CN105304775A - 具有低折射率微纳结构层的led图形化衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，涉及半导体器件,步骤是：在图形衬底表面沉积低折射率材料层；在低折射率材料层上沉积金属镍薄膜；快速高温热退火，形成金属镍纳米阵列；干法刻蚀低折射率材料层；湿法去除镍。本发明方法在已有的图形衬底上通过微纳加工的方法使图形衬底上覆盖一层微纳结构化的低折射率材料薄膜层，通过避免光刻对准工艺，克服了现有技术对设备要求非常高和光刻难于精确对准的缺陷。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及半导体器件,具体地说是具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法。
背景技术
发光二极管(以下简称LED)具有节能环保等优点受到广泛重视。尤其大功率白光二极管作为第三代照明光源已经由室外装饰和工程照明逐渐走进家庭室内照明，并正在取代白炽灯和荧光灯。
发光效率是LED的一个重要参数，表示二极管把电转换为光的能力。影响LED发光效率的主要因素有电注入效率、内量子阱效率、光提取效率。通过芯片结构和外延技术的优化和改进，电注入效率和内量子阱效率都已达到较高值，其中氮化镓基LED蓝光的内量子阱效率已普遍达到70％以上。而目前LED光提取效率依然较低，成为限制LED发光效率进一步提高的主要因素。平面衬底LED的光提取效率只有21％。LED光提取效率较低主要是因为芯片材料折射率一般较大，光在芯片与空气的界面处发生全反射，而全反射角较小，只有很少的1/4n2一部分光能被提取出去。波长为460nm的光在氮化镓中的折射率为2.4，空气界面处全反射临界角较小只有23.5°，理论上只有约4％的光能被提取出去,其余被反射的光在芯片内部以波导形式存在直至被吸收。
现有技术中，表面粗化及图形衬底技术是最广泛用来提高LED光提取效率的方法，并且图形衬底技术已经在工业上得到大量使用，由于其不但能提高LED的光提取效率还能进一步改善外延薄膜的晶体质量。CN201410584703公开了一种具有低折射率材料的LED图形化衬底的制备方法，该方法利用低折率材料薄膜包裹微米图形的图形部位，从而可以进一步提高图形化衬底LED的光提取效率。但是，该方法制备技术中需要利用到光刻对准技术，本发明的发明人在实际采用该方法的制备过程中发现，微米级别的图形对准对光刻设备要求非常高，一般的光刻机难于控制到亚微米的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，是在已有的图形衬底上通过微纳加工的方法使图形衬底上覆盖一层微纳结构化的低折射率材料薄膜层，通过避免光刻对准工艺，克服了现有技术对设备要求非常高和光刻难于精确对准的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，步骤如下：
第一步，沉积低折射率材料层：
在LED图形化衬底上沉积低折射率材料层；
第二步，沉积金属镍薄膜：
在第一步沉积的低折射率材料层上沉积金属镍薄膜；
第三步，快速高温热退火：
对第二步沉积的金属镍薄膜进行快速高温热退火使金属镍薄膜变成金属镍纳米颗粒阵列，退火条件是：高温热退火温度为600℃～1200℃，常温升到高温的时间为10s～1000s,高温持续时间为10s～1000s；
第四步，干法刻蚀：
干法刻蚀去除无金属镍纳米颗粒阵列保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层；
第五步，湿法去除镍：
湿法去除由第三步变成的金属镍纳米颗粒阵列，得到经第四步干法刻蚀后剩余的低折射率材料所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所述LED图形化衬底为蓝宝石图形衬底、碳化硅图形衬底、氮化镓图形衬底或氮化铝图形衬底。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所述LED图形化衬底上的图形为凸出图形或凹坑图形。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所述低折射率材料为折射率在1～2.4之间的材料。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所述低折射率材料优选为氧化硅或氮化硅。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所述第一步中沉积的低折射率材料的厚度为10～1000nm。
上述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，所涉及的原料、沉积工艺、干法刻蚀工艺和湿法去除金属镍纳米颗粒阵列以及所用的设备均是本技术领域熟知的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明方法具有如下的突出的实质性特点：
