量级的光栅结构。
聚焦离子束刻蚀(FIB)方法需要利用SEM作为媒介，利用离子束直接在GaN表面刻蚀，从而制备结构。FIB的特点是可以加工非常精细的结构，比如纳米量级的光子晶体结构。
上述方法各有优缺点，从制作精密程度上，三种方法精确度依次增加，但是制作成本也依次增加。湿法刻蚀比较容易，对出光的效果增加最小，而电子束曝光和FIB制作成本太高，不太适合实际工业生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用PSS衬底制备出周期性光栅结构和纳米粗糙结构复合表面的LED器件出光结构。
本发明的技术方案如下：
一种制备LED器件出光结构的方法，其步骤包括：
1)在PSS蓝宝石衬底上生长GaN外延片；
2)使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的光斑对PSS蓝宝石衬底进行逐点逐行激光扫描，将GaN外延片与PSS蓝宝石图形衬底剥离，制备出周期性光栅结构和纳米粗糙结构组合的LED器件出光结构。
所述光斑内部的能量分布可为光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部能量可呈高斯分布或近似高斯分布。
以固体激光器为激光光源，激光扫描的能量密度可为500-700mJ/cm2。
所述PSS蓝宝石图形衬底的周期性图形可为凸起或凹陷的圆锥体、圆柱体、三角锥体、三角柱体、四角锥体、四角柱体、五角锥体、五角柱体、六角锥体、六角柱体、八角锥体或八角柱体。
所述外延片结构可包括非掺杂n型GaN层，掺杂n型GaN层，量子阱或p型GaN层，其制备方法为：首先在PSS蓝宝石衬底上生长20-1000纳米左右的GaN成核层，然后继续生长非掺杂n型GaN层、掺杂n型GaN层、量子阱或p型GaN层，形成GaN外延片。
所述外延片的厚度可为2-80微米。
在步骤2)之前，可将PSS蓝宝石衬底上生长的GaN外延片与一支撑基片键合，该支撑基片包括厚度在100-1000微米范围的Si衬底、Cu衬底、Fe衬底、Ni衬底或陶瓷衬底
本发明的技术优点和效果：
PSS(Patterned Structure Substrates)蓝宝石衬底的生长原理类似于ELOG外延技术。利用图形衬底技术在蓝宝石衬底表面制作具有突起的圆锥形细微结构的图形，如图1所示，然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延，图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，表面的图形为GaN生长提供了多种生长晶向的选择，而GaN沿图形表面生长速率不同，从而达到了使晶格失配位错在衬底生长区发生弯曲并合拢。可有效的抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率。PSS衬底以其简单的工艺、相对低廉的成本、良好的效果、取代ELOG技术成为了各大LED生产研发企业开发高亮度大功率LED器件的首选衬底材料。
传统的激光剥离技术都是使用大光斑(光斑周长大于1000微米)依次排布，逐片剥离的方法来实现GaN基器件与蓝宝石衬底的分离。这种大光斑剥离技术的缺点是，由于光斑面积内能量涨落较大，应力在边缘高度集中，容易在光斑边缘处的GaN基材料严重破损。其破损深度可从零点几个微米到几个微米不等，且不可避免。这样就严重限制了GaN基器件激光剥离的工艺。相对于大光斑，本发明采用小光斑更容易实现光斑激光能量的渐变。
在现有技术中，大光斑内的能量是均匀的，在光斑边缘能量发生骤变，故容易造成损伤，原有脉冲光斑能量分布如图2a所示，图中x轴表示光斑边长方向，y轴表示能量大小，x轴零点位置对应光斑中心。在本发明中，改变了光斑内部的能量分布状况，不再一味的追求能量均匀化，而是考虑了光斑边缘能量的渐变，能量分布可如图2b所示。正是由于强调了光斑边缘区域的能量的渐变过程(从靠近光斑中心能量较强区到远离中心的能量较弱区的渐变)，从而改善了GaN基材料在光斑边缘的受力状况，实现了小光斑的无损激光剥离。
使用本发明所述的激光剥离技术，可以明显改善激光剥离的效果，近乎无损的实现蓝宝石与GaN外延片的分离，并且完美的还原GaN外延片与蓝宝石衬底生长时的界面状态，制备的出光结构的表面由微米量级(1微米-100微米)的周期性的光栅结构，和排布在周期性的光栅结构之中的深度(高度)和直径在10纳米到500纳米之间的纳米粗糙表面结构组合而成。
附图说明
图1所示PSS蓝宝石衬底表面的圆锥形细微结构；
图2所示光斑剥离技术中光斑能量分布，其中(a)为现有技术大光斑能量分布示意图；(b)为本发明小光斑能量分布示意图；
