一种氮化镓基发光二极管外延衬底及其制备方法.pdf

本发明提供了氮化镓基发光二极管外延衬底及其制备方法，包括(1)在衬底上沉积一层低折射率材料的薄膜；(2)用光阻在所述的薄膜上制备掩模图形；(3)通过刻蚀，将光刻胶掩模的图形转移到所述的薄膜上；(4)清洗衬底，去除残留的光阻，其中，所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化稼、氧化锌中的一种，薄膜为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者二氧化钛等材料中的一种，薄膜厚度为0.1umm～3um之间，薄膜折射率小于2.5，衬底图形为近似的半球形，圆锥形或圆台形，采用本发明提供的氮化镓基发光二极管外延衬底，可以提高二极管的出光效率，制备过程容易控制，制备方法简单多样，成品率高，降低了生产成本。

1.  氮化镓基发光二极管外延衬底，其特征在于包括衬底以及衬底上的图形，所述图形的材料为二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮氧化硅或者二氧化钛中的一种。

2.  如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延衬底，其特征在于所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化稼、氧化锌中的一种。

3.  如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延衬底，其特征在于所述的图形呈半圆形、圆锥形或圆台形。

4.  如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延衬底，其特征在于所述的图形下底的宽度为0.1um至10um，高度为0.1um至3um，图形间的间距为0.1um至10um。

5.  如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延衬底，其特征在于所述的图形下底的宽度为2.5um至4.5um，高度为1.2um至1.8um，，图形间的间距为0.3um至1um。

6.  一种氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，步骤为：
(1)在衬底上沉积一层低折射率材料的薄膜；
(2)用光阻在所述的薄膜上制备掩模图形；
(3)通过刻蚀，将光刻胶掩模的图形转移到所述的薄膜上；
(4)清洗衬底，去除残留的光阻。

7.  如权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化稼、氧化锌中的一种。

8.  如权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的薄膜为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者二氧化钛等材料中的一种。

9.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的薄膜厚度为0.1um～3um之间。

10.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的图形下底的宽度为2.5um至4.5um，高度为1.2um至1.8um，，图形间的间距为0.3um至1um。

11.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的薄膜折射率小于2.5。

12.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的图形为近似的半球形，圆锥形或圆台形。

13.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的图形下底的宽度为0.1um至10um，高度0.1um至3um，图形间的间距为0.1um至10um。

14.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述步骤(1)的薄膜制备方法为PECVD、电子束蒸发、溅射或溶胶凝胶中的一种。

15.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的步骤(2)在薄膜上制备图像的方法为匀胶、光刻、显影、热板烘烤制作刻蚀掩膜。

16.  如权利要求5所述的氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，其特征在于所述的步骤(3)通过干法刻蚀或湿法腐蚀图形。

