CN102790151B - 用于led芯片的衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底包括主体，所述主体上设置有若干分区；每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。同时本发明提供该衬底的制备方法，包括：提供无图形衬底；以所述分区为单位，设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构；将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构；将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上，形成用于LED芯片的衬底。本发明制备的用于LED芯片的衬底解决了现有的衬底不能控制反射光相位分布等问题，提高了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的亮度。

Description

用于LED芯片的衬底及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光二级管(LED)制造领域，特别是涉及一种用于LED芯片的衬底及其制备方法。

背景技术

现有技术中的LED工艺是在平坦的衬底上生长N型氮化镓、量子阱、P型氮化镓等层叠外延结构，然后在所述层叠外延结构上形成透明导电膜并开孔，接着制作P、N电极，最后制备钝化保护层结构。但当LED发展到向景观照明和通用照明进军的现阶段，LED的发光亮度遇到了更高的挑战，在内量子效率可提高的空间有限的情况下，平坦的衬底已经不能满足需要，所以为了进一步提高LED的发光亮度，LED行业的科研工作者引入了图形化衬底。所谓图形化衬底就是通过湿法高温腐蚀或干法刻蚀的办法在衬底上形成类似半球形、圆台形、圆锥形、三角锥形、多棱锥形、柱形或不规则图形等微米结构，这些微米结构对量子阱发出的光波具有散射和漫反射作用，能够在一定程度上提高光的提取率。但这类微米结构设计的理论基础都是几何光学中的折射、反射理论或散射理论，对波动光学及衍射理论考虑较少，很难应对将来LED需要更高级发光亮度的挑战。

因此，如何更大限度地提高LED的发光亮度，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，以解决现有的衬底不能控制反射光相位分布等问题，提高了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的亮度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于LED芯片的衬底，包括：

主体，所述主体上设置有若干分区；

每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构具有N级阶梯，其中N＝2^M，M为正整数。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构中的第Z级阶梯的深度d_Z为1≤Z≤N，Z为正整数，λ为波长。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形、三角形、长方形、正六边形或平行四边形，所述最小单元的边长为10nm～500nm。

进一步的，相邻所述分区之间具有走道。

进一步的，所述分区的形状为正方形、三角形、长方形、六边形或平行四边形。

进一步的，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。

进一步的，本发明还提供一种三维纳米阶梯结构衬底的制备方法，包括：

提供无图形衬底，所述无图形衬底上具有若干分区；

以所述分区为单位，设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构；

将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构；

将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上，形成具有三维纳米阶梯结构的衬底，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。

进一步的，根据光波衍射理论通过光束整形算法设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构。

进一步的，所述光波衍射理论为标量衍射理论或矢量衍射理论，所述标量衍射理论为基尔霍夫标量衍射理论、菲涅耳衍射理论或夫琅和费衍射理论，所述矢量衍射理论为瑞利-索末菲衍射理论或平面波角谱衍射理论。

进一步的，所述光束整形算法为基于傅立叶变换迭代的算法、基于搜索极值的优化搜索的算法中的一种或两种的结合。

进一步的，采用归一化的方法将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构。

进一步的，将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上的制备方法为：直写技术，曝光及刻蚀转移技术、模压法、电铸及注塑法、溶胶-凝胶法、热溶法、离子扩散技术。

进一步的，所述直写技术包括电子束直写技术、离子束直写技术或激光直写技术中的一种。

进一步的，所述直写技术通过停留时间或强度控制所述三维纳米阶梯结构的阶梯深度。

进一步的，所述曝光及刻蚀转移技术包括多次曝光单次刻蚀技术、多次曝光多次刻蚀技术或单次曝光单次刻蚀技术中的一种。

进一步的，所述多次曝光单次刻蚀技术中，光刻胶的厚度大于按比例变化后的三维纳米阶梯结构的阶梯深度，所述比例为所述光刻胶和所述衬底的材料的刻蚀选择比。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构具有N级阶梯，其中N＝2^M，M为正整数。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构中的第Z级阶梯的深度d_Z为1≤Z≤N，Z为正整数，λ为波长。

进一步的，所述三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形、三角形、长方形、正六边形或平行四边形，所述最小单元的边长为10nm～500nm。

