一種透鏡形狀圖形化藍寶石襯底及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及作為II1-V族外延材料生長襯底的圖形化藍寶石襯底，尤其涉及一種采用短脈沖激光加工制備透鏡形狀圖形化大尺寸藍寶石襯底的方法。
【背景技術】
[0002]氮化鎵(GaN)作為第三代半導體材料，以其優異的性能在固態照明領域，特別是在大功率發光二極管(LED)方面具有廣泛的應用。目前通常采用在藍寶石(A1203)襯底上異質外延生長GaN基LED外延材料。由于GaN外延層與藍寶石襯底之間存在高達16%的晶格失配度和26%的熱膨脹系數失配度，通常沿平面藍寶石c面生長的GaN外延層具有很高的位錯密度(108?101() cm—成膜質量差導致LED的內量子效率不高。另一方面藍寶石和GaN的折射率分別為1.7和2.5，遠高于空氣的折射率。波導效應導致大部分光線在外延材料中多次反射最終被吸收，低內量子效率與光提取效率限制了 LED光效的提高。
[0003]圖形化藍寶石襯底技術指在藍寶石襯底表面制作具有細微結構的周期性圖案。這些微納尺度的圖案不僅可以改變GaN外延生長過程，使初期外延生長由縱向變成橫向，有效降低GaN外延材料的缺陷密度，提高LED器件的內量子效率，而且圖案化的GaN/藍寶石界面亦能夠減少光線在外延材料和藍寶石襯底中的全反射，提高器件的光提取效率。
[0004]現在一般采用刻蝕藍寶石的方法來制備圖形化藍寶石襯底，分濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。藍寶石濕法刻蝕所用溶液為H2S04或Η3Ρ04或二者的混合液，刻蝕時溶液溫度在240°C?500°C范圍，通常采用Si02、SiNx或Ni等作為掩膜。如，CN103378221A中以二氧化硅掩膜圖形，用混合酸刻蝕得到圖形化藍寶石襯底。J.Wang等人以H2S04為刻蝕液，以條紋狀Si02為掩膜在400°C下刻蝕得到V型溝槽[Journal of Crystal Growth，2006，290(2): 398-404]。但是，濕法刻蝕要求刻蝕酸液的溫度很高。而且濕法刻蝕各向同性，不容易控制，會使圖形失真。
[0005]藍寶石干法刻蝕一般以BC13或Cl2或混合氣體作為化學反應氣體，采用光刻膠、Si02、Ni或Cr等作為掩膜層，離子高速撞擊材料完成刻蝕過程。多采用反應離子刻蝕(RIE)、感應耦合等離子體刻蝕(ICP)、電子回旋共振等離子體刻蝕(ECR)等技術。如，CN103943736A中通過ICP刻蝕烘烤后的光刻膠掩膜，得到低角度三角錐圖形襯底;CN104181769A中結合多步壓印技術和刻蝕手段制備出火山口型圖形化襯底;W.K.Wang等以BC13和Cl2氣體混合物為反應氣體刻蝕得到周期性孔狀襯底結構[Physica Status Solidi(c),2006,3(6): 2141-2144]。但是干法刻蝕的刻蝕速率慢，刻蝕時間長，尤其無法制備較大尺寸的透鏡形貌。另外由于粒子轟擊，基片表面會造成一定的污染和損傷。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提供一種透鏡形狀圖形化藍寶石襯底及其制備方法。
[0007]—種透鏡形狀圖形化藍寶石襯底，包括藍寶石以及通過激光燒蝕形成于藍寶石表面的透鏡形狀微孔結構陣列，所述透鏡形狀微孔結構的直徑為3M1?30μπι，深度為Ιμπι?10μm，相鄰透鏡形狀微孔結構的間距為Ιμπι?1 ΟΟμπι。
[0008]上述透鏡形狀圖形化藍寶石襯底的制備方法，包括以下步驟:
[0009]1)在藍寶石表面旋涂一層光刻膠并固化；
[0010]2)經過步驟1)后，將所述藍寶石置于可以二維水平方向自由移動的載物臺上，然后將短脈沖激光聚焦在所述藍寶石的表面或表面上方；
[0011]3)經過步驟2)后，控制所述載物臺帶動所述藍寶石移動，使短脈沖激光掃描所述藍寶石表面，在所述藍寶石表面加工形成透鏡形狀微孔結構陣列；
[0012]4)經過步驟3)后，去除所述藍寶石表面殘余的光刻膠和激光燒蝕殘渣，制得透鏡形狀圖形化藍寶石襯底。
