专利名称：一种铌酸锂衬底的制作方法
技术领域：
本实用新型属于LED制造工艺技术领域，尤其涉及一种铌酸锂衬底。
背景技术：
自从20世纪90年代初GaN (氮化镓)基LED商业化以来，经过二十几年的发展，GaN基LED的结构已趋于成熟和完善，但可用于GaN基LED的衬底材料却寥寥无几，可用于商业化的衬底材料更是少之甚少。目前，市面上通常采用蓝宝石和碳化硅两种衬底材料，其中蓝宝石材料由于具有化学稳定性好、生产技术相对成熟等优势而应用最为广泛，但用蓝宝石材料作为GaN基LED的衬底也存在很多问题，首先蓝宝石材料存在晶格失配和热应力失配，所述的晶格失配和热应力失配不仅会在外延材料中产生大量的缺陷，而且还会给后续器件的加工增加额外的困难；其次蓝宝石材料的导热性能也不太好，而为了将LED芯片产生的热量通过蓝宝石衬底导出，通常需要将蓝宝石衬底的厚度由400-500um减薄到 IOOum以内(当然，对蓝宝石衬底材料减薄的另一个目的是为了后续切割的方便)，由于蓝宝石衬底的硬度却仅次于金刚石，这一缺点无疑大大增加了减薄工艺的时间成本和金钱成本；再有，近年来为了迎接LED发光亮度的挑战，将LED的应用领域扩大到通用照明领域，需要制作出各种各样的图形化的蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate, PSS)或光子晶体，而要在较高硬度的蓝宝石衬底上制作所述的PSS衬底或光子晶体，需要昂贵的设备，无疑增加了困难和成本。目前，可以通过现有的光刻以及刻蚀工艺制备出圆锥形图形化的蓝宝石衬底来提高LED发光亮度。如果圆锥形图形化蓝宝石衬底(用环氧树脂封装后)的出光效率随圆锥形底角的变化关系采用光线追迹软件Tracepix)模拟，可得到图1，由图1可以看出如果将圆锥形的底面直径Dc固定为3um，圆锥形底角0 c是55度时，芯片的出光效率最高；如果将圆锥形的底面直径Dc固定为其它尺寸时(IOum以内)，也能得到基本相同的结果。因此，用光线追迹软件Tracepix)模拟出的圆锥形图形化蓝宝石衬底的出光效率最高的圆锥体形状如图2所示，其中圆锥形的底面直径Dc并非关键参数，圆锥形底角0 c才是影响出光效率的最重要的参数，即蓝宝石衬底与GaN外延材料的界面方向和有效面积才是影响出光效率的关键。因此，如果不考虑蓝宝石衬底上所制备的图形图案的加工难度和后续生长外延的难度，那么蓝宝石衬底上具有底角0 c为55度的锥体越多越好、锥体排布的越密越好，理想状态是锥体与锥体的底面相切。然而，由于现有光刻及刻蚀工艺的加工精度有限，限制了不能加工出尺寸太小的锥体形状，且如果锥体排布的太密，后续就没有一个稳定的外延生长面，这就会给外延生长带来非常大的困难。因此，才导致市面上存在的图形化蓝宝石衬底大部分都如图3所示，图形的尺寸不能太小,如高度he为大约1. 5um，底面直径Dc为大约2. 5um,图形与图形之间的间距大约为0.5um，即底角9 c为大约50度，这大大限制了图形化衬底提高亮度的效果。因此，为解决目前现有材料制造LED衬底所带来的上述问题，急需提出一种新的衬底用于LED芯片的制造。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种铌酸锂衬底，可以在不做图形化衬底或光子晶体的前提下，将铌酸锂晶体作为LED衬底，以便提高LED的发光亮度的问题。为解决上述问题，本实用新型提出的一种铌酸锂衬底，所述铌酸锂衬底通过生长铌酸锂晶体形成，所述铌酸锂衬底为在所述铌酸锂晶体的生长的过程中掺入光折变元素的衬底。进一步的，所述光折变元素为铁、铜、锰、铈中的一种或多种。进一步的，所述铌酸锂衬底的表面具有周期性变化的折射率，所述周期性变化为 一维周期性，或为多维周期性。进一步的，所述铌酸锂衬底表面平坦。进一步的，所述铌酸锂衬底表面具有图形化的结构。由上述技术方案可见，本实用新型与传统通过制备图形化的蓝宝石衬底来提高LED的发光亮度的工艺相比，本实用新型公开的铌酸锂衬底，具有以下几方面的优势首先,在银酸锂晶体材料选择上,一是银酸锂(Lithium Niobate, LiNb03)晶体是一种集电光、声光、压电、铁电和光折变等效应于一身的通用型人工合成晶体。