进一步的，相邻所述分区之间具有走道。

进一步的，所述分区的形状为正方形、三角形、长方形、六边形或平行四边形。

进一步的，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。

与现有技术相比，本发明提供的用于LED芯片的衬底及其制备方法具有以下优点：

1、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底的每一分区上均具有控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，与现有的图形化衬底相比，本发明所提供的分区上的图案不是简单重复排列的图案结构，而是在各位置处具有不同深度的阶梯的三维纳米阶梯结构，该三维纳米阶梯结构对量子阱发光层发出的发射光的光波不止具有单纯的散射和漫反射作用，还具有衍射作用。当光传播到三维纳米阶梯结构时，该三维纳米阶梯结构能够通过衍射作用有目的地改变反射光的相位分布，使经该三维纳米阶梯结构反射光的发射角小于LED芯片的全反射角，使反射光能全部从LED芯片的出光面上逃逸出来，增加LED芯片的出光率；同时该三维纳米阶梯结构可以控制LED芯片出光的发散角度，提高其轴向发光亮度。

2、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底的每一分区上均具有控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，不同分区的三维纳米阶梯结构相同，相邻分区之间具有走道，该走道在生长外延层之前形成，能够很好地降低外延层与衬底之间的各种应力。

3、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底可适用于任何尺寸的LED芯片制造，并且制备技术方法多，可根据具体需要灵活选择。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于LED芯片的衬底制备方法的流程图；

图2为本发明一实施例的经过光束整形器件后光在自由空间的传播示意图；

图3为本发明一实施例的傅立叶变换迭代算法基本流程图；

图4为本发明一实施例的搜索极值优化算法基本流程图；

图5为本发明一实施例的三维纳米阶梯结构的示意图；

图6为本发明一实施例的用于LED芯片的衬底的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的用于LED芯片的衬底及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底包括主体，所述主体上设置有若干分区，每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。该三维纳米阶梯结构根据光波衍射理论通过光束整形算法设计，并通过归一化的方法得到，该用于LED芯片的衬底能够通过衍射作用有目的地改变反射光的相位分布。

在激光光束整形领域中有一种纯相位衍射型光束整形器件，此器件表面上具有三维纳米阶梯结构，使得无论激光束的束斑大小、形状和空间光强分布如何，只要该激光束通过该纯相位衍射型光束整形器件，此器件就能将该激光束无能量损失地转变成所需要的图形图案。纯相位衍射型光束整形器件在实现光束整形时无能量损失，纯相位衍射型光束整形器件之所以能够实现无能量损失地改变光形的原因就是它是只改变光波的相位信息(即光的传播方向)，而不改变光波的振幅信息(即光强)。由于纯相位衍射型光束整形器件具有在实现光束整形时无能量损失的优点，所以本发明将上述纯相位结构及该结构的工作原理应用于LED领域，将衬底等同于上述纯相位衍射型光束整形器件，在衬底与外延接触的那一表面上制作出预先设计好的三维纳米阶梯结构，该有三维纳米阶梯结构的衬底就能摆脱全反射角的限制，将传播到其表面上的所有光能转变成可逃逸LED芯片的光能，不仅如此，该具有三维纳米阶梯结构的衬底还能决定管芯的发散角度，提高轴向光的亮度。

结合上述核心思想，本发明提供一种用于LED芯片的衬底，包括：

主体，所述主体上设置有若干分区；

每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。

进一步，结合上述用于LED芯片的衬底，本发明还提供了一种制造方法，包括以下步骤：

步骤S11，提供无图形衬底，所述无图形衬底上具有若干分区；

步骤S12，以所述分区为单位，设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构；

步骤S13，将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结；

步骤S14，将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上，形成用于LED芯片的衬底，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯；

以下列举所述用于LED芯片的衬底及其制备方法的几个实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

【第一实施例】

本实施例提供一种应用于基于激发蓝光(波长为465nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。以下请参考图1，其为本发明一实施例的用于LED芯片的衬底制备方法的流程。

如图1所示，进行步骤S11，提供无图形衬底，所述无图形衬底上具有若干分区。衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。在本实施例中，衬底的材料为蓝宝石，蓝宝石的稳定性很好且机械强度高，易于处理和清洗。但其它材料，如碳化硅或硅亦在本发明的思想范围之内。

