专利名称：薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法
技术领域：
本发明是关于GaN基发光二极管(LED)的制备方法，具体涉及一种薄膜型光子晶格结 构GaN基发光二极管的制备方法。
背景技术：
GaN基LED的出现和发展引起了一场席巻全球的固态照明革命，由于受内部全反射的限 制，LED中产生的光大部分被禁锢在高折射率半导体内部，如何提高发光效率是发展LED 面临的最大挑战，理论研究表明，实现半导体照明要突破的瓶颈就是要提高发光效率，这 需要在科学和技术上的突破。由于GaN膜生长在蓝宝石等异质衬底上，材料质量较差导致 内量子效率的提高空间有限。平坦表面的LED中产生的光大部分以导波模式被禁锢在高折 射率半导体内部，能以辐射模式从界面出射的只占百分之几，因此光的提取效率空间很大， 通常采用的方法有出光表面粗糙化、芯片改形以及引入反射镜等光学结构，但是理论和实 验证明，利用光子晶体等表面微结构，通过光在其中的散射、衍射、反射等作用，可将以 导波模式存在的光转变成辐射模式而提取出，目前该技术策略的效果最突出。光子晶格是一种介质折射率在近波长尺度范围内发生周期性变化的微结构材料，其可 产生光子带隙效应，通过改变光子晶格的几何结构参数对光子在其中的行为进行人工操纵， 利用这种结构化材料可以制造出各种新型的微、纳米光子学器件。但是由于GaN材料系稳定的物理、化学性质，在GaN系材料上制备微结构受到微/纳加 工技术发展的制约，目前国内外该领域内所面临的主要问题是如何将GaN基微/纳光学结构 转移到电注入的实用化器件上，并且目前所报道的光子晶体结构对出光效率的改善也有高 有低，这说明其中尚有很多科学和技术问题需要解决。激光剥离蓝宝石衬底技术克服了蓝宝石衬底不导电、刻蚀难及导热性差的性能，很大 程度上提高了 GaN基LED的光学、电学性能并降低了加工难度，尤其是使得在N型GaN上 制备各种微结构成为可能，给微结构在提高LED出光效率方面创造了更大的发展空间。但 是由于光子晶格的性能对其结构参数的变化非常敏感，致使光学波长范围内结构控制的容 差很小，如何精准制备GaN基发光二极管的亚微米尺度的光子晶格，以目前的技术，对人 们是极大的挑战。发明内容本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管 的制备方法。本发明的技术方案是一种薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，其步骤包括1) 在蓝宝石衬底上，生长多层GaN基发光二极管材料，包括非掺杂的GaN层、n型GaN 层、多量子阱、P型GaN层；2) 在GaN基发光二极管材料上制备GaN基发光二极管；3) 所述蓝宝石衬底上均匀涂布一层有机聚合物；4) 利用压印模板，在上述有机聚合物上形成光子晶格结构；5) 从上述带有光子晶格结构的有机聚合物一面，激光辐照所述蓝宝石衬底，至所述蓝 宝石衬底与所述非掺杂的GaN层分离，同时，所述非掺杂的GaN层材料形成光子晶格结构， 从而得到薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管。所述有机聚合物可为紫外光敏聚合物。 所述有机聚合物的厚度可在0. lpm—10^im之间。 所述压印模板可采用聚二甲基硅氧垸、环氧树脂或硅胶材料。所述压印模板在有机聚合物上压制出光子晶格结构后，接着用紫外光固化有机聚合物 使其光子晶格结构定形。所述光子晶格结构的晶格周期可为50nm—l(Vm范围内。 所述激光辐照的能量密度可为200 mj/cm2-800mj/cm2。 蓝宝石衬底的厚度可在60pm -400|am之间。 与现有技术相比，本发明的有益效果是利用本发明，在制备GaN基发光二极管过程中，剥离蓝宝石衬底的同时，将光子晶格 图形转移至非掺杂GaN层上，无需二次刻蚀，方便、快捷地制备出薄膜型光子晶格结构GaN 基发光二极管。且，由于采用压印技术，本发明的光子晶格结构可包含，作用在光子带隙范围以上的 光子晶体和其他各种尺度在发光波长量级的周期性的和准周期性的光子晶体以及无规的微、纳结构，本发明一方面降低了对微小结构制备的要求，适合大面积制备和产业化应用， 另一方面发挥了微结构对出光效率改善的作用。另外，在压印过程中采用软模板，可最大限度的保证光子晶格的图形尺寸、结构形貌等在传递过程中的精度。
图1为GaN基LED芯片示意图；图2为涂布有机聚合物步骤的示意图；图3为有机聚合物上形成光子晶格图形结构示意图；图4为激光辐照去除蓝宝石衬底，形成薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管示意图。 其中，1—GaN基发光二极管；2—非掺杂的GaN层；3—蓝宝石衬底；4一有机聚合物层；5—压印模板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述一、制备GaN基发光二极管(LED)芯片在蓝宝石衬底上采用外延技术生长包括非掺杂GaN层的GaN基LED材料，如图1所示。 即在蓝宝石衬底上生长一层非掺杂GaN，其厚度为0. 1-2pm。然后在非掺杂的GaN层上生 长n型GaN层、多量子阱、P型GaN层，通过光刻、干法刻蚀、金属沉积等方法制备GaN 基发光二极管(LED)，形成蓝宝石衬底上的GaN基芯片。其中，n型GaN层、多量子阱和P型GaN层的叠加顺序决定制备的发光二极管是正装 型还是倒装型。蓝宝石衬底可以抛光的，也可以是未抛光的，厚度在60-400pra。二、 在蓝宝石衬底上均匀涂布有机聚合物将有机聚合物均匀的图布在蓝宝石衬底的背面，如图2所示，其中有机聚合物为可在 紫外光辐照下固化的光敏聚合物，其对紫外光有一定的吸收，如2-苄基-2-二甲胺基-4-吗啉- 、2-异丙氧基乙醇与、脂肪族环氧丙烯酸酯，混合比例(体积比)为10: l—4: 1 一3。