CN105931953B - 一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法，该方法包括：使用皮秒激光对原材料进行扫描辐照，得到具有特定波纹状表面微结构图案；再使用紫外光辐照微结构图案获得激发的白光发光。本发明的有益效果为：激光能量、离焦量和扫描次数等参数的组合可以实现对SiC表面白光发光图案发光光谱较高的可控性，能在一定范围内对其发光光谱进行调制，实现接近太阳光的白光发光；采用编程语言及脚本语言，如VBScript脚本程序设计激光直写扫描路径，实现任意指定图案的激光直写，控制制备白光发光图案的形状；使用的激光扫描系统可对加工图案进行精确定位，且扫描速度可达2000mm/s，便于进行批量、大面积的加工。

Description

一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法

技术领域

本发明涉及半导体表面激光改性技术领域，尤其涉及一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法。

背景技术

白光发光二极管(White light-emitting diode，WLED)是具有高转换效率、低能耗、长寿命和高稳定性的半导体电光转换器件，被普遍认为是替代传统照明技术的新一代照明手段。与传统白光光源相比，白光发光二极管的显著优势在于能量消耗少。在产出相等照明亮度的白光时，白光发光二极管的能耗将是普通日光灯的一半，是普通白炽灯的八分之一。有研究分析表明，如果将全球的传统白光照明光源全部替换为低能耗的白光发光二极管光源，每年节省的能量约为1000太瓦时，相对于230座500兆瓦级火力发电站，将减少温室气体排放约2亿吨。因此，白光发光二极管被公认为高技术产业与绿色产业，有望成为我国新的经济增长点。

现有技术中，实现发光二极管白光发光主要有以下三种方案：第一，由红、绿、蓝三种单色LED组成，该方案优点是白光显色性良好，可用于一些高调显示设备，缺点是该LED电路结构复杂，使生产成本过高；第二，由蓝色光LED与YAG：Ce荧光粉合成白光，其优点是器件结构简单、效率高、成本最低，缺点是在发光光谱中有缺失，造成显色性偏低、色温过高，同时荧光粉中的稀土元素影响器件寿命，稀土资源的开采也受到多方面限制；第三，由紫外光LED激发红、绿、蓝三色荧光合成白光，兼顾了前两种白光发光方案的特点，可以同时实现较高的显色性能、发光效率与相对较低的生产成本。但另一方面，基于紫外光LED的白光光源仍然普遍使用含有稀土元素的荧光粉，因其淬灭特性导致工作稳定性不佳，因此关键在于找到具有高稳定性、高转换效率、高显色性的荧光材料。

近年来，碳化硅(silicon carbide，SiC)的发光特性同样受到广泛关注，由于其宽带隙特性，使其成为最早实现蓝光发光的电致发光材料。SiC属于第三代半导体，禁带宽度可达2.39～3.26eV，在高温、高频、大功率、强辐射环境下具有更优良的性能。半导体发光的光谱特性主要由材料的禁带宽度控制，由于SiC带隙较宽，同时又有多种n型与p型的掺杂元素，其发光光谱能够覆盖整个可见光谱，且显色性良好，可能成为实现白光照明的单一材料平台。目前SiC半导体的制备技术与加工技术已日趋完善，但是由于SiC是间接带隙半导体，在室温下发光效率较低，SiC基发光材料的发展目前处于停滞状态。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法。

为实现上述目的，本发明提供一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法，该方法包括：

步骤101：使用皮秒激光对原材料进行扫描辐照，得到具有特定波纹状表面微结构图案；

步骤102：再使用紫外光辐照微结构图案获得激发的白光发光。

作为本发明进一步改进，

在步骤101包括：

步骤1011，原材料为碳化硅单晶基片，将其浸入去离子水浸泡超声清洗5～10分钟，使用气压为2bar的压缩空气吹干，置于干燥器中备用；

步骤1012，启动计算机、高精度工作平台、激光器及其控制系统，使用VBScript脚本程序对任意指定图案进行直线填充：填充区域覆盖指定图案内的各单连通区域或复连通区域，填充方式是使用VBScript脚本程序编译的图像输出命令设定填充起始位置，从连通区域边界划竖直直线到另一端边界为止，使填充线段边缘包含连通区域的所有边界，相邻填充线段间的间隔相等；使用VBScript脚本程序编译的输出命令将各填充线段起始坐标位置输出为G代码，供激光扫描系统在扫描时调用；设定填充线间隔为10～100μm，激光扫描路径为填充图案的单向直线；

步骤1013，将样品固定于高精度工作平台，设置激光焦点为样品表面以上2.5～3mm，定位激光扫描区域，固定工作台，使用激光器为波长为1064nm的皮秒激光器，沿步骤1012中设定之路径进行激光扫描，激光扫描速度为500～2000mm/s；