(1)与CN201410584703公开的需要利用光刻对准的现有技术相比，本发明方法为了避免光刻对准工艺，发明人通过对工艺的不断对比和研究，开发出利用低成本的镍退火工艺制备纳米图形化的折射率材料覆盖整个微米LED图形化衬底的技术方案。这个方案中，低折射率纳米结构是不仅存在于微米LED图形化衬底的图形上，而且在微米图形之间的间隙处也存在，因此具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底能进一步增加对光的散射效果，提高LED效率，并且整个工艺过程中避免了光刻对准技术，而是利用低成本的镍退火工艺，克服了现有CN201410584703公开的技术对设备要求非常高和难于控制加工到亚微米精度的缺陷。
(2)本发明方法提出的技术方案是在LED图形化衬底的表面覆盖一层微纳结构图形化的低折射率材料，这样不仅能保持LED图形化衬底的图形形貌对光的散射作用，而微纳结构图形化的低折射率材料将进一步加强这种散射效果，使更多的光被直接散射到氮化镓中而不是进入衬底传播。
与现有技术相比，本发明方法具有如下的显著进步：
(1)本发明方法增加了LED图形化衬底对LED内部光的散射作用，提高LED的发光效率。
(2)本发明方法去除了现有技术LED图形化衬底再加工过程中的光刻对准工艺，克服了光刻难于精确对准的缺陷。
(3)本发明方法工艺简单、制作的成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明方法基本流程示意框图；
图2是本发明方法的工艺流程示意图，其中：
图2(a)为LED图形化衬底的形状示意图；
图2(b)为在LED图形化衬底上沉积的低折射率材料层的示意图；
图2(c)为在低折射率材料层上积淀的一层金属镍薄膜的示意图；
图2(d)为利用高温快速热退火，金属镍薄膜变成金属镍纳米颗粒阵列的示意图；
图2(e)为经干法刻蚀和湿法去除金属镍纳米颗粒阵列之后得到的具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底构成的示意图。
图中，10.LED图形化衬底，11-0.低折射率材料层，11-1.剩余的低折射率材料，12.金属镍薄膜，13.金属镍纳米颗粒阵列。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明方法基本流程为：在图形衬底表面沉积低折射率材料层→在低折射率材料层上沉积金属镍薄膜→快速高温热退火，形成金属镍纳米阵列→干法刻蚀低折射率材料层→湿法去除镍。
进一步详细地说本发明方法流程是：在LED图形化衬底10上沉积低折射率材料层11-0；在沉积的低折射率材料层11-0上沉积金属镍薄膜12；对沉积的金属镍薄膜12进行快速高温热退火使金属镍薄膜12变成金属镍纳米颗粒阵列13；干法刻蚀去除无金属镍纳米颗粒阵列保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层11-0；湿法去除变成的金属镍纳米颗粒阵列，得到经干法刻蚀后剩余的低折射率材料11-1所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备。
图2(a)所示实施例表明，本发明方法的LED图形化衬底10具有圆柱凸出图形。
图2(b)所示实施例表明，在LED图形化衬底10上沉积了低折射率材料层11-0。
图2(c)所示实施例表明，在LED图形化衬底10上沉积的低折射率材料层11-0上沉积了金属镍薄膜12。
图2(d)所示实施例表明，在LED图形化衬底10上沉积的低折射率材料层11-0上沉积的金属镍薄膜12变成了金属镍纳米颗粒阵列13。
图2(e)所示实施例表明，在LED图形化衬底10上沉积经干法刻蚀后剩余的低折射率材料11-1所构成的低折射率微纳结构层，LED图形化衬底10与剩余的低折射率材料11-1构成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底。
实施例1
第一步，沉积低折射率材料层11-0：
在有凸出图形的蓝宝石图形衬底的LED图形化衬底10上沉积低折射率材料层11-0氧化硅，其厚度为10nm；
第二步，沉积金属镍薄膜12：
在第一步沉积的低折射率材料层11-0氧化硅上沉积金属镍薄膜12；
第三步，快速高温热退火：
对第二步沉积的一层金属镍薄膜12进行快速高温热退火使金属镍薄膜12变成镍纳米颗粒阵列13，退火条件是：高温热退火温度为600℃，常温升到高温的时间为10s,高温持续时间为10s；
第四步，干法刻蚀：
干法刻蚀去除无镍纳米颗粒阵列13保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层11-0氧化硅；
第五步，湿法去除镍：