进行步骤S12，以所述分区为单位，设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构。根据光波衍射理论通过光束整形算法设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构。光波衍射理论较佳的为标量衍射理论或矢量衍射理论，其中，标量衍射理论较佳的为基尔霍夫标量衍射理论、菲涅耳衍射理论或夫琅和费衍射理论等，矢量衍射理论较佳的为瑞利-索末菲衍射理论或平面波角谱衍射理论等。光束整形算法较佳的为基于傅立叶变换迭代的算法、基于搜索极值的优化搜索的算法中的一种或两种的结合，如爬山算法、模拟退火算法、基因遗传算法、杨-顾算法等。

在本实施例中，采用的光波衍射理论为基尔霍夫标量衍射理论，如图2所示，其为经过光束整形器件后光在自由空间的传播示意图。在图2中，输入面坐标为(x_I，y_I)，输出面坐标为(x_O，y_O)。根据基尔霍夫标量衍射理论，输出面上的光场分布U_O(x_O，y_O)与输入面上仿真微结构的结构函数及入射光场分布U_I(x_I，y_I)之间的关系可以表示如下：

通过各种近似后，上述公式可变形为： 其中FFT代表傅立叶变换。

从上面的分析可以看出，无论输入面上的仿真微结构如何，都能通过上述公式计算出输出面上的光场分布如何。同理，可以利用计算机超快的计算速度把几乎所有可能的结构都通过上述公式计算出输出面上的光场分布是什么样的，然后和需要的输出面上的相位分布做比较，和需要的输出面上的光场分布最接近的光场分布所对应的仿真微结构就是模拟设计出的仿真微结构。这就是本实施例要引入的可以控制反射光相位分布的仿真微结构的基本原理。

图3为基于傅立叶变换迭代算法的基本流程图，其中，FFT代表傅里叶变换，IFFT代表逆傅里叶变换。如图3所示，首先赋予仿真微结构一个合理的初始结构，让合理的初始结构和入射光场的振幅分布的乘积作为空间域入射波函数，对其做傅立叶变换得到输出面上的光场复振幅分布，从中分离出相位Ф_O ^(k)(x_O，y_O)，让分离出的相位Ф_O ^(k)(x_O，y_O)和输出面上希望得到的光场振幅分布(预定义的光场振幅分布)的乘积作为频域波函数，对其做逆傅立叶变换得到入射面上的空间复振幅分布，从中分离出相位Ф_I ^(k+1)(x_I，y_I)，让分离出的相位Ф_I ^(k+1)(x_I，y_I)和入射光场的振幅分布的乘积作为下一次迭代的空间域入射波函数，完成一次循环迭代。如此循环往复直到得出满意的结果。

图4为搜索极值优化算法基本流程图，如图4所示，随机选定一个初始结构作为第一次循环的原始结构，原始结构按照预先制定的某种扰动策略对其中的每个单元结构做一微小改动产生第一个新结构，对两种结构分别做评估选出评估结过较好的结构做为下一次循环的原始结构，重复上述操作直到评价结果满意为止，所述的评估就是把各结构代入公式 把得到的输出面上的光场分布和输出面上的目标光场分布做比较，差别小的对应的结构就是比较好的结构，直到得到满意的结构结束循环。

在本实施例中，由于LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓，氮化镓的全反射角为23°左右，所以，根据基尔霍夫标量衍射理论，用如图3或图4所示的算法(或基于如图3或图4改进后的算法)在计算机中设计出能够将反射光转变成具有23°以内发散角的仿真微结构，以保证反射光能全部从LED芯片的外延层中逃逸出来，增加LED芯片的出光率。同时，改变了反射光的发散角度，使反射光有更加集中的方向，提高LED轴向发光亮度。但控制反射光相位分布的仿真微结构并不限于将反射光转变成具有23°以内发散角，根据外延发光层的材料的不同，全反射角不同，只要将反射光转变成具有全反射角以内的发散角，亦在本发明的思想范围之内。在步骤S12中设计出的仿真微结构只是在计算机中模拟出的仿真结构，并没有制备到具体的物体上。