图3所示本发明实施例制备的GaN基LED外延片的周期性光栅结构和纳米粗糙结构的复合表面，其中(a)为微米量级的周期性光栅结构；(b)为光栅结构中的深度和直径在10纳米到500纳米之间的纳米粗糙表面结构。
具体实施方式
下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例一
1)使用PSS蓝宝石衬底，其衬底图形为周期性图形，图形可为凸起或凹陷的圆锥体、圆柱体、三角锥(柱)体、五角锥(柱)体、四角锥(柱)体、六角锥(柱)体、八角锥(柱)体等各种形式；本实施例选用为圆锥体；圆锥底面直径为1-10微米，优选1-6微米，本实施例使用5.15微米；圆锥体高度为0.1-5微米，优选0.5-2微米，本实施例使用1.2微米；图形周期为1-15微米，优选1-10微米，本实施例使用6微米；图形占空比为1∶1-1∶15，其中优选1∶1-1∶2，本实施例使用5.15∶6。圆锥形结构图形成密堆积堆放方式，如图1所示。
2)在上述PSS衬底上使用MOCVD生长技术生长GaN基LED外延片，外延片结构包括非掺杂n型GaN层，掺杂n型GaN层，量子阱以及p型GaN层，总厚度在2-80微米之间，优选3-50微米，本实施例使用5微米厚。
其生长过程是首先在PSS蓝宝石衬底上生长200-400纳米左右的GaN成核层，然后继续生长200-400nm左右上述GaN基LED外延片，两者会逐步融合在一起，形成完整晶体。成核层会在衬底圆包图形尖端尤为明显，因此，会在GaN外延片界面周期性图形中形成纳米粗糙结构。
3)将生长完毕的GaN基LED外延片连同蓝宝石衬底键合到另一基片上，形成剥离后的GaN基LED外延片的支撑。该支撑基片可以选取厚度在100-1000微米范围的Si衬底、Cu衬底、Fe衬底、Ni衬底等半导体以及金属衬底，或者是陶瓷衬底，本实施例使用厚度为400微米的Si衬底。
4)使用激光剥离技术将PSS蓝宝石衬底剥离，即使用YAG固体激光光源发出近高斯分布的激光光斑，光斑直径在7mm左右，通过整形镜以及扩束镜，聚焦镜等光学系统将激光光斑聚焦为周长为3～1000微米，且两个最远角相距距离或最长直径不超过400微米的小光斑，且光斑能量分布呈高斯分布或近似高斯分布。本实施例优选光斑为近方形光斑，光斑边长为80微米，能量分布为光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。激光剥离过程的激光能量密度为500-700mJ/cm2，激光脉冲宽度为38ns，使用上述的固体激光剥离技术可实现对样品的无损剥离。在剥离后的GaN基LED外延片表面制备出表面周期性光栅结构和纳米粗糙结构的复合表面出光结构，如图3所示。
实施例二：
根据下列步骤制备表面周期性光栅结构和纳米粗糙的表面组合出光结构。
1)使用PSS蓝宝石图形衬底，其衬底图形为周期性图形，图形可为凸起或凹陷的圆锥体、圆柱体、三角锥(柱)体、五角锥(柱)体、四角锥(柱)体、六角锥(柱)体、八角锥(柱)体等各种形式；本实施例选用为圆柱体；圆柱底面直径为1-10微米，优选1-6微米，本实施例使用3微米；圆柱体高度为0.1-5微米，优选0.5-2微米，本实施例使用1.2微米；图形周期为1-15微米，优选1-10微米，本实施例使用3.5微米；图形占空比为1∶1-1∶15，其中优选1∶1-1∶2，本实施例使用3∶3.5。
2)在上述制备的PSS衬底上使用MOCVD生长技术生长GaN基LED外延片，外延片结构包括非掺杂n型GaN层，掺杂n型GaN层，量子阱以及p型GaN层，总厚度在2-80微米之间，优选3-50微米，本实施例使用5微米厚。
3)将生长完毕的GaN基LED外延片连同蓝宝石衬底键合到另一衬底上，其衬底可以选取厚度在100-1000微米厚的Si衬底、Cu衬底、Fe衬底、Ni衬底等半导体以及金属衬底，或者是陶瓷衬底，本实施例使用厚度为200微米的Cu衬底。
4)使用YAG固体激光光源发出近高斯分布的激光光斑，光斑直径在7mm左右，通过整形镜以及扩束镜，聚焦镜等光学系统将激光光斑聚焦为周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑。本实施例优选光斑为近方形光斑，光斑边长为50微米。使用上述的固体激光剥离技术实现对样品的无损剥离，激光剥离过程的激光能量密度为500-700mJ/cm2，激光脉冲宽度为38ns，使用上述的无损激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离，剥离后露出的GaN基LED外延片表面及制备出表面周期性光栅结构和纳米粗糙结构的复合表面出光结构。
实施例三：
