[发明专利]一种基于聚合物微球制备纳米级图形化蓝宝石衬底的方法

说明书

本发明公开了一种基于聚合物微球制备纳米级图形化蓝宝石衬底的方法，首先在蓝宝石衬底上生长一层二氧化硅层；然后在二氧化硅层上自组装形成单层紧密排列的聚合物微球阵列；接着对聚合物微球进行干法刻蚀以减小微球的直径，形成非紧密规则排列的聚合物微球阵列；然后以上述非紧密规则排列的聚合物微球阵列为掩模，对二氧化硅层进行刻蚀得到规则排列的二氧化硅纳米柱；最后以二氧化硅纳米柱为掩模对蓝宝石衬底进行刻蚀，得到所述纳米级图形化蓝宝石衬底。本发明的方法简单易行、重复性好、成品率高、生产成本低，适用于各种尺寸的图形化蓝宝石衬底的制备，适用于企业大规模生产。本发明还公开了所述纳米级图形化蓝宝石衬底在GaN基LED中的应用。

技术领域

本发明属于GaN基LED图形化衬底技术领域，涉及一种基于聚合物微球制备纳米级图形化蓝宝石衬底的方法，具体涉及在二氧化硅层表面利用自组装形成的聚合物微球来制备规则排列的二氧化硅纳米柱，再通过刻蚀得到纳米级的图形化蓝宝石衬底。

背景技术

GaN基LED与传统的光源相比具有体积小、寿命长、效率高、节能环保等优点，目前已广泛应用于显示、指示灯、背光灯、固态照明、交通信号灯、短程光学通信和生物传感器等各个领域。由于缺少大尺寸的GaN衬底，目前GaN薄膜一般是在蓝宝石、碳化硅或硅等衬底上通过异质外延方式进行生长。而蓝宝石由于价格便宜，化学稳定性和热稳定性良好，是目前商业化GaN基LED最常用的衬底。然而，GaN外延层与蓝宝石之间的晶格失配度达到16％，使得GaN薄膜在异质外延过程中产生大量的位错，晶体质量较差。同时GaN外延层与空气之间大的折射率差使得LED有源区内产生的光由于全反射效应而大部分无法出射，仅有约5％的光可以从逃逸角射出，这两个因素极大地限制了GaN基LED的出光效率。

图形化蓝宝石衬底(PSS)一方面能够有效减少GaN异质外延层的位错密度，提高薄膜的晶体质量；另一方面能够改变LED器件内部光的传播方向，使一大部分全反射光重新进入逃逸角从而显著提高LED的出光效率(M.Ohya et al.,Improvement of vertical lightextraction from GaN-based LEDs on moth-eye patterned sapphire substrates,Phys.Status Solide A,5:935(2015)；S.F.Yu et al.,Characteristics of InGaN-BasedLight-Emitting Diodes on Patterned Sapphire Substrates with Various PatternHeights,Journal of Nanomaterials,2012:346915(2012))。目前，商业化的LED普遍采用PSS来提高器件性能，与传统平面蓝宝石衬底相比，采用PSS的LED出光效率可以提高30％～40％。

目前商业化的PSS图形大小通常在微米尺寸量级。然而大量研究表明，与微米尺寸的PSS相比，纳米尺寸的PSS可以进一步提高LED器件的出光效率(J.K.Huang et al.,Investigation and Comparison of the GaN-Based Light-Emitting Diodes Grown onHigh Aspect Ratio Nano-Cone and General Micro-Cone Patterned SapphireSubstrate,Journal of Display Technology,9:947(2013)；Y.K.Su et al.,Pattern-size dependence of characteristics of nitride-based LEDs grown on patternedsapphire substrates,J.Cryst.Growth,311:2973(2009))。因此，实现纳米尺寸量级的PSS对进一步提高GaN基LED的性能具有重要的意义。

现阶段一般是采用纳米压印技术来实现纳米尺寸量级的图形化蓝宝石衬底，但纳米压印技术尚未成熟，且纳米压印方法的制备工艺相对比较复杂，涉及压印模板的制备及压印图形的转移等。