进行步骤S13，将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构。较佳的，采用归一化的方法将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构，将仿真三维纳米阶梯结构进行N阶近似，但量化的方法亦在本发明的思想范围之内。所述仿真三维纳米阶梯结构具有N级阶梯，较佳的，N＝2^M，正整数，如当M为1、2、3、4时，N为2、4、8、16等。所述仿真三维纳米阶梯结构中的第Z级阶梯的深度d_Z为λ为波长，在本实施例中，λ为465nm。所述仿真三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形，但三角形、长方形、正六边形或平行四边形亦可。较佳的，正方形的边长为10nm～500nm，如20nm、50nm、100nm、200nm、300nm或400nm。在步骤S13中设计出的仿真三维纳米阶梯结构只是在计算机中模拟出的仿真结构，并没有制备到具体的物体上。

在本实施例中，由于是提供一种基于激发蓝光(波长为465nm)LED芯片的衬底，所以将仿真微结构归一化为坐标为x和y的仿真三维纳米阶梯结构，其中x和y的单元为正方形，所以仿真三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形，边长为100nm，如图5所示。在本实施例中，三维纳米阶梯结构为4阶近似，即具有4级阶梯，其中M为2，N为4。第1级阶梯的深度为 $d_1=1\×\frac{465\mathrm{nm}}{4}=116\mathrm{nm};$ 第2级阶梯的深度为： $d_2=2\×\frac{465\mathrm{nm}}{4}=232\mathrm{nm};$ 第3级阶梯的深度为：第4级阶梯的深度为： $d_4=4\×\frac{465\mathrm{nm}}{4}=465\mathrm{nm}.$

进行步骤S14，将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上，形成用于LED芯片的衬底，用于LED芯片的衬底包括主体，所述主体上设置有若干分区，每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。将设计好的三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底上的制备方法较佳的为直写技术，曝光及刻蚀转移技术、模压法、电铸及注塑法(Lithographie Galanoformung和Abformung，简称LIGA法)、溶胶-凝胶法、热溶法、离子扩散技术。其中，直写技术包括电子束直写技术、离子束直写技术或激光直写技术中的一种，所述直写技术通过停留时间或强度控制所述三维纳米阶梯结构的阶梯深度；曝光及刻蚀转移技术包括多次曝光单次刻蚀技术、多次曝光多次刻蚀技术或单次曝光单次刻蚀技术中的一种；经过步骤S14，三维纳米阶梯结构以分区为单位设置于用于LED芯片的衬底上，不同分区的三维纳米阶梯结构相同，较佳的，相邻分区之间具有走道，如图6所示，该走道在生长外延层之前形成，能够很好地降低外延层与衬底之间的各种应力。其中，分区的形状较佳的为正方形、三角形、长方形、六边形或平行四边形，在生长外延层之后，以分区为单位形成LED管芯。

在本实施例中，步骤S14的制备方法为激光直写技术。将上述如图5所示的三维纳米阶梯结构输入计算机，通过计算机控制紫外激光器在归一化后的各坐标处的停留时间，将如图5所示的三维纳米阶梯结构以分离分区的形式逐点写到无图形衬底上，形成如图6所示的用于LED芯片的衬底。其中，由于三维纳米阶梯结构中阶梯台面的最小单元为正方形，所以入射到无图形衬底上的紫外激光束的束斑是100nmx100nm的正方形束斑，通过控制紫外激光束的频率或时间等参数，在各坐标处制备出不同的阶梯深度，其中，在第4级阶梯深度处对应的激光器的停留时间最长，在第3级阶梯深度、第2级阶梯深度和第1级阶梯深度处对应的激光器的停留时间依次缩短。

【第二实施例】

本发明第二实施例提供一种应用于基于激发绿光(波长为525nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。

第二实施例在第一实施例的基础上，区别在于，在步骤S13中，λ为525nm，三维纳米阶梯结构为4阶近似，即具有4级阶梯，其中M为2，N为4。第1级阶梯深度为第2级阶梯的深度为： $d_2=2\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=263\mathrm{nm};$ 第3级阶梯的深度为： $d_3=3\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=394\mathrm{nm};$ 第4级阶梯的深度分别： $d_4=4\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=525\mathrm{nm}.$