铌酸锂晶体与蓝宝石相比，铌酸锂晶体材料的晶格结构和热膨胀系数与GaN外延材料的晶格结构和热膨胀系数更为匹配，用铌酸锂晶体作为LED的衬底，能够降低外延材料中的缺陷密度，二是铌酸锂晶体的硬度虽然比蓝宝石低，但其硬度既能满足芯片加工过程中的工艺窗口，也会降低后续器件加工的难度，可以降低减薄工序的时间成本和金钱成本，三是铌酸锂晶体是一种多功能材料，尤其是实施不同的掺杂后能呈现出不同的物理特性，是目前人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的晶体。我们可以利用这些物理特性，通过简单的工艺来替代原有复杂的工艺而得到相同或更好的效果，或者我们可以利用这些物理特性使LED得到更为广泛的应用。其次，提高LED发光亮度的方法上，通过多光束激光干涉法调制具有掺杂了光折变元素的、用于制备LED芯片的铌酸锂衬底的折射率，来提高LED的发光亮度，本实用新型所提供的方法更简单、更节约、更环保，制作周期更短是因为无需光刻及刻蚀工艺，只通过简单的光照作业就能完成，因此，也无需光刻胶、无需刻蚀设备及刻蚀用的工艺气体、无需去胶用的剥离液、丙酮、酒精等，既节约了设备成本，又节约了人力成本，制作周期自然也就缩短了。最后，在提高LED发光亮度的效果上，由于不同的材料的表面形成的折射率是不同的，而本实用新型所提供的掺杂了光折变元素的、且表面折射率成周期性变化的铌酸锂衬底，相当于表面具有多种不同的材料，不同材料的界面处都会对光波形成散射或漫反射，以此来提高LED的发光亮度。也就是说本实用新型所提供的铌酸锂衬底材料的散射或漫反射界面比图形化的蓝宝石衬底的散射或漫反射界面多的多，所以其提高LED的发光亮度的效果会比图形化的蓝宝石衬底好。不仅如此，本实用新型所提供的铌酸锂衬底的表面是平坦的，不用考虑其折射率变化的周期会给后续的外延生长增加额外的困难。
[0015]图1是现有技术中用光线追迹软件Tracepro模拟出的圆锥形图形化蓝宝石衬底的出光效率随圆锥形底角的变化的曲线图；图2是现有技术中用光线追迹软件Tracepro模拟出的圆锥形图形化蓝宝石衬底的出光效率最高的圆锥体形状；图3是现有技术制造的图形化蓝宝石衬底结构示意图；图4是本实用新型铌酸锂衬底运用四光束干涉示意图；图5是本实用新型另一实施例中双光束干涉光强分布示意图；图6是本实用新型又一实施例中双光束干涉光强分布示意图。图7是本实用新型一实施例中四光束干涉光强分布示意图；图8是本实用新型铌酸锂晶体表面折射率周期分布示意具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。结合附图4至8，对一种铌酸锂衬底的制造方法的制作工艺进行详细描述。首先，提供一由铌酸锂晶体生长成的铌酸锂衬底I，在其生长的过程中掺杂了光折变元素，掺杂的所述光折变元素可以为铁、铜、锰、铈中的一种或多种，形成具有光折变效应的铌酸锂衬底，所述光折变效应是指受到光照时，其折射率会受到光强的空间调制，产生和光强空间分布相对应的折射率分布。所述铌酸锂衬底可以表面平坦，也可以具有图形化的结构。优选的，所述铌酸锂衬底为表面平坦。将掺杂了光折变元素的所述铌酸锂衬底I用于后续工艺制备LED芯片。由于铌酸锂晶体材料的晶格结构和热膨胀系数与GaN外延材料的晶格结构和热膨胀系数更为匹配，能够降低外延材料中的缺陷密度，且铌酸锂晶体的硬度比蓝宝石低，可以降低减薄工序的时间成本和金钱成本；还有铌酸锂晶体是一种多功能材料，当铌酸锂晶体实施不同的掺杂后能呈现出不同的物理特性，如光折变效应、铁电效应等，我们可以利用这些物理特性，通过简单的工艺来替代原有复杂的工艺而得到相同或更好的效果，或者我们可以利用这些物理特性使LED得到更为广泛的应用。其次，采用多光束激光干涉法，利用相干激光束照射所述铌酸锂衬底，所述多光束激光干涉法至少采用两条以上的激光束进行相互干涉，即可以是双光束干涉、三光束干涉、四光束干涉、五光束干涉，甚至可以是更多光束干涉，且每条激光束的光强度可以调整。