专利名称：一种蓝宝石基片表面有序粗化方法及蓝宝石基片、led制备方法和led的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蓝宝石基片表面有序粗化的方法及蓝宝石基片、LED制备方法和 LED。
背景技术：
目前，高出光效率的GaN光电二极管(LED)在很多地方都有很好的应用，比如交通信号灯，全色显示器，液晶显示背景光源以及固态照明等。但是，基于蓝宝石基底外延的GaN 层存在大量的位错，以及两者的热膨胀系数的不匹配，这些都会降低LED内在的量子效率。 并且由于GaN层与空气光折射系数差较大，内部的全反射会使得出光效率受到限制。因此要想提高出光效率，必须提高LED内在量子效率以及出光效率。Fan等人从理论上计算出可以利用光子晶体提高LED的出光效率。日本松下公司率先将光子晶体运用到蓝色LED，使得发光效率提高了 1. 5倍，而理论计算表明进一步改进工艺后效率可以提高3倍。所以光子晶体在LEB领域的应用具有广泛的前景。目前制备光子晶体的方法主要是传统的EBL(电子束蚀刻)，其制作成本高，效率低。利用侧向外延技术能显著的降低位错，但是两步生长过程在工艺上很耗时。最近几年，在图形化的蓝宝石衬底上直接进行GaN的外延技术被广泛研究。这一简化的生长工艺能减少位错，提高光产生效率。同时，蓝宝石的几何图案也能有效的提高光的出光效率。 不过目前的工艺主要是产生微米级的图形。如果能缩小图形的尺度，就能增加图案的数目， 这样更能促使光的散射。
发明内容
本发明的目的就是提供一种蓝宝石基片表面有序粗化方法，能够利用单层纳米球刻蚀技术在蓝宝石、单晶Si等基片上制备有序的纳米图形，从而能促使光的散射。本发明的另一目的是提供一种采用该方法制备的蓝宝石基片。本发明的再一目的是提供一种LED制备方法。本发明的再一目的是提供一种LED。本发明的一种蓝宝石基片表面有序粗化方法包括如下步骤步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片。优选地，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。优选地，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。本发明还提供了一种蓝宝石基片，基片的表面具有均勻分布的图案化的小突起， 在所述蓝宝石基片表面形成所述小突起的方法包括如下步骤
步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球。优选地，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。优选地，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。本发明还提供了一种LED的制备方法，包括如下步骤步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片；步骤4、将制备好的具有图案化的蓝宝石基片放入到金属-有机化学气氛沉积系统(MOCVD)中，先制备GaN层作为形核层，随后再依次制备如下层不掺杂的GaN层、Si掺杂的n-GaN层、InGaN-GaN多量子井和一层Mg掺杂的ρ-GaN层。优选地，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。优选地，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。本发明还提供了一种LED，该LED通过如下步骤来制备步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片；步骤4、将制备好的具有图案化的蓝宝石基片放入到金属-有机化学气氛沉积系统(MOCVD)中，先制备GaN层作为形核层，随后再依次制备如下层不掺杂的GaN层、Si掺杂的n-GaN层、InGaN-GaN多量子井和一层Mg掺杂的ρ-GaN层。本发明通过在蓝宝石的基片上形成具有一定直径大小的聚苯乙烯纳米球，该纳米球有序、均勻分布在基片的表面，再通过刻蚀，从而在基片的表面形成纳米级的图案化的有序小突起，该小突起的直径、间距和高度分别为可以做到550nm、60nm和150nm，而一般的技术形成的突起的直径为3微米，间距为3微米，高度为1.5微米。因此，通过本发明形成的突起单位面积数量更多，更能促使光的散射，从而获得性能更加优良的LED。
图1为表面均勻分布有聚苯乙烯纳米球的基片的示意图；图2为表面形成有纳米级有序分布的突起的基片的示意图；图3为采用本发明有序粗化方法所制备出来的LED的结构示意图。
