[发明专利]一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法

说明书

本发明公开了一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法：在蓝宝石表面旋涂光刻胶并固化；利用短脉冲激光逐点扫描蓝宝石表面，形成透镜形状结构的阵列；去除蓝宝石衬底表面残余的光刻胶和激光烧蚀残渣，制得透镜形状的图形化蓝宝石衬底。本发明采用高能量激光直接轰击蓝宝石材料并在其表面形成三维几何图案，透镜形状图案的尺寸和间距可通过改变激光加工参数调整，制备工艺步骤少、加工效率高、成本低而且无需借助掩膜层，可实现在大尺寸蓝宝石衬底上制备出高质量、一致性好的透镜形状图案。

技术领域

本发明涉及作为III-V族外延材料生长衬底的图形化蓝宝石衬底，尤其涉及一种采用短脉冲激光加工制备透镜形状图形化大尺寸蓝宝石衬底的方法。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，以其优异的性能在固态照明领域，特别是在大功率发光二极管(LED)方面具有广泛的应用。目前通常采用在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上异质外延生长GaN基LED外延材料。由于GaN外延层与蓝宝石衬底之间存在高达16％的晶格失配度和26％的热膨胀系数失配度，通常沿平面蓝宝石c面生长的GaN外延层具有很高的位错密度(10⁸～10¹⁰cm^-2)。GaN成膜质量差导致LED的内量子效率不高。另一方面蓝宝石和GaN的折射率分别为1.7和2.5，远高于空气的折射率。波导效应导致大部分光线在外延材料中多次反射最终被吸收，低内量子效率与光提取效率限制了LED光效的提高。

图形化蓝宝石衬底技术指在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的周期性图案。这些微纳尺度的图案不仅可以改变GaN外延生长过程，使初期外延生长由纵向变成横向，有效降低GaN外延材料的缺陷密度，提高LED器件的内量子效率，而且图案化的GaN/蓝宝石界面亦能够减少光线在外延材料和蓝宝石衬底中的全反射，提高器件的光提取效率。

现在一般采用刻蚀蓝宝石的方法来制备图形化蓝宝石衬底，分湿法刻蚀和干法刻蚀两种。蓝宝石湿法刻蚀所用溶液为H₂SO₄或H₃PO₄或二者的混合液，刻蚀时溶液温度在240℃～500℃范围，通常采用SiO₂、SiN_x或Ni等作为掩膜。如，CN103378221A中以二氧化硅掩膜图形，用混合酸刻蚀得到图形化蓝宝石衬底。J.Wang等人以H₂SO₄为刻蚀液，以条纹状SiO₂为掩膜在400℃下刻蚀得到V型沟槽[Journal of Crystal Growth,2006,290(2)：398-404]。但是，湿法刻蚀要求刻蚀酸液的温度很高。而且湿法刻蚀各向同性，不容易控制，会使图形失真。

蓝宝石干法刻蚀一般以BCl₃或Cl₂或混合气体作为化学反应气体，采用光刻胶、SiO₂、Ni或Cr等作为掩膜层，离子高速撞击材料完成刻蚀过程。多采用反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、电子回旋共振等离子体刻蚀(ECR)等技术。如，CN103943736A中通过ICP刻蚀烘烤后的光刻胶掩膜，得到低角度三角锥图形衬底；CN104181769A中结合多步压印技术和刻蚀手段制备出火山口型图形化衬底；W.K.Wang 等以BCl₃和Cl₂气体混合物为反应气体刻蚀得到周期性孔状衬底结构[Physica Status Solidi(c),2006,3(6):2141-2144]。但是干法刻蚀的刻蚀速率慢，刻蚀时间长，尤其无法制备较大尺寸的透镜形貌。另外由于粒子轰击，基片表面会造成一定的污染和损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法。