一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及作为II1-V族外延材料生长衬底的图形化蓝宝石衬底，尤其涉及一种采用短脉冲激光加工制备透镜形状图形化大尺寸蓝宝石衬底的方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，以其优异的性能在固态照明领域，特别是在大功率发光二极管(LED)方面具有广泛的应用。目前通常采用在蓝宝石(A1203)衬底上异质外延生长GaN基LED外延材料。由于GaN外延层与蓝宝石衬底之间存在高达16%的晶格失配度和26%的热膨胀系数失配度，通常沿平面蓝宝石c面生长的GaN外延层具有很高的位错密度(108?101() cm—成膜质量差导致LED的内量子效率不高。另一方面蓝宝石和GaN的折射率分别为1.7和2.5，远高于空气的折射率。波导效应导致大部分光线在外延材料中多次反射最终被吸收，低内量子效率与光提取效率限制了 LED光效的提高。
[0003]图形化蓝宝石衬底技术指在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的周期性图案。这些微纳尺度的图案不仅可以改变GaN外延生长过程，使初期外延生长由纵向变成横向，有效降低GaN外延材料的缺陷密度，提高LED器件的内量子效率，而且图案化的GaN/蓝宝石界面亦能够减少光线在外延材料和蓝宝石衬底中的全反射，提高器件的光提取效率。
[0004]现在一般采用刻蚀蓝宝石的方法来制备图形化蓝宝石衬底，分湿法刻蚀和干法刻蚀两种。蓝宝石湿法刻蚀所用溶液为H2S04或Η3Ρ04或二者的混合液，刻蚀时溶液温度在240°C?500°C范围，通常采用Si02、SiNx或Ni等作为掩膜。如，CN103378221A中以二氧化硅掩膜图形，用混合酸刻蚀得到图形化蓝宝石衬底。J.Wang等人以H2S04为刻蚀液，以条纹状Si02为掩膜在400°C下刻蚀得到V型沟槽[Journal of Crystal Growth，2006，290(2): 398-404]。但是，湿法刻蚀要求刻蚀酸液的温度很高。而且湿法刻蚀各向同性，不容易控制，会使图形失真。
[0005]蓝宝石干法刻蚀一般以BC13或Cl2或混合气体作为化学反应气体，采用光刻胶、Si02、Ni或Cr等作为掩膜层，离子高速撞击材料完成刻蚀过程。多采用反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、电子回旋共振等离子体刻蚀(ECR)等技术。如，CN103943736A中通过ICP刻蚀烘烤后的光刻胶掩膜，得到低角度三角锥图形衬底;CN104181769A中结合多步压印技术和刻蚀手段制备出火山口型图形化衬底;W.K.Wang等以BC13和Cl2气体混合物为反应气体刻蚀得到周期性孔状衬底结构[Physica Status Solidi(c),2006,3(6): 2141-2144]。但是干法刻蚀的刻蚀速率慢，刻蚀时间长，尤其无法制备较大尺寸的透镜形貌。另外由于粒子轰击，基片表面会造成一定的污染和损伤。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法。
[0007]—种透镜形状图形化蓝宝石衬底，包括蓝宝石以及通过激光烧蚀形成于蓝宝石表面的透镜形状微孔结构阵列，所述透镜形状微孔结构的直径为3M1?30μπι，深度为Ιμπι?10μm，相邻透镜形状微孔结构的间距为Ιμπι?1 ΟΟμπι。
[0008]上述透镜形状图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤:
[0009]1)在蓝宝石表面旋涂一层光刻胶并固化；
[0010]2)经过步骤1)后，将所述蓝宝石置于可以二维水平方向自由移动的载物台上，然后将短脉冲激光聚焦在所述蓝宝石的表面或表面上方；
[0011]3)经过步骤2)后，控制所述载物台带动所述蓝宝石移动，使短脉冲激光扫描所述蓝宝石表面，在所述蓝宝石表面加工形成透镜形状微孔结构阵列；
[0012]4)经过步骤3)后，去除所述蓝宝石表面残余的光刻胶和激光烧蚀残渣，制得透镜形状图形化蓝宝石衬底。
