[发明专利]制备阵列高压LED的纳米尺寸高深宽比有序图形衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米尺寸、高深宽比有序图形衬底的有效方法，应用于制备阵列高压LED。

背景技术

目前使用最广泛的外延氮化镓(GaN)材料的衬底是成本较低的蓝宝石衬底，然而，蓝宝石衬底和GaN材料存在巨大的晶格失配(16％)和热膨胀系数失配(34％)，所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度(10⁹-10¹¹cm^-2)，这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率(n＝2.4)高于蓝宝石衬底(n＝1.7)以及外部封装树脂(n＝1.5)，使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。图形衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有微小结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行材料外延。图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率；同时，粗糙化的GaN蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率【1】。

图形衬底的表面形貌对衬底上的GaN的生长模式，体材料质量，以及最终的器件效率都将会有着深远的影响。理论和实验研究表明，当图形衬底的结构单元尺寸减少至亚微米、甚至纳米时，GaN材料的外延生长可通过横向增生的方法最大限度地减少缺陷密度，尽可能地提高LED的内量子效率【2】；同时，通过图形衬底技术而在GaN蓝宝石界面形成的三维纳米结构由于尺寸和紫外至蓝光波段的光波长近似，可最有效地散射从有源区发射的光子，大幅提高LED的光提取效率【2】；而且，这些纳米结构还可通过有序的二维和三维排列，制成光子晶体结构，通过Pusell效应进一步控制有源区的发光模式，提高LED的发光效率和改善其发光角度分布【3】；此外，制造含有纳米结构的氮化物器件，可以克服材料中的晶格位错问题，增加产率，降低成本。

然而，图形衬底技术在规模化生产中的应用迄今为止还停留在微米以上的结构尺寸，其根本原因是具有微米以上有序单元结构的图形衬底可通过工艺上十分成熟的光刻技术大规模制造，成本较低，而纳米有序结构的图形衬底需利用特殊技术，如电子束曝光，激光直写，相干光衍射，自组装等昂贵、低效率和费时的方式制造，阻碍了其规模化生产的可能性。Nanoimprint Lithography作为一种高效、低成本制备纳米结构的技术，虽然已在图形衬底制备的研究中得以尝试，但由于Nanoimprint Lithography所用的掩膜胶厚度限制(≤200纳米)，目前只能在蓝宝石表面形成纳米尺度浅孔的有序排列【4】，无法在GaN蓝宝石界面实现高深宽比的纳米锥球状结构的有序排列；由于在锥球状结构的蓝宝石图形衬底上氮化镓增长方式和横向外延非常类似，能够最大限度地释放由于晶格适配造成的压应变，且具备最优化的光提取效率，上述限制阻碍了纳米有序结构的图形衬底在LED制造领域的高效、规模化应用。

参考文献

1.Oh TS，Kim SH，Kim TK，et al.GaN-Based Light-Emitting Diodes on Micro-Lens.Patterned Sapphire Substrate.Jpn.J.Appl.Phys.2008；47：5333-5336.

2.Huang HW，Lin CH，Huang JK，et al.Investigation of GaN-based light emittingdiodes with nano-hole patterned sapphire substrate(NHPSS) by nano-imprintlithography.Mater.Sci.Eng.B.2009；164：76-79.

3.Ji R，Hornung M，Verschuuren MA，et al.UV enhanced substrate conformalimprint lithography(UV-SCIL)technique for photonic crystals patterning in LEDmanufacturing.Microelectron.Eng.2010；87：963-967.