本实用新型以如图4所示的四光束干涉示意图为例进行详细的分析，光束一 I和光束二 2相交形成的平面方向为纵方向，光束三3和光束四4相交形成的平面方向为横方向。光束一 I和光束二 2是相干光束，所述光束一 I和光束二 2之间的夹角为25度；光束三3和光束四4是相干光束，所述光束三3和光束四4之间的夹角为25度。所述的光束一1、光束二 2、光束三3、光束四4的光束形式均为平行光(即平面波)，光束形式还可以是球面波或柱面波，不同的光束(所述不同的光束是指所述多光束激光干涉法采用的相干激光束数目不同、相干激光束之间的夹角不同或/和光束形式的不同以及每条激光束的光强度不同)会产生不同的空间光强分布，但都应该属于本实用新型的范畴。实施例一若将如图4所不的光束一1、光束二 2同时打开,光束三3、光束四4同时关闭，由于光束一1、光束二 2为相干激光束，且相干激光束之间的夹角为25度，且调整每条激光束的光强度，则在所述的双光束的交叠区域可产生空间光强分布，所述空间光强分布与所述的光束一 I和光束二 2相交形成的平面垂直，且呈现周期性变化，此处的周期性变化为一维周期性，如图5所示。所述的光束一1、光束二 2扩束成适合所述铌酸锂衬底尺寸的平行光束，将所述铌酸锂衬底放置于双光束的交叠区域，双束激光同时照射所述铌酸锂衬底一段时间(IOsec-1Omin)以进行干涉，由于所述铌酸锂衬底掺杂了光折变元素，所以如图5所示的具有周期性变化的空间光强分布去照射所述铌酸锂衬底 ，就会在所述铌酸锂衬底的表面具有新的周期性变化的折射率。实施例二若将如图4所不的光束三3、光束四4同时打开,光束一1、光束二 2同时关闭，由于光束三3、光束四4为相干激光束，且相干激光束之间的夹角为25度，且调整每条激光束的光强度，则在所述的双光束的交叠区域可产生空间光强分布，所述空间光强分布与所述的光束三3和光束四4相交形成的平面垂直，且呈现周期性变化，此处的周期性变化也为一维周期性，如图6所示。所述的光束三3、光束四4扩束成适合所述铌酸锂衬底尺寸的平行光束，将所述铌酸锂衬底放置于双光束的交叠区域，双束激光同时照射所述铌酸锂衬底一段时间(lOsec-lOmin)以进行干涉，由于所述铌酸锂衬底掺杂了光折变元素，所以如图6所示的具有周期性变化的空间光强分布会去照射所述铌酸锂衬底，就会在所述铌酸锂衬底的表面具有另一新的周期性变化的折射率。实施例三若将如图4所示的光束一1、光束二 2、光束三3、光束四4同时打开，由于光束一1、光束二 2为相干激光束，光束三3和光束四4为相干激光束，且相干激光束之间的夹角为25度，且调整每条激光束的光强度，则在所述的四束光的交叠区域可产生空间光强分布，且所述空间光强分布呈现周期性变化，此处的周期性变化为两维周期性，如图7所示。所述的光束一1、光束二 2、光束三3、光束四4扩束成适合所述铌酸锂衬底尺寸的平行光束，将所述铌酸锂衬底放置于四光束的交叠区域，四束激光同时照射所述铌酸锂衬底一段时间(IOsec-1Omin)以进行干涉，由于所述铌酸锂衬底掺杂了光折变元素，所以如图7所示的具有周期性变化的空间光强分布去照射所述铌酸锂衬底，就会在所述铌酸锂衬底的表面形成具有如图8所示的周期性变化的折射率，需要说明的是图8中的灰度值代表亮度值，不同的灰度值代表不同的折射率。由以上实施例一至实施例三可知，所述铌酸锂衬底的尺寸可以根据后续制备出的LED芯片的实际工艺要求，为2寸、4寸、6寸、8寸以及其他合适的尺寸等。所述相干激光束之间的夹角不仅可以为25度，也可以为大于0度且小于180度的任意角度，根据相干激光束之间的夹角的不同，在铌酸锂衬底的表面所形成的周期性变化的折射率的变化周期也会发生变化，即当所述相干激光束之间的夹角越小，周期越大(即形成的假象的近似55度的界面的尺寸越大，则形成的假象的近似55度的界面的数目越少)；当所述相干激光束之间的夹角越大，周期越小(即形成的假象的近似55度的界面的尺寸越小，则形成的假象的近似55度的界面的数目越多)。