有机聚合物的厚度在0.5Mm—10pm。三、 制备压印模板并在有机聚合物上形成光子晶格结构 将设计好结构参数的光子晶格结构通过电子束曝光或紫外曝光方法及刻蚀方法在Si衬底上形成，再通过浇铸方法，获得压印所用的软模板，利用软模板在有机聚合物上压制出 光子晶格结构，接着用紫外光固化有机聚合物使光子晶格结构定形，如图3所示。其中软模板采用的是对紫外光吸收较少的、可以通过加热固化的材料，如PDMS (聚 二甲基硅氧垸)、环氧树脂或硅胶；其中光子晶格的结构参数为晶格周期在发光二极管波长附近，即0.1 —IO倍波长范围内。3.激光辐照，去除蓝宝石衬底按照一定的扫描方式，用脉冲激光辐照有机聚合物表面，将蓝宝石衬底和GaN基发光 二极管分开，光子晶格结构将直接转移至非掺杂的GaN层上，获得薄膜型光子晶格结构GaN 基发光二极管，如图4所示。其中激光波长是介于蓝宝石和GaN带隙之间，激光辐照的能量密度为200-800mJ/cm2, 稍高于无有机聚合物图形的蓝宝石衬底的剥离。本发明中，上述实施例提供了一种优化了的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管制 备方案，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例 如光子晶格结构的形貌可以是圆柱型、圆锥型、立方型、抛物线型等。晶格对称性可是 严格周期性、准周期性。且可以是二维、三维。此外，在制备好光子晶格结构的GaN发光二极管上还可以再制备金属或者介质反射镜， 制备出具有高反射镜的薄膜型光子晶格结构GaN发光二极管。以上通过详细实施例描述了本发明所提供的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管制 备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一 定的变形或修改。
权利要求
1. 一种薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，其步骤包括1)在蓝宝石衬底上，生长多层GaN基发光二极管材料，包括非掺杂的GaN层、n型GaN层、多量子阱、P型GaN层；2)在GaN基发光二极管材料上制备GaN基发光二极管；3)所述蓝宝石衬底上均匀涂布一层有机聚合物；4)利用压印模板，在上述有机聚合物上形成光子晶格结构；5)从上述带有光子晶格结构的有机聚合物一面，激光辐照所述蓝宝石衬底，至所述蓝宝石衬底与所述非掺杂的GaN层分离，同时，所述非掺杂的GaN层材料形成光子晶格结构，从而得到薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管。
2、 如权利要求l所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，其特 征在于，所述有机聚合物为紫外光敏聚合物。
3、 如权利要求1或2所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法, 其特征在于，所述有机聚合物的厚度在0. lpm—10nm之间。
4、 如权利要求1或2所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法, 其特征在于，所述压印模板采用聚二甲基硅氧垸、环氧树脂或硅胶材料。
5、 如权利要求4所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，其 特征在于，所述压印模板在有机聚合物上压制出光子晶格结构后，接着用紫外光固化 有机聚合物使其光子晶格结构定形。
6、 如权利要求1或2所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法， 其特征在于，所述光子晶格结构的晶格周期为50nm—l(^m范围内。
7、 如权利要求1或2所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法， 其特征在于，所述激光辐照的能量密度为200 mj/cm2-800mJ/cm2。
8、 如权利要求1所述的薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，其 特征在于，蓝宝石衬底的厚度在60iam -400pm之间。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管的制备方法，属于GaN基发光二极管技术领域。该方法包括在蓝宝石衬底上生长多层GaN基发光二极管材料，包括非掺杂的GaN层、n型GaN层、多量子阱、P型GaN层；在GaN基发光二极管材料上制备GaN基发光二极管；所述蓝宝石衬底上均匀涂布一层有机聚合物；利用压印模板，在上述有机聚合物上形成光子晶格结构；从上述带有光子晶格结构的有机聚合物一面，激光辐照所述蓝宝石衬底，至所述蓝宝石衬底与所述非掺杂的GaN层分离，同时，所述非掺杂的GaN层材料形成光子晶格结构，从而得到薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管。本发明适合大面积制备薄膜型光子晶格结构GaN基发光二极管，可产业化应用。
文档编号H01L33/00GK101281948SQ200810105178
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者涛 代, 魁 包, 康香宁, 张国义, 蓓 章 申请人:北京大学