CN206322726U - 一种激光刻蚀错位半球与odr结合的蓝宝石图形衬底 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，属于光电子技术领域，在蓝宝石衬底上通过激光刻蚀出错位半球状突起，蓝宝石图形衬底的单个图形结构为半球状，在所述半球状突起的斜侧壁上有反射镜层。本实用新型在蓝宝石衬底的基础上做出错位半球状突起，激光刻蚀，精密度高，图形易于控制，增加出光机会，大大提高出光效率。同时在蓝宝石图形衬底的上半球图形上制备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，同时提升出光效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，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。Motokazu Yamada 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CN201510414119.8公开了一种周期性碗状结构模板及其制备方法的专利，在基底上沉积二氧化硅掩膜层，在其上旋涂光刻胶，制备周期性微纳米光刻胶点阵图形，在光刻胶结构上沉积一层金属薄膜，经过剥离后得到金属孔阵图形，再以金属孔阵结构为掩膜，采用湿法腐蚀技术形成二氧化硅的碗状阵列结构，最后除去金属掩膜。该专利是采用湿法腐蚀，工艺不易控制，并且金属掩膜容易脱落。
中国专利文件CN201210190964.8公开了一种用于提高GaN膜质量的蓝宝石图形衬底及制备方法，专利中用掩膜技术在c面蓝宝石衬底上制备三角形掩膜图形，并利用ICP干法刻蚀或湿法刻蚀技术将掩膜图形转移到蓝宝石衬底上并形成侧面为[105]面的三棱锥或者三棱台。本实用新型通过在蓝宝石衬底上制备多个规则排列的蓝宝石[105]晶面暴露的三棱锥或三棱台，能够有效地降低其上生长的GaN薄膜内由应力引起的缺陷的密度，提高了GaN膜的生长质量。该专利是三棱锥或者三棱台形状图形用于提升产品质量及出光，但是图形以外的区域是平面，是不利于出光的。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型提供激光刻蚀错位半球与ODR相结合制备蓝宝石图形衬底提高出光效率的衬底。
术语解释：
1.ODR：全方位反射镜。
2.GaN-LED：GaN基发光二极管。
本实用新型的技术方案如下：
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，衬底表面设有半球状突起，相邻两个半球状突起之间的衬底设有半球状凹槽，半球状突起表面设有反射镜层。
根据本实用新型优选的，所述的反射镜层的厚度为50nm-1μm。
根据本实用新型优选的，所述半球状突起的直径为1-5μm，相邻两个半球状突起的间距为1-5μm。
根据本实用新型优选的，所述的反射镜层为TiO2/SiO2、Au2O/SiO2或Ag2O/SiO2其中的一种。
进一步优选的，所述的反射镜层为TiO2/SiO2，为交替生长的SiO2层和TiO2层，交替重复周期为1-5个。一个周期指的是交替生长的SiO2层+TiO2层，依次类推，2个周期指的是两个SiO2层+TiO2层。
进一步优选的，1个交替重复周期中，交替生长的SiO2层厚度为100nm，交替生长的TiO2层厚度为100nm。
制备上述蓝宝石图形衬底时，包括步骤如下：
(1)在蓝宝石衬底上通过光刻技术以及激光刻蚀制备出半球状突起；
(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涂上光刻胶，曝光显影，然后蒸镀一层Al2O3/SiO2、Au2O/SiO2、Ag2O/SiO2其中一种反射镜层，再去除平面区域的光刻胶，得到一个在半球面上有反射镜层、平面区域没有反射镜层的图形衬底；
(4)将经步骤(3)处理过的蓝宝石图形衬底通过激光刻蚀，半球状突起上有反射镜层激光由于反光不刻蚀，平面区域刻蚀成半球状凹槽图形；
(5)得到激光刻蚀错位半球与ODR相结合的蓝宝石图形衬底；
(6)利用金属有机物化学气相沉淀法(MOCVD)在步骤(5)所述的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层。
步骤(1)中所述的蓝宝石图形衬底上半球状突起的直径为2μm，相邻突起的间距为2μm；
步骤(1)中，在蓝宝石衬底上涂光刻胶，利用光刻对版进行曝光；显影出光刻胶图形；利用光刻胶做掩膜，激光刻蚀蓝宝石衬底，得到半球状蓝宝石图形衬底。
步骤(1)中所述光刻胶的厚度为2-5μm，所述对光刻胶曝光的时间为10-15s。
步骤(1)中激光刻蚀的功率为20～200W。
步骤(2)中所述显影时间为50-60s。
步骤(4)中的激光刻蚀成半球碗状图形的功率为50W。
步骤(6)中所述GaN层的厚度为5～10μm。
本实用新型的优良效果如下：
1、针对现有技术的缺点，本专利的主要创新点是将蓝宝石衬底用激光刻蚀，稳定性好，容易控制，制备成错位半球，利于生长GaN外延，并且在图形衬底的斜面上制备ODR掩膜层，这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，达到提升出光效率的效果。
2、本实用新型在蓝宝石衬底的基础上做出错位半球状突起，激光刻蚀，精密度高，图 形易于控制，增加出光机会，大大提高出光效率。
3、本实用新型在蓝宝石图形衬底的上半球图形上制备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，同时提升出光效率。
附图说明
图1是本实用新型所述蓝宝石衬底经步骤(1)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；
其中，1、半球状突起，2、蓝宝石衬底，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实用新型做进一步说明，但不限于此。
实施例1、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，衬底表面设有半球状突起，相邻两个半球状突起之间的衬底设有半球状凹槽，半球状突起的直径为5μm，相邻两个半球状突起的间距为5μm；半球状突起表面设有反射镜层，反射镜层为TiO2/SiO2层，反射镜层的厚度为200nm。