而所述铌酸锂衬底具有周期性变化的折射率在每个周期内却是连续变化的，当所述相干激光束的光强度的最大值越大，则每个周期内的折射率的变化范围越大；当所述相干激光束的光强度为一定时，所述相干激光束的夹角越大，每个周期内的折射率连续变化的范围是不变的，但是在铌酸锂衬底的表面所形成的周期性变化的折射率的变化周期却是变小的。因此，通过调整所述相干激光束的夹角和光强度的大小，尤其当所述相干激光束的光强度为一定时，通过调整所述相干激光束的夹角可以确定所述铌酸锂衬底的表面具有的周期性变化的折射率的变化周期。·[0037]此外，由以上实施例一至实施例三可知，所述铌酸锂衬底的表面所形成周期性变化可以为一维周期性，或可以为两维，随着对所述铌酸锂衬底进行照射的光束越多，所述铌酸锂衬底的表面所形成周期性变化也可以为多维周期性。所述一维周期性可以为水平方向的周期性变化，也可以为竖直方向的周期性变化，还可以为任意一方向的周期性变化。所述两维周期性可以为水平和竖直方向同时呈周期性变化，也可以为任意两反向同时呈周期性变化。所述多维周期性可以为至少任意三反向同时呈周期性变化。为了更好的调整所述铌酸锂衬底的折射率，利用所述相干激光束可以对所述铌酸锂衬底进行一次照射，也可以为多次照射，直至使所述铌酸锂衬底具有所需要的折射率的周期性分布。基于所述的铌酸锂衬底的制造方法，由于铌酸锂衬底掺杂了光折变元素，利用掺杂了光折变元素后的所述铌酸锂衬底，通过多光束激光干涉法，利用相干激光束照射铌酸锂衬底，调整所述铌酸锂衬底的折射率，以使所述铌酸锂衬底的表面具有周期性分布的折射率，以此将表面具有周期性分布的折射率的铌酸锂衬底用于LED芯片的制造，来提高LED的发光亮度，所述方法更简单、更节约、更环保，制作周期更短，无需光刻及刻蚀工艺，只通过简单的光照作业就能完成，因此，也无需光刻胶、无需刻蚀设备及刻蚀用的工艺气体、无需去胶用的剥离液、丙酮、酒精等，既节约了设备成本，又节约了人力成本，制作周期自然也就缩短了。因此，本实用新型基于所述的铌酸锂衬底的制造方法提出一种铌酸锂衬底，用于制备LED芯片的衬底，首先，所述铌酸锂衬底通过生长铌酸锂晶体形成，所述铌酸锂衬底为在所述铌酸锂晶体的生长的过程中掺入光折变元素的衬底；其次，掺杂了光折变元素的所述铌酸锂衬底具有周期性分布的折射率，因此在所述铌酸锂衬底和外延之间能形成无数多个假象的近似55度的界面，事实上所述铌酸锂衬底的表面却是平坦的，由于在所述铌酸锂衬底的表面所形成的周期性变化的折射率在每个周期内却是连续变化的，也就是说，不同折射率之间相当于不同的界面，界面与界面交接处会对光波形成散射或漫反射，可以在不做图形化衬底或光子晶体、以及能在不给外延生长增加额外困难的前提下，通过光的散射和漫反射提高LED的发光亮度。本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。
权利要求1.一种铌酸锂衬底，其特征在于，所述铌酸锂衬底通过生长铌酸锂晶体并采用多光束激光干涉法照射形成。
2.如权利要求1所述的铌酸锂衬底，其特征在于，所述铌酸锂衬底的表面具有周期性变化的折射率，所述周期性变化为一维周期性，或为多维周期性。
3.如权利要求1所述的铌酸锂衬底，其特征在于，所述铌酸锂衬底表面平坦。
4.如权利要求1所述的铌酸锂衬底，其特征在于，所述铌酸锂衬底表面具有图形化的结构。
专利摘要本实用新型提供一铌酸锂衬底，所述铌酸锂衬底通过生长铌酸锂晶体形成，所述铌酸锂衬底为在所述铌酸锂晶体的生长的过程中掺入光折变元素的衬底，采用所述铌酸锂衬底用于制备LED芯片，降低外延材料中的缺陷密度和LED的生产成本，能更有效地提高LED的发光亮度，加快LED在通用照明领域中的应用。
文档编号H01L33/02GK202839724SQ20122032462
公开日2013年3月27日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者丁海生, 李东昇, 马新刚, 江忠永, 张昊翔, 王洋, 李超 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司