CN103022291B - 一种具有全方位反射镜的图形衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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，包括蓝宝石图形衬底、在所述蓝宝石图形衬底上的全方位反射镜层，所述的蓝宝石图形衬底的单个图形结构为具有倾斜侧壁的圆台状，在所述圆台状图形的倾斜侧壁上设置有全方位反射镜层。本发明通过将全方位反射镜层制备于外延层和图形衬底之间，使本发明能够将射向衬底的光利用全方位反射镜的反射原理反射回上表面，大大提高了发光二极管的出光效率，提示还能抑制缺陷的延伸，有效改善了GaN的晶体质量。

Description

一种具有全方位反射镜的图形衬底及其制备方法

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。MotokazuYamada 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：

一种具有全方位反射镜的图形衬底，包括蓝宝石图形衬底、在所述蓝宝石图形衬底上的全方位反射镜层，所述的蓝宝石图形衬底的单个图形结构为具有倾斜侧壁的圆台状，在所述圆台状图形的倾斜侧壁上有全方位反射镜层。

所述单个圆台状图形的顶面直径2-5μm，相邻图形的间距为1-3μm；

所述的全方位反射镜层为Al₂O₃/SiO₂、Au₂O/SiO₂或Ag₂O/SiO₂其中的一种。

优选的，所述的全方位反射镜层为Al₂O₃/SiO₂，即为交替生长厚度为100nm的SiO₂层和厚度为50nm的Al₂O₃层，重复周期为1-3个。

一种上述图形衬底的制备方法，步骤如下：

(1)在蓝宝石图形衬底上涂上一层光刻胶，对蓝宝石图形衬底上圆台状图形的倾斜侧壁进行光刻胶曝光；

(2)显影去掉步骤(1)中经曝光后的光刻胶；

(3)在经步骤(2)处理过的蓝宝石图形衬底上蒸镀一层Al₂O₃/SiO₂、Au₂O/SiO₂或Ag₂O/SiO₂反射镜层；

(4)将经步骤(3)处理过的蓝宝石图形衬底置于去胶液中去除光刻胶，得具有全方位反射镜的蓝宝石图形衬底；

(5)利用金属有机物化学气相沉淀法(MOCVD)在步骤(4)所述全方位反射镜的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层。

优选的，步骤(1)中所述的蓝宝石图形衬底上圆台状图形的顶面直径2-5μm，相邻图形的间距为1-3μm；

优选的，步骤(1)中所述光刻胶的厚度为1-3μm，所述对光刻胶曝光的时间为10-12s。

优选的，步骤(2)中所述显影时间为45-50s。

步骤(5)中所述GaN层的厚度为5～10μm。

本发明的优良效果如下：

1、本发明在蓝宝石图形衬底的基础上做出ODR反射镜，增加出光机会，大大提高出光效率。

2、本发明在蓝宝石图形衬底的侧壁上制备ODR反射镜，然后在其表面外延生长GaN层，不但能抑制缺陷的延伸，而且能提高GaN的晶体质量。

3、本发明在图形衬底的斜面上制备ODR掩膜层，此种结构不会影响底面的成核生长，外延层更平，出光更高，掩膜不易脱落，更加牢固的附着在图形衬底上。

附图说明

图1是本发明所述蓝宝石图形衬底经步骤(2)处理后的结构示意图；

图2是经步骤(4)处理后，得到的具有全方位反射镜的蓝宝石图形衬底；

图3是在全方位反射镜的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层；

图4是具有全方位反射镜的图形衬底的俯视图；

其中，1、蓝宝石图形衬底，2、光刻胶，3、ODR反射镜层，4、GaN外延层。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。实施例中使用的蓝宝石图形衬底是台湾晶美2英寸图形衬底。

实施例1、

一种具有全方位反射镜的图形衬底，包括蓝宝石图形衬底、在所述蓝宝石图形衬底上的全方位反射镜层，所述的蓝宝石图形衬底的单个图形结构为具有倾斜侧壁的圆台状，所述单个圆台状图形的顶面直径4μm，相邻图形的间距为2μm。在所述圆台状图形的倾斜侧壁上有全方位反射镜层，所述全方位反射镜层为Al₂O₃/SiO₂，即，先在倾斜侧壁上生长一层厚100nm的SiO₂层，再生长一层厚50nm的Al₂O₃层，最后生长一层厚100nm的SiO₂层。

实施例2、

一种如实施例1所述图形衬底的制备方法，步骤如下：

(1)在蓝宝石图形衬底上涂上一层厚1μm的光刻胶，对蓝宝石图形衬底上圆台状图形的倾斜侧壁进行光刻胶曝光10-12s；所述的蓝宝石图形衬底上圆台状图形的顶面直径4μm，相邻图形的间距为2μm；

(2)显影去掉步骤(1)中经曝光后的光刻胶，所述显影时间为45s；

(3)在经步骤(2)处理过的蓝宝石图形衬底上蒸镀一层Al₂O₃/SiO₂反射镜层，即，先在倾斜侧壁上生长一层厚100nm的SiO₂层，再生长一层厚50nm的Al₂O₃层，最后生长一层厚100nm的SiO₂层；

(4)将经步骤(3)处理过的蓝宝石图形衬底置于去胶液中去除光刻胶，得具有全方位反射镜的蓝宝石图形衬底；

(5)利用金属有机物化学气相沉淀法(MOCVD)在步骤(4)所述全方位反射镜的蓝宝石图形衬底上外延生长一层厚8μm的GaN层。

对比例：直接在蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层，未在蓝宝石图形衬底蒸镀全方位反射镜层。

将实施例1所述的一种具有全方位反射镜的图形衬底与对比例分别制成10mil×23mil的发光二极管(LED)管芯，并分别将其置于20mA电流下测试光输出功率，测试数据如表1：

表1

由上表可知，利用本发明的一种具有全方位反射镜的图形衬底制成的LED管芯提高了光输出功率，同时提高了GaN生长的晶体质量。

Claims (5)

1.一种具有全方位反射镜的图形衬底，其特征在于，包括蓝宝石图形衬底和在所述蓝宝石图形衬底上的全方位反射镜层，所述的蓝宝石图形衬底的单个图形结构为具有倾斜侧壁的圆台状，在所述圆台状图形的倾斜侧壁上有全方位反射镜层；所述单个图形结构的顶面直径2-5μm，相邻图形的间距为1-3μm；所述的全方位反射镜层为Al₂O₃/SiO₂，即为交替生长厚度为100nm的SiO₂层和厚度为50nm的Al₂O₃层，重复周期为1-3个。

2.如权利要求1所述的图形衬底的制备方法，步骤如下：

(1)在蓝宝石图形衬底上涂上一层光刻胶，对蓝宝石图形衬底上圆台状图形的倾斜侧壁进行光刻胶曝光；

(2)显影去掉步骤(1)中经曝光后的光刻胶；

(3)在经步骤(2)处理过的蓝宝石图形衬底上蒸镀一层Al₂O₃/SiO₂反射镜层；

(4)将经步骤(3)处理过的蓝宝石图形衬底置于去胶液中去除光刻胶，得具有全方位反射镜的蓝宝石图形衬底；

(5)利用金属有机物化学气相沉淀法在步骤(4)所述全方位反射镜的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的蓝宝石图形衬底上圆台状图形的顶面直径2-5μm，相邻图形的间距为1-3μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述光刻胶的厚度为1-3μm，所述对光刻胶曝光的时间为10-12s；步骤(2)中所述显影时间为45-50s。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述GaN层的厚度为5～10μm。