在本实施例中，步骤S14中，由于激光写入的深度与第一实施例的激光写入的深度不同，所以紫外激光器在每个阶梯处的停留时间相应发生变化。

【第三实施例】

本实施例提供一种应用于基于激发蓝光(波长为465nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第三实施例在第一实施例的基础上，区别在于，步骤S14的制备方法为多次曝光单次刻蚀技术，其中，光刻胶的厚度大于按比例变化后的三维纳米阶梯结构的阶梯深度，所述比例为所述光刻胶和所述衬底的材料的刻蚀选择比。

首先，在无图形衬底上均匀地涂覆一层1um厚的正性光刻胶。

然后，对光刻胶进行曝光。由于本实施例中，光刻胶和蓝宝石衬底材料的刻蚀选择比为2∶1，所以在步骤S13归一化的仿真三维纳米阶梯结构的阶梯深度放大2倍后，通过四次曝光的形式转移到光刻胶上。其中，第一次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为465nm的地方透光，其余地方不透光；第二次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为465nm和阶梯深度为349nm的地方透光，其余地方不透光；第三次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为116nm和0nm(阶梯的基准面)的地方不透光，其余地方均透光；第四次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为0nm的地方不透光，其余地方均透光。四次曝光的时间相同。

最后，对曝光后的无图形衬底进行一步刻蚀，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底。

【第四实施例】

本发明第四实施例提供一种应用于基于激发绿光(波长为525nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第四实施例在第三实施例的基础上，由于绿光与蓝光的波长不同，区别在于，在步骤S13中，λ为525nm，仿真三维纳米阶梯结构为4阶近似，即具有4级阶梯，其中M为2，N为4。第1级阶梯的深度为第2级阶梯的深度为： $d_2=2\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=263\mathrm{nm};$ 第3级阶梯的深度为： $d_3=3\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=394\mathrm{nm};$ 第4级阶梯的深度为： $d_4=4\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=525\mathrm{nm}.$

在步骤S14中，在无图形衬底上均匀地涂覆一层1.1um厚的正性光刻胶。第一次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为525nm的地方透光，其余地方不透光；第二次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为525nm和阶梯深度为394nm的地方透光，其余地方不透光；第三次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为131nm和0nm的地方不透光，其余地方均透光；第四次曝光所用的光刻版只有阶梯深度为0nm的地方不透光，其余地方均透光。

最后，对曝光后的无图形衬底进行一步刻蚀，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底。

【第五实施例】

本实施例提供一种应用于基于激发蓝光(波长为465nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第五实施例在第一实施例的基础上，区别在于，步骤S14的制备方法为多次曝光多次刻蚀技术。

步骤a，在无图形衬底上均匀地涂覆一层0.4um厚的正性光刻胶；

步骤b，采用光刻版对阶梯深度为465nm的地方曝光，其余地方不曝光；

步骤c，对曝光后的无图形衬底进行一步刻蚀；

步骤d，重复步骤a、步骤b、步骤c三次，分别用不同的光刻板对阶梯深度为465nm和349nm的地方曝光、对阶梯深度为116nm和0nm的地方不曝光、对阶梯深度为0nm的地方不曝光并刻蚀，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底，。

【第六实施例】

本发明第六实施例提供一种应用于基于激发绿光(波长为525nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第六实施例在第五实施例的基础上，由于绿光与蓝光的波长不同，区别在于，在步骤S13中，λ为525nm，仿真三维纳米阶梯结构为4阶近似，即具有4级阶梯，其中M为2，N为4。第1级阶梯的深度为第2级阶梯的深度为： $d_2=2\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=263\mathrm{nm};$ 第3级阶梯的深度为： $d_3=3\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=394\mathrm{nm};$ 第4级阶梯b的深度为： $d_4=4\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=525\mathrm{nm}.$

在步骤S14中，步骤a，在无图形衬底上均匀地涂覆一层0.4um厚的正性光刻胶；

步骤b，采用光刻版对阶梯深度为525nm的地方曝光，其余地方不曝光；

步骤c，对曝光后的无图形衬底进行一步刻蚀；

步骤d，重复步骤a、步骤b、步骤c三次，分别用不同的光刻板对阶梯深度为525nm和394nm的地方曝光、对阶梯深度为131nm和0nm的地方不曝光、对阶梯深度为0nm的地方不曝光并刻蚀，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底。

