一种具有散光效应的LED芯片的制备方法与流程

本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种具有散光效应的led芯片的制备方法。

背景技术：

近年来，gan基led因具有亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被广泛应用于交通指示灯、lcd背光源、全彩显示器和通用照明领域等，主流led都是利用在平片上制备图形化衬底来进行外延生长，最终led芯片发光单元是量子阱形成的平面，然而，蓝宝石衬底以及gan折射率都是偏大的材料，正装led芯片出光面的gan折射率(n＝2.2左右)与空气(n＝1.0)之间存在巨大差异，光从led芯片发光层出来的最大出射角（折射角）在27°左右，这导致光线在芯片内部发生显著的全反射现象而无法射出led，大大降低了led的光提取率，使得gan基led在显示屏等要求可视角大的领域带来不利。后来针对这一问题提出了改善方案，如引入布拉格反射层、光子晶体，表面粗化和衬底图形化等。其中，多图层衬底技术不仅能提高光提取率，还能提高内量子效率。一方面，衬底上的图案通过折射和反射改变光的轨迹，使光在界面出射的入射角变小(小于全反射临界角)，从而得以透射而出，提高光的提取率；另一方面，图案还可以使得后续的gan生长出现侧向磊晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。多图层衬底技术的关键在于对衬底图案的设计，其对led的出光效率起着决定性作用。为满足器件性能的要求，图案的种类已几番更新，从最初的槽形到六角形、锥形、棱台型等，图形化衬底技术的应用效果已受到认可。s.suihkonen等人的实验证明：具有尖锥状凸起结构的锥形图案的倾斜角对led的出光有较大的影响。lee等人使用icp刻蚀获得圆锥体图形化蓝宝石衬底，在20ma电流的驱动下，获得的led的输出功率提高了35％；su等人分别在蓝宝石衬底上制造出纳米级圆孔图案和微米级圆孔图案，其结果显示，纳米级图案相比微米级图案有更好的出光效率。c.c.wang等人认为单位面积内图形尺度的减小能够增加反射面从而提高光线的出射几率。目前的研究已经证明随着衬底上相邻图案之间距离的缩小，led芯片的光提取率明显增加。其原因在于，图案之间的距离缩小使单位面积的衬底表面上可以排布更多的图案，图案更加密集，从而能够更大限度地提高led的光提取率。然而，由于图案刻蚀技术发展的限制，图形衬底技术的图案设计一直仅限于在平片上规则性排布，由于这些传统的衬底图案设计均是在平面上，图案间距不可能无极限地缩小，即使在最密排布的图案中，相邻图案之间仍然存在较多间隙，而这部分的间隙将会大大地减小了图形衬底led光提取率的提升空间。并且，过密的衬底图案不利于外延gan晶体的形核及生长，因此图形衬底图案的设计及排布是优化led出光效率的一大难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有散光效应的led芯片的制备方法，包括以下步骤：

s1、在蓝宝石片子的上表面制备类似于凸镜形貌的圆，包括以下步骤：

s1.1、通过涂胶机，在蓝宝石片子的上表面涂负胶，负胶的厚度范围在10至150um，且涂抹负胶的厚度根据凸镜弧度调整；

s1.2、通过光刻机，再将s1.1所得的蓝宝石片子的表面进行曝光，且光刻板上面圆形图形的周期与led芯片的尺寸一致，圆形图形的直径范围在20um至60um；

s1.3、将s1.2所得结果进行显影；

s1.4、通过烘箱，对s1.3所得结果进行烘烤，使光刻胶热缩变形；

s1.5、通过icp刻蚀机，利用三氯化硼等离子体对s1.4所得结果进行刻蚀加工。

s2、将s1.5所得的蓝宝石片子通过紫外固化热压印技术对蓝宝石衬底图形化，衬底图案由平均分布的锥形图案组成，且锥形图案的竖截面为等腰三角形，包括以下步骤：

s2.1、将s1.5的表面沉积一层二氧化硅，且二氧化硅的厚度范围在50至150nm；

s2.2、通过涂胶技术，将s2.1所得结果的表面涂布光刻胶，光刻胶的异常粘度的范围为8至12cp，且光刻胶的厚度范围为0.5至1um；

s2.3、利用紫外热压印技术，将有图形的树脂软膜放置在s2.2所得结果的表面，并对蓝宝石片子进行加热，加热温度范围在70摄氏度至100摄氏度。

s2.4、利用boe（氟化铵和氢氟酸的混液）对s2.3所得结果进行浸泡，浸泡时间在30至40秒，将s2.2所得结果中光刻胶未覆盖区域的二氧化硅去除，并利用去胶液去除光刻胶；