[0013]优选地，所述步骤1)中，光刻胶采用正胶或负胶;旋涂的光刻胶厚度为Ιμπι?5μπι;光刻胶固化方式为加热固化或者紫外固化，加热固化的热板温度为60°C?90°C，固化时间为50s?100s。
[0014]优选地，所述步骤3)中，采用的短脉冲激光的波长为250nm?400nm，脉冲宽度为10ns?80ns，光开关频率为1kHz?170kHz，激光功率为0.10W?0.33W，激光光斑聚焦直径为20μπι，激光焦平面与加工材料(即所述蓝宝石)的间距为0?80μπι;所述载物台的移动速度为lmm/s?100mm/sο
[0015]优选地，所述透镜形状微孔结构阵列中微孔结构的尺寸和间距可通过激光功率、光开关频率、激光焦平面与加工材料的间距和所述载物台的移动速度综合控制。
[0016]优选地，所述步骤4)中，采用浓硫酸与双氧水的混合溶液并通过浸泡方式去除残余的光刻胶和激光烧蚀残渣，所述浓硫酸和双氧水的体积比=3:1?7:1。
[0017]优选地，所述制备方法还包括以下步骤:用去离子水冲洗所述步骤4)制得的透镜形状图形化蓝宝石衬底，然后用氮气吹干。
[0018]优选地，所述制备方法还包括以下步骤:在旋涂光刻胶前，依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗蓝宝石并用氮气吹干。
[0019]优选地，所述清洗的方式为超声清洗，超声功率为40W?100W，在丙酮、乙醇和去离子水中的超声清洗时间均为5分钟?20分钟。
[0020]本发明直接采用短脉冲激光加工蓝宝石的方法来制备图形化蓝宝石衬底，而非传统的干、湿法刻蚀方法，所制备的透镜形状的图形化蓝宝石衬底可以实现以下功能:1.通过横向外延生长方式减小材料位错密度，提高薄膜发光材料发光的内量子效率;2.对器件的光束形状和远场光强分布进行调节;3.提高总体光提取效率。
[0021 ]本发明所采用的方法具有以下优点:
[0022](1)本发明采用的制备工艺步骤少、加工效率高、成本低，相比于常用的干法刻蚀蓝宝石技术，加工速率更快。而且加工图案的尺寸更容易控制，较易制备出大尺寸的透镜形状图案衬底。
[0023](2)本发明有别于传统刻蚀方法，在激光加工中从始至终无须借助掩膜层，可依靠机械加工平台相对激光移动，可在大尺寸蓝宝石衬底上进行图形化衬底制备。利用传统的干、湿法刻蚀技术在较大尺寸蓝宝石衬底上制备形貌一致性好、缺陷低、高质量的图案难度很大，而本发明可突破衬底尺寸的限制，能够对更大尺寸的蓝宝石衬底进行图形化。
[0024](3)本发明采用短脉冲激光烧蚀蓝宝石来制备图形化蓝宝石衬底的方法，对加工环境无要求，在常温下即可进行，无须湿法刻蚀所需要的大于240°C的酸液环境。而且，该方法避免了湿法刻蚀中横向刻蚀导致图案失真的问题，有利于获得高质量的图形化衬底。
[0025](4)本发明方法在激光扫描蓝宝石衬底前，预先旋涂一层光刻胶作为保护层，有效阻隔了激光烧蚀残渣对没有激光烧蚀的蓝宝石平滑表面的破坏，巧妙克服了激光加工容易对靶材造成破坏的技术难题，且激光烧蚀后用浓硫酸和双氧水的混合溶液可以很容易地去除烧蚀残渣。
[0026](5)本发明制备的透镜形状图形化蓝宝石衬底的微孔结构尺寸和间距，可通过调整激光功率、光开关频率、激光焦平面与材料的间距和加工平台的移动速度等参数来综合控制。
[0027](6)该方法制备的图形化衬底不仅可以通过横向外延生长方式减小材料位错密度，而且由于透镜的聚光特性，透镜形状图案对器件的远程发光形成汇聚作用，提高总体光提取效率。
【附图说明】
[0028]图1为透镜形状图形化蓝宝石衬底制备流程图。
[0029]图2为制备的透镜形状图形化蓝宝石衬底扫描电子显微镜(SEM)图；其中，(a)是侧视图，(b)是横截面图。
[0030]图3为分别在没有光刻胶保护层(a)、有光刻胶保护层(b)下所制备的图形化蓝宝石衬底SEM图。
[0031]图4为透镜形状的尺寸分别随355nm短脉冲激光功率(a)、光斑焦平面上移距离(b)的变化规律图。
[0032]图5为透镜形状图形化蓝宝石衬底上外延生长透射电子显微镜(TEM)图(a)和位错线弯曲示意图(b)。
[0033]图6为使用透镜形状图形化蓝宝石衬底制备的发光二极管器件在50mA驱动电流下从蓝宝石面出射光的光强远场分布图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，详尽描述