【第七实施例】

本实施例提供一种应用于基于激发蓝光(波长为465nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第七实施例在第一实施例的基础上，区别在于，步骤S14的制备方法为单次曝光单次刻蚀技术。

步骤1)，在无图形衬底上均匀涂敷一层1um厚的正性光刻胶。

步骤2)，制作一块具有灰度特性的光刻版，该光刻版在不同位置处透光性不同。其中，在阶梯深度为465nm对应的地方100％透光，在阶梯深度为349nm对应的地方75％透光，在阶梯深度为232nm对应的地方50％透光，在阶梯深度为116nm对应的地方25％透光，其余地方不透光。

步骤3)，用步骤2)中的光刻版对步骤1)中均匀涂敷的正性光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成三维纳米阶梯结构。

步骤4)，对步骤3)中形成的涂覆光刻胶的无图形衬底进行刻蚀，将光刻胶上的三维纳米阶梯结构复制到无图形衬底上，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底。

【第八实施例】

本发明第八年实施例提供一种应用于基于激发绿光(波长为525nm)LED芯片的衬底，该LED芯片的外延发光层的材料为氮化镓。第八实施例在第七实施例的基础上，由于绿光与蓝光的波长不同，区别在于，在步骤S 13中，λ为525nm，三维纳米阶梯结构为4阶近似，即具有4级阶梯，其中M为2，N为4。第1级阶梯的深度为第2级阶梯的深度为： $d_2=2\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=263\mathrm{nm};$ 第3级阶梯的深度为： $d_3=3\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=394\mathrm{nm};$ 第4级阶梯的深度为： $d_4=4\×\frac{525\mathrm{nm}}{4}=525\mathrm{nm}.$

在步骤S14中，步骤1)，在无图形衬底上均匀涂敷一层1um厚的正性光刻胶；

步骤2)，制作一块具有灰度特性的光刻版，该光刻版在不同位置处透光性不同。其中，在阶梯深度为525nm对应的地方100％透光，在阶梯深度为394nm对应的地方75％透光，在阶梯深度为263nm对应的地方50％透光，在阶梯深度为131nm对应的地方25％透光，其余地方不透光。

步骤3)，用步骤2)中的光刻版对步骤1)中均匀涂敷的正性光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成三维纳米阶梯结构。

步骤4)，对步骤3)中形成的涂覆光刻胶的无图形衬底进行刻蚀，将光刻胶上的三维纳米阶梯结构复制到无图形衬底上，制作出如图6所示的用于LED芯片的衬底。

本发明提供一种用于LED芯片的衬底并不限于上述实施例，如具有控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构并不限于上述制备方法，只要是具有三维纳米阶梯结构的衬底，并且该衬底可以利用光的衍射理论控制反射光相位分布，如三维纳米阶梯结构不是用计算机计算得到的，亦在本发明的思想范围之内；用于LED芯片的衬底的制备方法并不限于上述实施例，如在采用曝光及刻蚀技术将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上时，还可以使用副光刻胶，只是所制备的阶梯深度相反。

综上所述，本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底包括主体，用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构设置于所述主体上，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯。该三维纳米阶梯结构根据光波衍射理论通过光束整形算法设计，并通过归一化的方法得到，该用于LED芯片的衬底能够通过衍射作用有目的地改变反射光的相位分布。与现有技术相比，本发明提供的用于LED芯片的衬底及其制备方法具有以下优点：

1、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底的每一分区上均具有控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，与现有的图形化衬底相比，本发明所提供的分区上的图案不是简单重复排列的图案结构，而是在各位置处具有不同深度的阶梯的三维纳米阶梯结构，该三维纳米阶梯结构对量子阱发光层发出的发射光的光波不止具有单纯的散射和漫反射作用，还具有衍射作用。当光传播到三维纳米阶梯结构时，该三维纳米阶梯结构能够通过衍射作用有目的地改变反射光的相位分布，使经该三维纳米阶梯结构反射光的发射角小于LED芯片的全反射角，使反射光能全部从LED芯片的出光面上逃逸出来，增加LED芯片的出光率；同时该三维纳米阶梯结构可以控制LED芯片出光的发散角度，提高其轴向发光亮度。

2、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底的每一分区上均具有控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，不同分区的三维纳米阶梯结构相同，相邻分区之间具有走道，该走道在生长外延层之前形成，能够很好地降低外延层与衬底之间的各种应力。

