一种提高LED亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法与流程

本发明涉及于led光电技术领域，尤其是涉及一种提高led亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法。

背景技术：

蓝宝石是光电产业极为重要的基础材料，广泛应用于微电子，光电子，光通讯，激光及国防军事等总多领域。蓝宝石晶体又是半导体led照明最重要的产业化衬底。

led是一种固态照明光源，它的原理是将电能转化为光能。led具有寿命长、控制方便、高效能等优点，属于典型的绿色能源。但是在现有的gan-led结构中，从有源层发射出来的光经过led内部全反射、吸收等损耗，最终从led表面逸出的光不足5％,提高led的出光效率成了众多学者的研究课题。pss(patternedsapphiresubstrate)，是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用icp刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长gan材料，使gan材料的纵向外延变为横向外延。图形化蓝宝石衬底可以增加led的光输出功率及发光效率。由于gan材料折射率高于蓝宝石衬底以及外部封装树脂，有源区产生的光子在gan层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率，图形化蓝宝石衬底还可以增大gan/蓝宝石界面面积，同时在界面处可以形成漫反射，使得原来形成全反射的光子有几率射到器件外，从而提高led的出光效率。

目前的衬底图形化技术一般都需要较高的成本：涂覆纳米球干法刻蚀技术需要高精度的薄膜涂布设备，设备投资成本高，纳米球本身的原材料价格也较昂贵。而且刻蚀后的图形均为边缘较为平滑凹凸柱状图形，经过外延封装制成的led的亮度提高不明显，不能满足人们对高亮度led的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高led亮度的蓝宝石图形化衬底制备方法，解决现有蓝宝石图形化衬底的制备方法成本高，且led的亮度提高不明显的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于提高led亮度的蓝宝石图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：首先对蓝宝石衬底进行洁净处理，在经洁净处理的蓝宝石衬底表面生成一层氧化锌薄膜；接着，在氧化锌薄膜表面涂上一层紫外正向光刻胶，利用光刻技术对涂有紫外正向光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，以在其表面制备所需的图形；然后，对经光刻后的氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5-10分钟，热腐蚀完成后使用除胶液，去除氧化锌薄膜上的紫外正向光刻胶；接着在氧化锌薄膜表面制备一组圆柱形氧化锌纳米棒，氧化锌纳米棒的直径为20～50nm，高度为100～500nm，密度为5.606g/cm³；最后，采用等离子体对生长了氧化锌纳米棒的蓝宝石衬底进行刻蚀处理，形成蓝宝石衬底图形。

进一步的，通过刻蚀处理可调整刻蚀反应气体的体积比例和刻蚀时间，能在衬底表面上形成不同程度的锯齿状三角锥形图形。具体采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1600s-2000s，反应室内温度为30℃-50℃。

经试验表明，led亮度在一定范围内随着锯齿状三角锥形图形的衬底表面粗糙度增大而增大，当表面粗糙度为200nm时，led亮度最大；接着led亮度呈现出随着表面粗糙度增大而减小的趋势。

进一步的，所述洁净处理为蓝宝石衬底经过先经过spm刷洗5min-8min，再进行超声波清洗4min-5min。

进一步的，所述氧化锌薄膜采用磁控溅射法制备，其薄膜厚度可根据衬底图形的宽度大小来确定。

进一步的，hf热腐蚀为使用浓度为30％-60％和温度为50℃-70℃的氢氟酸溶液对氧化锌薄膜进行化学反应，去除蓝宝石衬底表面的氧化锌薄膜。

进一步的，所述氧化锌纳米棒采用物理气相沉积法或水热法制备。

其中，采用物理气相沉积法在氧化锌薄膜表面生成，氧化锌纳米棒的高度和数量可以根据衬底图形的高度来确定，衬底图形表面的形貌可通过调整纳米棒的单位面积内的密集程度来确定。另外，采用水热法在薄膜表面生长一层氧化锌纳米棒阵列，氧化锌纳米棒的高度和数量可以根据衬底图形的高度来确定，衬底图形表面的形貌可通过调整纳米棒的单位面积内的密集程度来确定。

进一步的，所述的氧化锌纳米棒为99.9％高纯度整齐排列的圆柱形氧化锌纳米棒。

进一步的，所述刻蚀方法为采用等离子体对生长了氧化锌纳米棒的衬底进行干法刻，以形成所需衬底的图形；对纳米棒的衬底进行干法刻蚀时，调整刻蚀反应气体的体积比例和刻蚀时间，能在衬底表面上形成不同程度的锯齿状三角锥形图形。

本发明的创新之处在于：

首先通过氧化锌纳米棒的高度和数量来确定衬底图形的高度，然后调整纳米棒的单位面积内的密集程度来确定衬底图形表面的形貌，最后通过调整三角锥形图形表面锯齿状的粗糙程度来提高led器件的亮度。如本发明在衬底上形成具有一定规律分布的图形，可以通过控制薄膜的厚度来控制衬底图形的宽度，同时可以通过控制单位面积内纳米棒的密集程度来控制衬底图形的高度和表面形貌，从而有效的降低外延薄膜的位错和缺陷密度，增加出光率，提高led亮度，有利于增强led的光电特性和延长使用寿命。

以下将结合附图和具体实施方式对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例在蓝宝石衬底表面生长的氧化锌薄膜示意图。