其中，TiO2/SiO2层为交替生长的SiO2层和TiO2层，交替重复周期为1个，即交替生长1个SiO2层+TiO2层。1个交替重复周期中，交替生长的SiO2层厚度为100nm，交替生长的TiO2层厚度为100nm。
实施例2、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，半球状突起的直径为1μm，相邻两个半球状突起的间距为1μm。
实施例3、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，反射镜层为Au2O/SiO2层。
实施例4、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，反射镜层为Ag2O/SiO2层。
实施例5、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例4所述，所不同的是，反射镜层的厚度为50nm。
实施例6、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，半球状突起的直径和相邻两个半球状突起的间距均为3μm。
实施例7、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，半球状突起的直径和相邻两个半球状突起的间距均为2μm。在半球状突起的倾斜侧壁上有厚度为400nm的全方位反射镜层，即交替生长2个SiO2层+TiO2层。
实施例8、
一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其结构如实施例1所述，所不同的是，反射镜层的厚度为1μm，TiO2/SiO2层为交替生长的SiO2层和TiO2层，交替重复周期为5个。
实施例9、
制备实施例7所述蓝宝石图形衬底时，步骤如下：
(1)在蓝宝石衬底上通过光刻技术以及激光刻蚀制备出半球状突起，在蓝宝石衬底上涂光刻胶，光刻胶厚度为5μm，利用光刻对版进行曝光，曝光的时间为15s；显影出光刻胶图形；利用光刻胶做掩膜，激光刻蚀蓝宝石衬底，激光刻蚀功率为20W，得到半球状蓝宝石图形衬底；半球状突起直径为2um；
(2)显影去掉步骤(1)中经曝光后的光刻胶，显影时间50s；
(3)在经步骤(2)处理过的蓝宝石图形衬底上涂上2um光刻胶，曝光显影，然后蒸镀一层TiO2/SiO2反射镜层，再去除平面区域的光刻胶，得到一个在半球面上有反射镜层、平面区域没有反射镜层的图形衬底；
(4)将经步骤(3)处理过的蓝宝石图形衬底通过激光刻蚀，半球状突起上有反射镜层激光由于反光不刻蚀，平面区域刻蚀成半球状凹槽图形，半球状凹槽图形直径为2um，激光刻蚀功率为50W；
(5)得到激光刻蚀错位半球与ODR相结合的蓝宝石图形衬底；
(6)利用金属有机物化学气相沉淀法(MOCVD)在步骤(5)所述的蓝宝石图形衬底上外延生长一层10um的GaN层。
实施例10、
一种如实施例9所述的制备方法，步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(1)中，在蓝宝石衬底上涂光刻胶的厚度为2μm，所述对光刻胶曝光的时间为10s。
实施例11、
一种如实施例9所述的制备方法，步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(1)中，激光刻蚀功率为200W。
实施例12、
一种如实施例9所述的制备方法，步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(2)中，显影时间60s。
实施例13、
一种如实施例9所述的制备方法，步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(6)中，外延生长GaN层的厚度为5μm。
对比例1：
直接在半球状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，以此制得出光产品。
对比例2：
在现有镀有反射镜层的圆台状凸起的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN层，制得发光二极管管芯。
实验例
将实施例1所述的一种具有全方位反射镜的图形衬底制成出光产品，结合对比例1、2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
| 10mil×23milLED | X-Ray(002)半宽(s) | 20mA电流下光功率 |
| 实施例1 | 241 | 30mW |
| 对比例1 | 269 | 26mW |
| 对比例2 | 260 | 26.8mW |
由上表可知，利用本实用新型的一种激光刻蚀错位半球与ODR相结合制备蓝宝石图形衬底提高出光效率的方法制成的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 (6)
1.一种激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，衬底表面设有半球状突起，相邻两个半球状突起之间的衬底设有半球状凹槽，半球状突起表面设有反射镜层。
2.根据权利要求1所述的激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，所述的反射镜层的厚度为50nm-1μm。
3.根据权利要求1所述的激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，所述半球状突起的直径为1-5μm，相邻两个半球状突起的间距为1-5μm。
4.根据权利要求1所述的激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，所述的反射镜层为TiO2/SiO2、Au2O/SiO2或Ag2O/SiO2其中的一种。
5.根据权利要求2所述的激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，所述的反射镜层为TiO2/SiO2，为交替生长的SiO2层和TiO2层，交替重复周期为1-5个。
6.根据权利要求5所述的激光刻蚀错位半球与ODR结合的蓝宝石图形衬底，其特征在于，1个交替重复周期中，交替生长的SiO2层厚度为100nm，交替生长的TiO2层厚度为100nm。
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