步骤1014，将步骤1013中激光直写扫描后的碳化硅样品浸入去离子水中浸泡超声清洗5～10分钟，烘干后，得到具有白光发光性质的碳化硅微结构白光发光图案。

作为本发明进一步改进，步骤1013中，所述皮秒激光器的单脉冲能量为40～120μJ；

所述皮秒激光器的重复频率为200～500kHz，离焦量为+2.5～3mm；

所述激光扫描图案填充线间隔为10～100μm；

所述激光扫描速度为500～2000mm/s，单一直线单向扫描次数为80～500次。

作为本发明进一步改进，所述微结构图案的特征为准周期性波纹状，其周期为10～120μm，波纹高度为10～120μm。

作为本发明进一步改进，所述皮秒激光的脉冲宽度小于等于10ps。

作为本发明进一步改进，所述单向直线为：单一直线单向扫描预定的设定次数后，以相同次数扫描下一条直线，直到将设定的扫描路径全部扫描完毕。

作为本发明进一步改进，设定单一直线单向扫描次数为80～500次。

本发明的有益效果为：激光能量、离焦量和扫描次数等参数的组合可以实现对SiC表面白光发光图案发光光谱较高的可控性，能在一定范围内对其发光光谱进行调制，实现接近太阳光的白光发光；采用编程语言及脚本语言，如VBScript脚本程序设计激光直写扫描路径，实现任意指定图案的激光直写，控制制备白光发光图案的形状；使用的激光扫描系统可对加工图案进行精确定位，且扫描速度可达2000mm/s，便于进行批量、大面积的加工。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的碳化硅白光发光表面图案微结构的激光共聚焦显微照片。

图2为本发明实施例1提供的碳化硅白光发光表面图案的XRD图。

图3为本发明实施例1提供的碳化硅白光发光表面图案的发光光谱。

图4为本发明实施例2提供的激光直写技术设计并制备的“SiC”发光图。

图5为本发明实施例2提供的激光直写技术设计并制备的“SiC”发光图案受激光激发时白光发光示意图。

具体实施方式

实施例1，采用皮秒激光表面处理技术实现批量生产形状可控的紫外光激发白色荧光发光表面。利用了皮秒激光的极高峰值功率，使SiC材料在空气中反复汽化电离并冷却沉积，形成具有高光吸收率的非晶态微波纹结构表面层；并且，在此过程中材料中掺入空气中的O元素，O与SiC中的Si不均匀键合，形成大量缺氧缺陷与富氧缺陷，这些缺陷作为发光中心使此表面层具有覆盖整个可见光谱的白光荧光特性。SiC的汽化电离和冷却沉积过程可以通过激光能量、离焦量和扫描次数加以控制，从而控制表面发光图案的发光光谱，得出最佳的发光效率和显色性；可以通过使用编程语言及脚本语言，如VBScript脚本程序设计激光直写扫描路径，实现任意指定图案的激光直写，控制制备白光发光图案的形状。该皮秒激光直写制备碳化硅表面微结构白光发光图案的制备方法，包括以下步骤：

a)将碳化硅单晶基片浸入去离子水浸泡超声清洗5～10分钟，使用气压为2bar的压缩空气吹干，置于干燥器中备用；

b)启动计算机、高精度工作平台、激光器及其控制系统，使用VBScript脚本程序对任意指定图案进行直线填充：填充区域覆盖指定图案内的各单连通区域或复连通区域，填充方式是使用VBScript脚本程序编译的图像输出命令设定填充起始位置，从连通区域边界划竖直直线到另一端边界为止，使填充线段边缘包含连通区域的所有边界，相邻填充线段间的间隔相等；使用VBScript脚本程序编译的输出命令将各填充线段起始坐标位置输出为G代码，供激光扫描系统在扫描时调用；设定填充线间隔为10～100μm，激光扫描路径为填充图案的单向直线，即单一直线单向扫描预定的设定次数后，以相同次数扫描下一条直线，直到将设定的扫描路径全部扫描完毕，设定单一直线单向扫描次数为80～500次；

c)将样品固定于高精度工作平台，设置激光焦点为样品表面以上2.5～3mm，定位激光扫描区域，固定工作台，使用激光器为波长为1064nm的皮秒激光器，设定单脉冲能量为40～120μJ，重复频率为200～500kHz，沿b)中设定之路径进行激光扫描，激光扫描速度为500～2000mm/s；

d)将c)中激光直写扫描后的碳化硅样品浸入去离子水中浸泡超声清洗5～10分钟，烘干后，得到具有白光发光性质的碳化硅微结构白光发光图案。本实施例采用边长为5mm的正方形n型6H-SiC单晶样品，样品厚度为340μm，表面采用化学机械法抛光。将碳化硅单晶样品浸入去离子水超声清洗10分钟，烘干后固定于靶台上。使用激光器为波长为1064nm的皮秒激光器，脉冲宽度为10ps，设定单脉冲能量为65μJ，重复频率为200kHz。使用VBScript脚本程序设定扫描区域为边长为5mm的正方形，将定位原点设定为正方形左上角。对扫描区域进行直线填充，填充线间隔为10μm，设定激光扫描路径为填充图案的单向直线。调整光路，设置激光焦点为样品表面以上2.8mm，定位激光扫描区域原点为碳化硅单晶样品左上角，固定靶台。设定激光扫描速度为1000mm/s，打开气帘装置与排气装置，对碳化硅单晶样品进行激光重复线扫描，单一直线扫描次数为300次。激光扫描结束后，将碳化硅样品浸入去离子水中超声清洗10分钟，烘干后，得到具有白光发光性质的碳化硅微结构白光发光图案。