图2为本发明实施例在蓝宝石衬底生氧化锌表面涂上光刻胶的示意图。

图3为本发明实施例中表面光刻胶被曝光后的示意图。

图4为本发明实施例被hf热腐蚀后的示意图。

图5为本发明实施例中经过除胶液处理后的氧化锌表面示意图。

图6为本发明实施例在氧化锌表面生长的氧化锌纳米棒阵列示意图。

图7为本发明实施例干法刻蚀后的蓝宝石衬底图形示意图。

图8为本发明实施例干法刻蚀后的蓝宝石衬底图形粗糙度与光强关系图。

附图标记：

1-蓝宝石衬底；2-氧化锌薄膜；3-紫外正向光刻胶；4-氧化锌纳米棒阵列；5-蓝宝石衬底图形。

具体实施方式

如图1至7所示，一种用于提高led亮度的蓝宝石图形化衬底的制备方法，包括：用于形成图形的蓝宝石衬底1及其预设的蓝宝石衬底图形5，其特征为蓝宝石衬底图形5形成于蓝宝石衬底1之上，是一种按照一定规律排布的图形。

一种用于提高led亮度的蓝宝石图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：

a、首先在经洁净处理的蓝宝石衬底1表面制备一层氧化锌薄膜2(如图1所示)，具体可以采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备氧化锌薄膜2；

b、在氧化锌薄膜2表面涂上一层紫外正向光刻胶(如图2所示)。利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻(如图3所示)，曝光时间为260msc,可根据所需求对曝光机参数进行调整；对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟(如图4所示)，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶(如图5所示)。

c、在氧化锌薄膜2表面制备一层圆柱形氧化锌纳米棒阵列4(如图6所示)，具体可以采用水热法制备氧化锌纳米棒阵列,氧化锌纳米棒阵列4的直径为20nm，其直径可以根据形成蓝宝石衬底图形进行调节；氧化锌纳米棒阵列4的高度为100nm，其高度可以根据形成蓝宝石衬底图形的形貌进行调节。

d、采用等离子体对生长了氧化锌纳米棒阵列4的蓝宝石衬底进行刻蚀处理，以形成蓝宝石衬底图形5(如图7所示)，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1600s-2000s，反应室内温度为30℃-50℃。

实施例1

在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面通过磁控溅射法制备一层厚度为3μm氧化锌的薄膜，在氧化锌薄膜表面凃上一层紫外正向光刻胶，厚度为2μm，利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，曝光时间为260msc，对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶,采用水热法制备直径为20nm，高度为100nm氧化锌纳米棒阵列，对生长了氧化锌纳米棒阵列蓝宝石衬底进行等离子刻蚀处理，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1600s，反应室内温度为30℃，表面为锯齿状的三角锥形图形，表面粗糙度为20nm，光强为6cd。

实施例2

在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面通过磁控溅射法制备一层厚度为3μm氧化锌的薄膜，在氧化锌薄膜表面凃上一层紫外正向光刻胶，厚度为2μm，利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，曝光时间为260msc，对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶,采用水热法制备直径为20nm，高度为100nm氧化锌纳米棒阵列，对生长了氧化锌纳米棒阵列蓝宝石衬底进行等离子刻蚀处理，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1700s，反应室内温度为35℃，表面为锯齿状的三角锥形图形，表面粗糙度为80nm，光强为7.5cd。

实施例3

在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面通过磁控溅射法制备一层厚度为3μm氧化锌的薄膜，在氧化锌薄膜表面凃上一层紫外正向光刻胶，厚度为2μm，利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，曝光时间为260msc，对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶,采用水热法制备直径为20nm，高度为100nm氧化锌纳米棒阵列，对生长了氧化锌纳米棒阵列蓝宝石衬底进行等离子刻蚀处理，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1800s，反应室内温度为40℃，表面为锯齿状的三角锥形图形，表面粗糙度为200nm，光强为10cd。

实施例4

在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面通过磁控溅射法制备一层厚度为3μm氧化锌的薄膜，在氧化锌薄膜表面凃上一层紫外正向光刻胶，厚度为2μm，利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，曝光时间为260msc，对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶,采用水热法制备直径为20nm，高度为100nm氧化锌纳米棒阵列，对生长了氧化锌纳米棒阵列蓝宝石衬底进行等离子刻蚀处理，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为1900s，反应室内温度为45℃，表面为锯齿状的三角锥形图形，表面粗糙度为350nm，光强为8cd。

实施例5

在经过表面处理后的蓝宝石衬底表面通过磁控溅射法制备一层厚度为3μm氧化锌的薄膜，在氧化锌薄膜表面凃上一层紫外正向光刻胶，厚度为2μm，利用光刻技术对涂有光刻胶的氧化锌薄膜进行光刻，曝光时间为260msc，对氧化锌薄膜进行hf热腐蚀5分钟，使用除胶液去除氧化锌薄膜上的光刻胶,采用水热法制备直径为20nm，高度为100nm氧化锌纳米棒阵列，对生长了氧化锌纳米棒阵列蓝宝石衬底进行等离子刻蚀处理，采用bcl3+chf3作为刻蚀气体进行干法刻蚀，刻蚀反应室内上轰击功率为1700w，下轰击功率为40w，轰击时间为2000s，反应室内温度为50℃，表面为锯齿状的三角锥形图形，表面粗糙度为500nm，光强为5cd。

综上，从上述实施例1至5并结合图8可知，led光强(即led亮度)随着蓝宝石衬底表面粗糙度的变化而发生变化，在一定的粗糙度范围内，光强随着衬底表面粗糙度的增大而增大，在粗糙度为200nm时，光强达到最大值。证明通过改变衬底表面粗糙度来提高led光强的方法是正确可行的。

以上所述只是本发明的几种具体实施方式，对生产技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以进行完善，但这些完善被视为本发明的保护范围之内。