[0013]優選地，所述步驟1)中，光刻膠采用正膠或負膠;旋涂的光刻膠厚度為Ιμπι?5μπι;光刻膠固化方式為加熱固化或者紫外固化，加熱固化的熱板溫度為60°C?90°C，固化時間為50s?100s。
[0014]優選地，所述步驟3)中，采用的短脈沖激光的波長為250nm?400nm，脈沖寬度為10ns?80ns，光開關頻率為1kHz?170kHz，激光功率為0.10W?0.33W，激光光斑聚焦直徑為20μπι，激光焦平面與加工材料(即所述藍寶石)的間距為0?80μπι;所述載物臺的移動速度為lmm/s?100mm/sο
[0015]優選地，所述透鏡形狀微孔結構陣列中微孔結構的尺寸和間距可通過激光功率、光開關頻率、激光焦平面與加工材料的間距和所述載物臺的移動速度綜合控制。
[0016]優選地，所述步驟4)中，采用濃硫酸與雙氧水的混合溶液并通過浸泡方式去除殘余的光刻膠和激光燒蝕殘渣，所述濃硫酸和雙氧水的體積比=3:1?7:1。
[0017]優選地，所述制備方法還包括以下步驟:用去離子水沖洗所述步驟4)制得的透鏡形狀圖形化藍寶石襯底，然后用氮氣吹干。
[0018]優選地，所述制備方法還包括以下步驟:在旋涂光刻膠前，依次用丙酮、乙醇和去離子水清洗藍寶石并用氮氣吹干。
[0019]優選地，所述清洗的方式為超聲清洗，超聲功率為40W?100W，在丙酮、乙醇和去離子水中的超聲清洗時間均為5分鐘?20分鐘。
[0020]本發明直接采用短脈沖激光加工藍寶石的方法來制備圖形化藍寶石襯底，而非傳統的干、濕法刻蝕方法，所制備的透鏡形狀的圖形化藍寶石襯底可以實現以下功能:1.通過橫向外延生長方式減小材料位錯密度，提高薄膜發光材料發光的內量子效率;2.對器件的光束形狀和遠場光強分布進行調節;3.提高總體光提取效率。
[0021 ]本發明所采用的方法具有以下優點:
[0022](1)本發明采用的制備工藝步驟少、加工效率高、成本低，相比于常用的干法刻蝕藍寶石技術，加工速率更快。而且加工圖案的尺寸更容易控制，較易制備出大尺寸的透鏡形狀圖案襯底。
[0023](2)本發明有別于傳統刻蝕方法，在激光加工中從始至終無須借助掩膜層，可依靠機械加工平臺相對激光移動，可在大尺寸藍寶石襯底上進行圖形化襯底制備。利用傳統的干、濕法刻蝕技術在較大尺寸藍寶石襯底上制備形貌一致性好、缺陷低、高質量的圖案難度很大，而本發明可突破襯底尺寸的限制，能夠對更大尺寸的藍寶石襯底進行圖形化。
[0024](3)本發明采用短脈沖激光燒蝕藍寶石來制備圖形化藍寶石襯底的方法，對加工環境無要求，在常溫下即可進行，無須濕法刻蝕所需要的大于240°C的酸液環境。而且，該方法避免了濕法刻蝕中橫向刻蝕導致圖案失真的問題，有利于獲得高質量的圖形化襯底。
[0025](4)本發明方法在激光掃描藍寶石襯底前，預先旋涂一層光刻膠作為保護層，有效阻隔了激光燒蝕殘渣對沒有激光燒蝕的藍寶石平滑表面的破壞，巧妙克服了激光加工容易對靶材造成破壞的技術難題，且激光燒蝕后用濃硫酸和雙氧水的混合溶液可以很容易地去除燒蝕殘渣。
[0026](5)本發明制備的透鏡形狀圖形化藍寶石襯底的微孔結構尺寸和間距，可通過調整激光功率、光開關頻率、激光焦平面與材料的間距和加工平臺的移動速度等參數來綜合控制。
[0027](6)該方法制備的圖形化襯底不僅可以通過橫向外延生長方式減小材料位錯密度，而且由于透鏡的聚光特性，透鏡形狀圖案對器件的遠程發光形成匯聚作用，提高總體光提取效率。
【附圖說明】
[0028]圖1為透鏡形狀圖形化藍寶石襯底制備流程圖。
[0029]圖2為制備的透鏡形狀圖形化藍寶石襯底掃描電子顯微鏡(SEM)圖；其中，(a)是側視圖，(b)是橫截面圖。
[0030]圖3為分別在沒有光刻膠保護層(a)、有光刻膠保護層(b)下所制備的圖形化藍寶石襯底SEM圖。
[0031]圖4為透鏡形狀的尺寸分別隨355nm短脈沖激光功率(a)、光斑焦平面上移距離(b)的變化規律圖。
[0032]圖5為透鏡形狀圖形化藍寶石襯底上外延生長透射電子顯微鏡(TEM)圖(a)和位錯線彎曲示意圖(b)。
[0033]圖6為使用透鏡形狀圖形化藍寶石襯底制備的發光二極管器件在50mA驅動電流下從藍寶石面出射光的光強遠場分布圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明，詳盡描述