3、本发明提供一种用于LED芯片的衬底及其制备方法，该用于LED芯片的衬底可适用于任何尺寸的LED芯片制造，并且制备技术方法多，可根据具体需要灵活选择。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种用于LED芯片的衬底，其特征在于，包括：

主体，所述主体上设置有若干分区；

每一所述分区上均具有用于控制反射光相位分布的三维纳米阶梯结构，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯，当所述LED芯片中量子阱发出的光传播到所述三维纳米阶梯结构时，所述三维纳米阶梯结构对所述量子阱发出的光进行反射形成所述反射光，所述反射光的发射角小于所述LED芯片的全反射角；

相邻所述分区之间具有走道。

2.如权利要求1用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构具有N级阶梯，其中N＝2^M，M为正整数。

3.如权利要求2用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构中的第Z级阶梯的深度d_Z为1≤Z≤N，Z为正整数，λ为波长。

4.如权利要求1用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形、三角形、长方形、正六边形或平行四边形，所述最小单元的边长为10nm～500nm。

5.如权利要求1-4中任意一项用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述分区的形状为正方形、三角形、长方形、六边形或平行四边形。

6.如权利要求1-4中任意一项用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。

7.一种用于LED芯片的衬底的制备方法，包括：

提供无图形衬底，所述无图形衬底上具有若干分区，相邻所述分区之间具有走道；

以所述分区为单位，设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构；

将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构；

将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上，形成用于LED芯片的衬底，所述三维纳米阶梯结构具有若干不同深度的阶梯，当所述LED芯片中量子阱发出的光传播到所述三维纳米阶梯结构时，所述三维纳米阶梯结构对所述量子阱发出的光进行反射形成所述反射光，所述反射光的发射角小于所述LED芯片的全反射角。

8.如权利要求7用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，根据光波衍射理论通过光束整形算法设计具有控制反射光相位分布的仿真微结构。

9.如权利要求8用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述光波衍射理论为标量衍射理论或矢量衍射理论，所述标量衍射理论为基尔霍夫标量衍射理论、菲涅耳衍射理论或夫琅和费衍射理论，所述矢量衍射理论为瑞利-索末菲衍射理论或平面波角谱衍射理论。

10.如权利要求8用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述光束整形算法为基于傅立叶变换迭代的算法、基于搜索极值的优化搜索的算法中的一种或两种的结合。

11.如权利要求7用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，采用归一化的方法将所述仿真微结构转化为仿真三维纳米阶梯结构。

12.如权利要求7用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，将设计好的仿真三维纳米阶梯结构制备到所述无图形衬底的各分区上的制备方法为：直写技术，曝光及刻蚀转移技术、模压法、电铸及注塑法、溶胶-凝胶法、热溶法、离子扩散技术。

13.如权利要求12用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述直写技术包括电子束直写技术、离子束直写技术或激光直写技术中的一种。

14.如权利要求13用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述直写技术通过停留时间或强度控制所述三维纳米阶梯结构的阶梯深度。

15.如权利要求12用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述曝光及刻蚀转移技术包括多次曝光单次刻蚀技术、多次曝光多次刻蚀技术或单次曝光单次刻蚀技术中的一种。

16.如权利要求15用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述多次曝光单次刻蚀技术中，光刻胶的厚度大于按比例变化后的三维纳米阶梯结构的阶梯深度，所述比例为所述光刻胶和所述衬底的材料的刻蚀选择比。

17.如权利要求7-16中任意一项用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构具有N级阶梯，其中N＝2^M，M为正整数。

18.如权利要求7-16中任意一项用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构中的第Z级阶梯的深度d_Z为1≤Z≤N，Z为正整数，λ为波长。

19.如权利要求7-16中任意一项用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述三维纳米阶梯结构阶梯的阶梯台面的最小单元形状为正方形、三角形、长方形、正六边形或平行四边形，所述最小单元的边长为10nm～500nm。

20.如权利要求7-16中任意一项用于LED芯片的衬底，其特征在于，所述分区的形状为为正方形、三角形、长方形、六边形或平行四边形。

21.如权利要求7-16中任意一项用于LED芯片的衬底的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。