s2.5、将s2.4所得结果放入硫酸和磷酸的混合溶液中进行腐蚀，最终得到需要的蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的顶端设置有弧形凸起，且锥形图案均匀分布在弧形凸起的顶端。

优选的，所述s1中，在蓝宝石片子的上表面制备类似于凸镜形貌的圆的直径与所需制备led芯片的直径一致。

优选的，所述s1.3显影后蓝宝石片子上表面的形状为圆台形，且圆台的上底的半径小于圆台的下底的半径。

优选的，所述s1.4的光刻胶热缩变形后的形状由圆台形变为半椭圆体，且半椭圆体的长轴与蓝宝石片子的上表面垂直。

优选的，所述s1.4的烘箱温度的设定范围在150摄氏度至200摄氏度，烘烤时间范围在30至90min，

优选的，所述s2.1采用pecvd设备进行二氧化硅沉积，气体主要采用硅烷即硅与氢的化合物或者一氧化二氮。

优选的，所述锥形图案的底面圆半径的范围在2至4.0um，倾角的范围在25°至75°，相邻锥形图案之间的间距的范围在2至20um，且相邻锥形图案之间的间距均相等。

优选的，所述s2.5中硫酸和磷酸的混合溶液的温度范围在270摄氏度至330摄氏度，腐蚀的时间在15至30分钟。

本发明的有益效果是：

1、本发明与传统led结构出光角最大只有27°相比，可以通过调整凸镜的弧度，使出光角的范围扩大至180°，对led的出光效率进行了优化，进一步提高了led的出光效率。

2、本发明与传统led的衬底图案分布在蓝宝石平面的结构相比，蓝宝石衬底的顶端设置有弧形凸起，且锥形图案均匀分布在弧形凸起的顶端，衬底上的图案更加密集，便于led芯片射出更多的光线。

附图说明

图1为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的led芯片的结构示意图；

图2为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s1.3显影后的俯视图；

图3为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s1.3显影后的正视图；

图4为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s1.4烘烤后的正视图；

图5为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s2.2涂布光刻胶的工艺原理示意图；

图6为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s2.3紫外热压印的工艺示意图；

图7为本发明提出的一种具有散光效应的led芯片的制备方法的s1.5icp刻蚀参数表的工艺示意图。

图中：1凸镜、2p-gan、3mqw、4n-gan、5蓝宝石、6光刻胶、7树脂软膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1，本实施例的led芯片由p-gan2、n-gan4，位于p-gan2与n-gan4之间的mqw3、蓝宝石5和在p-gan2顶端的凸镜1组成，具体制备的步骤如下：

s1、在蓝宝石片子的上表面制备类似于凸镜形貌的圆，且该圆的直径与所需制备led芯片的直径一致，本实施例中，芯片尺寸采用100um*100um，具体包括以下步骤：

首先通过涂胶机，在蓝宝石片子的上表面涂负胶，负胶的厚度范围在30um，且涂抹负胶的厚度根据凸镜弧度调整，通过光刻机，再对上述结果的表面进行曝光，且光刻板上面圆形图形的周期与led芯片的尺寸一致，圆形图形的直径与芯片的尺寸一致，本实施例中，将上述所得结果进行显影，显影后蓝宝石片子上表面的形状为圆台形，如图2和图3所示，且圆台的上底的半径小于圆台的下底的半径，然后通过烘箱，对上述所得结果进行烘烤，使光刻胶热缩变形，光刻胶热缩变形后的形状由圆台形变为半椭圆体，且半椭圆体的长轴与蓝宝石片子的上表面垂直，如图4所示，烘箱温度的设定范围在150摄氏度至200摄氏度，烘箱温度选用175摄氏度，烘烤时间在65min，光刻胶的变形率在92.6%最后通过icp刻蚀机，利用三氯化硼等离子体对上述所得结果进行刻蚀加工，参数如图7所示。