一种氮化镓基发光二极管外延衬底及其制备方法
技术领域
本发明涉及氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)及其制备方法，尤其涉及氮化镓基发光二极管(LED)外延衬底及其制备方法。
背景技术
现在国际上普遍应用的氮化镓基发光二极管主要是异质外延在平坦的衬底上，其中衬底可以为蓝宝石、碳化硅或硅，这种结构主要缺点在于：1、由于没有晶格匹配的衬底材料，氮化镓基发光二极管都是异质外延生长在蓝宝石、碳化硅或硅等衬底上，晶格常数的差异使外延材料存在着很多的位错，这些缺陷限制了发光二极管的内量子效率；2、光从外延层进入衬底时，由于界面比较平坦，光的入射角比较小，且氮化镓和衬底折射率相差不大，导致反射率低，大部分光会逸出到衬底，不能有效反射回外延层，大大降低了氮化镓基发光二极管的出光效率，尤其是碳化硅为衬底的氮化镓基蓝绿光发光二极管的衬底的折射系数与氮化镓相当，光从外延层逸出到衬底的几率为100％。
为了提高氮化镓基发光二极管的出光效率，已有多项研究工作围绕图形化衬底展开，主要是通过刻蚀蓝宝石，制作图形衬底。如公开号为1020080087406、1020060127623的韩国专利，在蓝宝石衬底上制作半球形的掩膜，再刻蚀蓝宝石得到半球形的图案，上述方法虽然部分减少了外延缺陷和提高了出光效率，但仍然存在如下缺点：
1、由于蓝宝石的折射率为1.8，同氮化镓的折射率比较接近，当光从外延层进入图形衬底时，反射率提高不明显，对于GaN基发光二极管出光率的改善达不到预期效果。
2、由于蓝宝石衬底比较坚硬，制作过程对设备和工艺要求很高，特别是蓝宝石的干法刻蚀，需要氦气冷却系统、高密度的等离子体，普通的刻蚀设备，不能满足要求，同样湿法腐蚀需要在高温下使用强酸，制作过程难控制，从而导致成品率低，增加了生产成本。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种可提高出光效率的氮化镓基发光二极管外延衬底。
同时本发明还提供了氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法。
氮化镓基发光二极管外延衬底包括：衬底以及衬底上的图形，所述图形的材料为二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮氧化硅或者二氧化钛中的一种。
其中，所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化稼、氧化锌中的一种。
其中，所述的图形呈半圆形、圆锥形或圆台形。
其中，所述的图形下底的宽度为0.1um至10um，高度0.1um至3um，图形之间的间距为0.1um至10um。
一种氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，步骤为：
(1)在衬底上沉积一层低折射率材料的薄膜；
(2)用光阻在所述的薄膜上制备掩模图形；
(3)通过刻蚀，将光刻胶掩模的图形转移到所述的薄膜上；
(4)清洗衬底，去除残留的光阻。
其中，所述的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化稼、氧化锌中的一种。
其中，所述的薄膜为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者二氧化钛等材料中的一种。
其中，所述的薄膜厚度为0.1um～3um之间。
其中，所述的薄膜折射率小于2.5。
其中，所述的图形为近似的半球形，圆锥形或圆台形。
其中，所述的图形下底的宽度为0.1um至10um，高度0.1um至3um，图形间的间距为0.1um至10um。
其中，所述步骤(1)的薄膜制备方法为PECVD、电子束蒸发、溅射或溶胶凝胶中的一种。
其中，所述的步骤(2)在薄膜上制备图像的方法为匀胶、光刻、显影、热板烘烤制作刻蚀掩膜。
其中，所述的步骤(3)通过干法刻蚀或湿法腐蚀图形。
本发明有益效果是：(1)由于在衬底上沉积低折射率材料的薄膜，其硬度低，制备过程容易控制，对生产设备和工艺条件无特殊要求，制备方法简单多样，成品率高，降低了生产成本；(2)用折射率接近于1的薄膜材料制备的图形衬底，一方面，由于图形为圆锥或半圆形，光从外延层进入衬底时，入射角度会增大；另一方面，图形的折射率比较低，反射率会大大提高，更多的光从透明电极出射，增加了光的抽取效率。通过实际检测，采用本发明提供的氮化镓基发光二极管封装后亮度提高30％。
附图说明
图1是在衬底上淀积一层低折射率材料薄膜的示意图；
图2是在低折射率材料薄膜上用光阻形成的掩膜图形；
图3、图4为氮化镓基发光二极管的图形衬底
具体实施方式
以下举例说明氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法，
氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法实施例1包含如下步骤：
(1)在2英寸C面蓝宝石衬底上利用化学气相沉积的方法生长一层1.5um的二氧化硅薄膜，如图1所示；
(2)用光阻在二氧化硅薄膜上制备半球状掩模，如图2所示；
(3)通过干法刻蚀，将半球形的光阻掩模图形转移到二氧化硅薄膜上，在蓝宝石衬底上形成半球状的二氧化硅，半球之间的二氧化硅材料刻蚀干净，露出蓝宝石衬底。
(4)用150摄氏度的3号液(H₂SO₄：H₂O₂＝3：1)清洗蓝宝石衬底，制备出蓝宝石图形衬底，如图3，如图4所示。
通过上述步骤形成的氮化镓基发光二极管外延衬底的图形为下底的宽度5um，高度1.5um，图形之间的间距3um。
氮化镓基发光二极管外延衬底的制备方法实施例2包含如下步骤：
(1)在2英寸蓝宝石衬底上利用化学气相沉积的方法生长一层0.1um的氮化硅薄膜；
(2)用光阻在氮化硅薄膜上制备半球状掩模；
(3)通过干法刻蚀，将半球形的光阻掩模图形转移到氮化硅薄膜上，在蓝宝石衬底上形成半球状的氮化硅，半球之间的氮化硅材料刻蚀干净，露出蓝宝石衬底。
(4)用150摄氏度的3号液(H₂SO₄：H₂O₂＝3：1)清洗衬底，制备出蓝宝石图形衬底。
通过上述步骤形成的氮化镓基发光二极管外延衬底的图形为下底的宽0.2um，高度0.1um，图形之间的间距0.1um。
如上两个实施例中氮化镓基发光二极管外延衬底的图形的尺寸会因所采用的设备不同，最终形状、大小会有不同。如氮化镓基发光二极管外延衬底的图形下底还可以进一步为宽度为2.5um至4.5um，高度为1.2um至1.8um，，图形间的间距为0.3um至1um。
应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。