根据下列步骤制备表面周期性光栅结构和纳米粗糙的表面组合出光结构。
1)使用PSS蓝宝石图形衬底，其衬底图形为周期性图形，图形可为凸起或凹陷的圆锥体、圆柱体、三角锥(柱)体、五角锥(柱)体、四角锥(柱)体、六角锥(柱)体、八角锥(柱)体等各种形式；本实施例选用为六角柱体；六角柱柱底面直径为1-10微米，优选1-6微米，本实施例使用4微米；柱体高度为0.1-5微米，优选0.5-2微米，本实施例使用1.2微米；图形周期为1-15微米，优选1-10微米，本实施例使用5微米；图形占空比为1∶1-1∶15，其中优选1∶1-1∶2，本实施例使用4∶5。
2)在上述制备的PSS衬底上使用MOCVD生长技术生长GaN基LED外延片，外延片结构包括非掺杂n型GaN层，掺杂n型GaN层，量子阱以及p型GaN层，总厚度在2-80微米之间，优选3-50微米，本实施例使用5微米厚。
3)将生长完毕的GaN基LED外延片连同蓝宝石衬底键合到另一衬底上，其衬底可以选取厚度在100-1000微米厚的Si衬底、Cu衬底、Fe衬底、Ni衬底等半导体以及金属衬底，或者是陶瓷衬底，本实施例使用厚度为200微米的陶瓷衬底。
4)使用YAG固体激光光源发出近高斯分布的激光光斑，光斑直径在7mm左右，通过整形镜以及扩束镜，聚焦镜等光学系统将激光光斑聚焦为周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑。本实施例优选光斑为近方形光斑，光斑边长为120微米。使用上述的固体激光剥离技术实现对样品的无损剥离，激光剥离过程的激光能量密度为500-700mj/cm2，激光脉冲宽度为38ns，使用上述的无损激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离。剥离后露出的GaN基LED外延片表面及制备出表面周期性光栅结构和纳米粗糙结构的复合表面出光结构。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (8)
1.一种制备LED器件出光结构的方法，其步骤包括：
1)在PSS蓝宝石衬底上生长GaN外延片；
2)使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的光斑对PSS蓝宝石衬底进行逐点逐行激光扫描，将GaN外延片与PSS蓝宝石图形衬底剥离，制备出周期性光栅结构和纳米粗糙结构组合的LED器件出光结构，所述光斑内部的能量分布为光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱，所述整个光斑内部能量呈高斯分布或近似高斯分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以固体激光器为激光光源，激光扫描的能量密度为500-700mJ/cm2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PSS蓝宝石图形衬底的周期性图形为凸起或凹陷的圆锥体、圆柱体、三角锥体、三角柱体、四角锥体、四角柱体、五角锥体、五角柱体、六角锥体、六角柱体、八角锥体或八角柱体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延片结构包括非掺杂n型GaN层，掺杂n型GaN层，量子阱或p型GaN层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，首先在PSS蓝宝石衬底上生长20-1000纳米左右的GaN成核层，然后继续生长非掺杂n型GaN层、掺杂n型GaN层、量子阱或p型GaN层，形成GaN外延片。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述外延片的总厚度为2-80微米。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)之前，将PSS蓝宝石衬底上生长的GaN外延片与一支撑基片键合。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述支撑基片为半导体、金属基片或陶瓷基片，包括厚度在100-1000微米范围的Si衬底、Cu衬底、Fe衬底、Ni衬底或陶瓷衬底。
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| CN102237459A (zh) | 2011-11-09 |
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