如图1所示，激光共聚焦显微照片显示，在皮秒激光扫描后，碳化硅单晶表面形成微波纹结构表面层，该微波纹结构排布方向与激光扫描方向一致，该结构周期约为80μm、高约为100μm。这一表面结构显著提高了表面对光的吸收率，使碳化硅白光发光图案对激发光的吸收率提高，从而提高了光转化效率。

如图2所示，XRD图显示激光扫描的产物除了原碳化硅单晶中的SiC(衍射角35.6°峰)外，由于在电离过程中空气中的O元素掺入，与SiC中的Si元素形成化学键，还产生了非晶态的SiOx物质(衍射角16～32°非晶包，25倍强度显示)。

本实施例的白光光谱如图3所示，激发光为波长为325nm的紫外He-Cd激光。该发光光谱是覆盖整个可见光谱的连续谱，具有较高的显色性，根据所得光谱拟合的色度坐标为CIE1931(0.3048，0.3817)，色温为5700K。

实施例2

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于使用VBScript脚本程序设定扫描区域为“SiC”图案，图案尺寸为1.2mm*0.8mm，得到具有形状特征的碳化硅白光荧光发光图案。发光图案的显微照片与白光荧光效果如图4所示，其中激发光为波长为325nm的紫外He-Cd激光，激发光光斑尺寸约为2mm。综合上述实施例，可以看出本发明有效制备了一种可激光直写任意形状图案的碳化硅白光荧光表面层，其发光光谱在可见光谱中填充饱满，显色性较高；由于SiC本身具有极高的热稳定性、抗腐蚀型、抗辐射性，使发光性能具有较好稳定性；该发光层的缺陷发光性质，克服了SiC间接带隙的特性，大大提高发光效率和光转化效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法，其特征在于，该方法包括：

步骤101：使用皮秒激光对原材料进行扫描辐照，得到具有特定波纹状表面微结构图案，所述皮秒激光的脉冲宽度小于等于10ps；所述微结构图案的特征为准周期性波纹状，其周期为10～120μm，波纹高度为10～120μm；

步骤102：再使用紫外光辐照微结构图案获得激发的白光发光；

其中，所述步骤101包括：

步骤1011，原材料为碳化硅单晶基片，将其浸入去离子水浸泡超声清洗5～10分钟，使用气压为2bar的压缩空气吹干，置于干燥器中备用；

步骤1012，启动计算机、高精度工作平台、激光器及其控制系统，使用VBScript脚本程序对任意指定图案进行直线填充：填充区域覆盖指定图案内的各单连通区域或复连通区域，填充方式是使用VBScript脚本程序编译的图像输出命令设定填充起始位置，从连通区域边界划竖直直线到另一端边界为止，使填充线段边缘包含连通区域的所有边界，相邻填充线段间的间隔相等；使用VBScript脚本程序编译的输出命令将各填充线段起始坐标位置输出为G代码，供激光扫描系统在扫描时调用；设定填充线间隔为10～100μm，激光扫描路径为填充图案的单向直线；

步骤1013，将样品固定于高精度工作平台，设置激光焦点为样品表面以上2.5～3mm，定位激光扫描区域，固定工作台，使用激光器为波长为1064nm的皮秒激光器，沿步骤1012中设定之路径进行激光扫描，激光扫描速度为500～2000mm/s；

步骤1014，将步骤1013中激光直写扫描后的碳化硅样品浸入去离子水中浸泡超声清洗5～10分钟，烘干后，得到具有白光发光性质的碳化硅微结构白光发光图案；

所述步骤1013中，所述皮秒激光器的单脉冲能量为40～120μJ；重复频率为200～500kHz，离焦量为+2.5～3mm；所述激光扫描图案填充线间隔为10～100μm；所述激光扫描速度为500～2000mm/s，单一直线单向扫描次数为80～500次。

2.根据权利要求1所述的碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法，其特征在于：所述单向直线为：单一直线单向扫描预定的设定次数后，以相同次数扫描下一条直线，直到将设定的扫描路径全部扫描完毕。

3.根据权利要求2所述的碳化硅表面微结构白光发光图案的加工方法，其特征在于：设定单一直线单向扫描次数为80～500次。