湿法去除第三步变成的镍纳米颗粒阵列13，得到经第四步干法刻蚀后剩余的低折射率材料氧化硅11-1所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底10的制备。
实施例2
第一步，沉积低折射率材料层11-0：
在有凹坑图形的碳化硅图形衬底的LED图形化衬底10上沉积低折射率材料层11-0氮化硅，其厚度为500nm；
第二步，沉积金属镍薄膜12：
在第一步沉积的低折射率材料层氮化硅11-0上沉积金属镍薄膜12；
第三步，快速高温热退火：
对第二步沉积的一层金属镍薄膜12进行快速高温热退火使金属镍薄膜12变成金属镍纳米颗粒阵列13，退火条件是：高温热退火温度为900℃，常温升到高温的时间为500s,高温持续时间为500s；
第四步，干法刻蚀：
干法刻蚀去除无金属镍纳米颗粒阵列13保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层氮化硅11-0；
第五步，湿法去除镍：
湿法去除第三步变成的金属镍纳米颗粒阵列13，得到经第四步干法刻蚀后剩余的低折射率材料氮化硅11-1所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底10的制备。
实施例3
第一步，沉积低折射率材料层11-0：
在有凸出图形的氮化镓图形衬底的LED图形化衬底10上沉积低折射率材料层11-0氧化硅，其厚度为1000nm；
第二步，沉积金属镍薄膜12：
在第一步沉积的低折射率材料层氧化硅上沉积金属镍薄膜12；
第三步，快速高温热退火：
对第二步沉积的一层金属镍薄膜12进行快速高温热退火使金属镍薄膜12变成金属镍纳米颗粒阵列13，退火条件是：高温热退火温度为1200℃，常温升到高温的时间为11000s,高温持续时间为1000s；
第四步，干法刻蚀：
干法刻蚀去除无金属镍纳米颗粒阵列13保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层氧化硅；
第五步，湿法去除镍：
湿法去除第三步变成的金属镍纳米颗粒阵列13，得到经第四步干法刻蚀后剩余的低折射率材料氧化硅所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底10的制备。
实施例4
除LED图形化衬底10为氮化铝图形衬底之外，其他同实施例2。
上述实施例中，所涉及的原料、沉积工艺、干法刻蚀工艺和湿法去除金属镍纳米颗粒阵列13以及所用的设备均是本技术领域熟知的，其中的所用低折射率材料除氧化硅或氮化硅之外，还可选用折射率在1～2.4之间的其他材料。
Claims (6)
1.具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于步骤如下：
第一步，沉积低折射率材料层：
在LED图形化衬底上沉积低折射率材料层；
第二步，沉积金属镍薄膜：
在第一步沉积的低折射率材料层上沉积金属镍薄膜；
第三步，快速高温热退火：
对第二步沉积的金属镍薄膜进行快速高温热退火使金属镍薄膜变成金属镍纳米颗粒阵列，退火条件是：高温热退火温度为600℃～1200℃，常温升到高温的时间为10s～1000s,高温持续时间为10s～1000s；
第四步，干法刻蚀：
干法刻蚀去除无金属镍纳米颗粒阵列保护的暴露出来的第一步沉积的低折射率材料层；
第五步，湿法去除镍：
湿法去除由第三步变成的金属镍纳米颗粒阵列，得到经第四步干法刻蚀后剩余的低折射率材料所构成的低折射率微纳结构层，由此完成具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备。
2.根据权利要求1所述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于：所述LED图形化衬底为蓝宝石图形衬底、碳化硅图形衬底、氮化镓图形衬底或氮化铝图形衬底。
3.根据权利要求1或2所述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于：所述LED图形化衬底上的图形为凸出图形或凹坑图形。
4.根据权利要求1所述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于：所述低折射率材料为折射率在1～2.4之间的材料。
5.根据权利要求1或4所述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于：所述低折射率材料为氧化硅或氮化硅。
6.根据权利要求1所述具有低折射率微纳结构层的LED图形化衬底的制备方法，其特征在于：所述第一步中沉积的低折射率材料的厚度为10～1000nm。
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| Publication number | Publication date |
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