LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨

LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨

马艳红

上海芯元基光电科技有限公司

摘要：随着社会经济的不断发展，能源的需求量不断增加，为了能够将有效降低能源的损耗，实现能源的可持续发展目标，我国对于节能环保事业的发展尤为的关注。基于科学技术的发展，我国在照明领域开展的环保事业发展取得了一定的成就。例如LED的研发和应用，其在使用的过程中不仅节能环保，同时也体积比较小，且功能时效时间比较长，与普通的照明源对比来讲更具有发展前景。经过技术研发人员的不懈努力，找到了一种能够有效提升LED出光率的新技术，即通过蓝宝石图形化衬底实现LED高出光率的目标，为LED广泛应用于多个领域地奠定了坚实的基础。本文通过对蓝宝石图形化衬底提升LED出光率的机理、表面微结构对LED发光率的影响进行了分析，并探讨了LED蓝宝石图形化衬底的制作过程。

关键词：LED；蓝宝石图形衬底；制备工艺

引言：

随着物质生活水平的提升，社会群众对于环保节能产业的发展也越发地关注，只有合理控制能源的消耗，才能够有效地提升能源和生态环境可持续发展的潜力。环保节能在各行各业的发展中都是非常重要战略目标。在照明领域最显著的发展便是LED的发展与应用，因为其具备良好的性能，尤其在环保节能方面表现出来的优势得到了社会群众的认可，所以被推广到很多的领域的实际应用当中，例如用于一般的照明、LCD背光源等。随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，让LED制备白光逐渐成了现实，对于LED的进一步推广和应用有着非常显著的作用。值得一提的是，LED虽然作为一种特别的固态光源与当前的社会环境倡导节能减排的理念具有极高的契合度，但是在LED实际的发展与应用中还是存在着一些问题，只有技术研发人员加强对LED的创新和优化，才能够为LED的广泛应用，在照明领域代替当前的所使用的传统光源。为环保节能社会的建设提供良好的支持。

1. LED蓝宝石图形化衬底提高GaN基LED出光率的作用机理

1.1降低GaN外延层位错密度

在LED衬底材料中蓝宝石所具备的机械性能、可靠性以及易控制特性远超过其他的衬底材料，如单晶硅、单晶碳化硅等。随着科学技术的不断发展，将蓝宝石晶片表面制作成结构细微的周期阵列图形，能够有效地有效地减少错位的产生，让错位密度至少降低1～2个数量级，由此会得到外延质量更高的GaN，LED内量子的效率也能够得到有效地提升。而制备的蓝宝石图案化衬底之所以能够对GaN外延层的错位密度产生明显的降低作用，是因为蓝宝石图形化衬底表面的微结构对GaN材料的生长过程产生了一定的影响。一般而言，处于蓝宝石图形化衬底之间的GaN材料会随着生长逐渐向外延层表面扩展，而处于蓝宝石图形化衬底侧面的GaN材料一般的位错方向会呈现出90°弯曲的现象，以至于蓝宝石图形化衬底侧面的GaN材料不能够延伸到外延层表面，以此对GaN外延层表面的位错密度进行控制[1]。得到有效控制的GaN外延层表面密度也会对有源区的非辐射复合中心产生良好的控制作用，让载流子的散射在一定程度上得到有效的缓解，从而让LED的内量子效率得到有效地提升。需要注意的两点是：第一，蓝宝石图形化衬底侧面的面积与降低位错密度的程度有非常紧密的联系，若是将梯形的蓝宝石图形化衬底换为圆锥形的蓝宝石图形化衬底，将会更有益于GaN外延层表面的位错密度控制。第二，蓝宝石图形化衬底的图案密集度也会对位错密度产生显著的影响，若衬底图案的密集程度越高越有利于增加侧面的面积，从而有效降低位错。因此，蓝宝石图形化衬底对于GaN外延层的高质量生长有非常显著的提升作用。

1.2增加光提取率

而蓝宝石图形化衬底对于LED光提取率的促进作用原理最关键的便是图形化衬底面的微结构发挥了极大的作用，因为衬底表面微结构的存在让原本可能会被限制在有光源区的光子经过蓝宝石衬底的多次反射，让其的传播路径发生了明显的改变，当光子的传播角度处于特殊的范围时，光子便会出现逃逸行为，当光子成功逃逸之后，LED的光提取率也就随之上升了。

2. PSS表面微结构对LED发光效率的影响

虽然蓝宝石图形化衬底已经成为了实现了增加LED光提取率的目标，但是当前的成果并不令人满意，为了进一步提升衬底的性能，很多学者对衬底的表面微结构进行了深入的研究，通过对图案衬底促进LED出光率提升的原理的应用，对衬底表面微结构的几何图形及其尺寸进行了更深层次的研究。

2.1几何形状对LED发光效率的影响

经过研究发现，外延层的生长质量影响因素中成核点的数量对其有关键性的影响，若是成核点数量越少，成核区的范围就会越小，对于外延层的横向生长更有益，而位错密度也会得到有效地降低。基于GaN薄膜成核位置分析发现，在蓝宝石图形化衬底的C面是成核位置的高发点。因此，随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，其表面的微结构图形也逐渐形成了由简化繁的趋势，由最初的沟槽状逐渐演变为了圆锥状和半球状，而图形的改变最终的目的都是为了合理控制成核点的数量。以沟槽状的衬底图形为例，沟槽的位置对于 外延层的高质量生长是毫无促进作用的，GaN常常会在未刻蚀的位置成核，只有通过对其生长工艺参数进行合理的调控，才能够让GaN变为横向生长，最终让外延层实现接合。随着外延层与蓝宝石图形化衬底接触面积的改变对位错也产生了非常大的影响，同时，与衬底C面形成夹角的侧面有效地提升了蓝宝石折射的次数，为光子的逃逸提供了良好的机会。