s2、将上述所得的蓝宝石片子通过紫外固化热压印技术对蓝宝石衬底图形化，衬底图案由平均分布的锥形图案组成，且锥形图案的竖截面为等腰三角形，锥形图案的底面圆半径为3um，倾角的范围为55°，相邻锥形图案之间的间距的范围在3um，且相邻锥形图案之间的间距均相等，包括以下步骤：

首先将上述的表面沉积一层二氧化硅，且二氧化硅的厚度范围在80nm，具体采用pecvd设备进行二氧化硅沉积，气体主要采用硅烷即硅与氢的化合物或者一氧化二氮，然后通过涂胶技术，将上述所得结果的表面涂布光刻胶，光刻胶的异常粘度为9cp，且光刻胶的厚度范围为0.75um，如图5所示，再利用紫外热压印技术，将有图形的树脂软膜放置在上述所得结果的表面，并对蓝宝石片子进行加热，加热温度在85摄氏度，此过程中需要uv光和氮气，如图6所示，接着利用boe（氟化铵和氢氟酸的混液）对上述所得结果进行浸泡，浸泡时间在35秒，将上述所得结果中光刻胶未覆盖区域的二氧化硅去除，并利用去胶液去除光刻胶，最后将上述所得结果放入硫酸和磷酸的混合溶液中进行腐蚀，最终得到需要的蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的顶端设置有弧形凸起，且锥形图案均匀分布在弧形凸起的顶端，硫酸和磷酸的混合溶液的温度范围在270摄氏度至330摄氏度，温度选用300摄氏度，腐蚀的时间在15至30分钟，腐蚀时间选用28分钟，弧形凸起的表面97%的已经完场腐蚀。

采用tracepro自带的建模功能实现衬底的制作，参数设置如下：蓝宝石衬底的折射率为1.7，n-gan4、mqw3、p-gan2材质折射率均为2.4，四者均针对400nm的光，温度设置为300k，不考虑吸收与消光系数的影响，mqw3表面光源设定：mqw3上下表面各设置一个表面光源属性，发射形式为光通量，场角分布为lambertian发光场型，光通量为5000a.u.，总光线数3500条，最少光线数10条，测试结果：总光通量7000a.u。

实施例2中，其他步骤相同，在s1.4中，烘箱温度选用150摄氏度，烘烤时间在40min，光刻胶的变形率在83.6%，最后所得的结果：总光通量6500a.u。

实施例3中，其他步骤相同，在s1.4中，烘箱温度选用200摄氏度，烘烤时间在40min，光刻胶的变形率在52.8%，最后所得的结果：总光通量4200a.u。

实施例4中，其他步骤相同，在s1.4中，烘箱温度选用175摄氏度，烘烤时间在30min，光刻胶的变形率在36.8%，最后所得的结果：总光通量2300a.u。

实施例5中，其他步骤相同，在s1.4中，烘箱温度选用175摄氏度，烘烤时间在90min，光刻胶的变形率在21.3%，最后所得的结果：总光通量2000a.u。

实施例6中，其他步骤相同，在s2.5中，温度选用270摄氏度，弧形凸起的表面存在70%的未被腐蚀的圆台形，最后所得结果：总光通量4300a.u。

实施例7中，其他步骤相同，在s2.5中，温度选用330摄氏度，弧形凸起的表面存在45%未被腐蚀的圆台形，最后所得结果：总光通量5600a.u。

实施例8中，其他步骤相同，在s2.5中，腐蚀的时间在15分钟时，弧形凸起的表面存在85%未被腐蚀的圆台形，最后所得结果：总光通量4500a.u。

实施例9中，其他步骤相同，在s2.5中，腐蚀的时间在30分钟时，弧形凸起的表面存在72%未被腐蚀的圆台形，最后所得结果：总光通量4800a.u。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。