具体实施例方式本发明在蓝宝石基片表面有序粗化的方法具体是如图1所示，首先将聚苯乙烯纳米球均勻分布在蓝宝石基片表面，均勻分布方法有1、类LB膜方法，即将聚苯乙烯微纳米球在水或者油/水界面通过自组装的方式铺展； 2、Spin-COating(旋涂法)，将聚苯乙烯微球乳液滴加在基片上，利用勻胶机进行旋转涂膜；3、竖片提拉自组装法，将基片插入一定浓度(0.01-1%)的聚苯乙烯微球溶液中，然后以一定的速度(10微米/秒 1厘米/秒)勻速提拉成膜。然后将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀，在3英寸 (0001)面的蓝宝石基片上制备二维有序图形，所用聚苯乙烯纳米球的直径为600nm，将聚苯乙烯微球去除，去除的方法包括1、高温烧蚀，温度为300-600摄氏度；2、利用有机溶剂， 如氯仿，甲苯等浸泡一定时间(1小时 48小时)。从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片，小突起的直径、间距和高度分别为可以做到550nm、60nm和150nm，如图2所
7J\ ο这样，就能够在基片的表面上形成单位面积数量更多的小突起，从而更能促使光的散射。 下面说明制备LED过程。将制备好的图形的蓝宝石基片放入到金属-有机化学气氛沉积系统(MOCVD)中。 先制备30纳米的GaN层作为形核层。随后依次制备如下层2微米后的不掺杂的GaN层，2 微米Si掺杂的n-GaN层，450nm的hGaN-GaN多量子井和一层300nm厚的Mg掺杂的p_GaN 层。整体结构如图2所示。通过上述步骤所制备的LED出光效率可提高10-60%。此外，采用的聚苯乙烯纳米球可以采用直径是100 5000nm的纳米球，另外，以上文中微球范围不仅仅限于聚苯乙烯微球，还可以为二氧化硅，二氧化钛等金属氧化物微球。对于金属氧化物微球，除球方式是利用氢氟酸或者强碱(NaOH，Κ0Η)溶液，浓度为 1%-40% (质量百分比)，温度为30°C 90°C，浸泡1 48小时去除。其余方式均与聚苯乙烯纳米球的相同。
权利要求
1.一种蓝宝石基片表面有序粗化方法，包括如下步骤 步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。
4.一种蓝宝石基片，基片的表面具有均勻分布的图案化的小突起，在所述蓝宝石基片表面形成所述小突起的方法包括如下步骤步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。
7.一种LED的制备方法，包括如下步骤步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片；步骤4、将制备好的具有图案化的蓝宝石基片放入到金属-有机化学气氛沉积系统 (MOCVD)中，先制备GaN层作为形核层，随后再依次制备如下层不掺杂的GaN层、Si掺杂的 n-GaN层、InGaN-GaN多量子井和一层Mg掺杂的ρ-GaN层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯纳米球的直径为100 5000nm。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯纳米球的直径为600nm。
10.一种LED，该LED通过如下步骤来制备步骤1、将聚苯乙烯纳米球均勻的分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均勻分布有小突起的图案化蓝宝石基片；步骤4、将制备好的具有图案化的蓝宝石基片放入到金属-有机化学气氛沉积系统 (MOCVD)中，先制备GaN层作为形核层，随后再依次制备如下层不掺杂的GaN层、Si掺杂的 n-GaN层、InGaN-GaN多量子井和一层Mg掺杂的ρ-GaN层。
全文摘要
本发明公开了一种蓝宝石基片表面有序粗化方法，包括如下步骤步骤1、将聚苯乙烯纳米球均匀分布在蓝宝石基片表面；步骤2、将蓝宝石基片置于Cl-BCl混合气氛中，用ICP刻蚀机进行刻蚀；步骤3、去除掉聚苯乙烯纳米球，从而得到表面均匀分布有小突起的图案化蓝宝石基片。本发明还公开了一种蓝宝石基片、LED的制备方法和LED。本发明通过在蓝宝石的基片上形成具有一定直径大小的聚苯乙烯纳米球，该纳米球有序、均匀分布在基片的表面，再通过刻蚀，从而在基片的表面形成纳米级的图案化的有序小突起，该小突起的直径、间距和高度分别为可以做到550nm、60nm和150nm，因此，通过本发明形成的突起单位面积数量更多，更能促使光的散射，从而获得性能更加优良的LED。
文档编号B82Y30/00GK102280541SQ20111025004
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者王育人, 蓝鼎 申请人:中国科学院力学研究所