其实无论是沟槽状的衬底还是圆锥状的衬底，几乎所有的衬底图形结构都是以同样的原理为光子的逃逸增加概率。而在所有的图形中，圆锥状的半球状的图形结构为光子逃逸概率的提升奠定了更坚实的基础。因此，这两种图案成为当前最常用的衬底图形。

2.2图形尺寸对LED发光效率的影响

随着纳米技术的发展与成熟，在蓝宝石图形化衬底发展中也逐渐朝着纳米结构发展。大量的实验证明，纳米级的蓝宝石图形化衬底对于外延层生长质量和光逃逸都是有非常显著的促进作用。而纳米级蓝宝石衬底之所以能够实现这两项目标，主要还是有赖于图形尺寸的大幅缩小，为衬底与外延层的接触面积缩小提供了良好的机会，由此也会让位错降低[2]。另外，因为在一定的范围之内，衬底图形的侧面数量得到了明显的增加，所以对于光的折射次数也有显著的提升。因此，外延层的质量和LED的出光率都会随着图形尺寸的改变而发生明显的改变。

3. LED蓝宝石图形化衬底的制备过程

3.1掩膜制备

3.1.1Ni掩膜

在掩膜制备中最常使用的材料便是Ni，通常情况下便是在蓝宝石表面争渡一层厚约几百微米的掩膜，然后使用光刻工艺制备出图形化的Ni掩膜，而其图案的样式和大小主要取决于掩膜版的图案和尺寸。

3.1.2SiNx掩膜

利用特定的技术在蓝宝石衬底表面沉积一层SiNx为刻蚀掩膜，然后利用有机玻璃和深紫外灯，对其图形进行制定，然后使用回流技术合理调控图案之间的距离，最后使用相关技术将所制定的图案转移到掩膜上。

3.1.3SiO2掩膜

该掩膜的制备通常情况下会先使用相关技术在衬底上沉积一层SiO2薄膜，然后再使用光刻工艺和相关刻蚀技术制作图形化的SiO2掩膜。

3.1.4光刻胶掩膜

该掩膜的制备通常情况下是先在衬底表面涂上涂上一层光刻胶，然后经过前烘、曝光等一系列的工序将掩膜版上面的图案复制到光刻胶之上，然后再将光刻胶作为掩膜经过刻蚀等工艺的处理，最终形成蓝宝石图形化衬底。

3.2 LED蓝宝石图形的转移

3.2.1干法刻蚀

蓝宝石图形化衬底制备工艺中的干法刻蚀主要有三种类型：一是物理轰击刻蚀，便是利用带电正离子对衬底表面进行撞击，然后利用真空抽离系统将撞击出来的材料处理掉；二是化学反应刻蚀，利用相关的等离子反应气体与衬底材料发生化学反应而达到图形制备目的；三是物理与化学相结合的方式，该方式对材料具有一定的选择性，同时对刻蚀的方向也会有一定的选择。通过先撞击的方式增加材料表面的化学活性，然后经过化学反应之后，由真空抽离系统将被撞击出来的材料带走，然后继续进行化学反应，如此反复进行，最终达到图形衬底制备的目的[3]。

3.2.2湿法腐蚀

湿法腐蚀便是利用各种混酸化学溶剂与衬底表面材料发生一系列的化学反应而实现材料去除的目的，其优势在于方法简单高效。而其机理主要包含三个步骤：第一，反应物以扩散的方式遍布蓝宝石晶片表面。第二，反应物与材料发生化学反应。第三，经过化学反应之后生成的产物继续以扩散的方式离开衬底表面。但是该方法对于刻蚀方向的把控会有一定的偏差，即为纵向刻蚀，但是在刻蚀的过程中也会出现横向刻蚀的情况[4]。

4. 结束语：

基于各种现代化科学技术的发展和技术研发人员的不懈努力，蓝宝石图形化衬底技术的发展对于GaN基外延层错密度和内量子效率的改变具有十分显著的作用。若单从衬底层面来讲，对于LED出光率影响最大的便是其表面所呈现出来的微结构的几何形状和尺寸。其中尺寸的明显变小能够形成纳米级别的蓝宝石图形化衬底，这对于LED出光率的提升有着非常明显的作用。由此可见，纳米级的蓝宝石图形化衬底制备工艺的发展将会是LED超前发展的重要基础。在进行蓝宝石图形化衬底制作时，常使用的干法刻蚀和湿法腐蚀所表现出来的优势都是非常明显的，但是就形成规模化生产方面来讲，湿法刻蚀比干法刻蚀会更有发展潜力一些。但是如何进一步提升蓝宝石图形化衬底的质量，还需要相关人员加大研发的力度和投入，从而为LED广泛应用提供支持。

参考文献：

[1]潘春荣，刘云祥，谢斌晖，陈铭欣.LED用图形化蓝宝石衬底的光刻工艺优化[J].传感器与微系统，2021,40(01):56-59.

[2]乔良,杨海艳,张诗娟,陆羽.在蓝宝石图形衬底上外延高性能LED[J].照明工程学报,2020,31(05):82-84.

[3]朱友华,刘轩,王美玉,李毅.4-inch蓝宝石图形衬底上GaN基白光LED制备及表征[J].发光学报,2020,41(07):858-862.

[4]孙策. 发光二极管中蓝宝石微纳图形衬底的制备及其研究[D].河北工业大学,2020.