CN109599469A - 蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，所述蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；所述第一表面上设置有外延层，所述第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。所述蛾眼结构深紫外发光二极管使光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能，且解决了制备过程中存在损伤的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法。
背景技术
随着第三代半导体迅速发展，AlGaN深紫外发光二极管(DUV-LED)在空气净化、水净化、杀菌消毒、紫外光疗、生化检测、保密通信等领域具有广泛应用前景而受到持续关注，但是由于其低的光提取效率而无法满足市场应用的需求。深紫外发光二极管目前主流是沿着c面外延生长，其主体结构自下而上依次包括：c面蓝宝石衬底，AlN缓冲层，n型高Al组分AlGaN层，量子阱区，电子阻挡层和p型GaN层。从量子阱有源区发出的光会经过蓝宝石表面辐射区、非逃逸区、蓝宝石侧面辐射区、波导区、p-GaN吸收区。在光的传递过程中，有源区发出的50％深紫外光会被p-GaN全部吸收，另外50％的紫外光中，由于多层界面的反射和全反射，被AlN/蓝宝石界面、蓝宝石/空气界面和蓝宝石侧面/空气界面全反射回LED内部的光线几乎全被n型金属电极和p型GaN层吸收，严重限制了DUV-LED光提取效率的提升，导致目前光提取效率小于8％。关于外延生长的材料改进方面，目前使用p型AlGaN来替代p型GaN，能通过改变材料组分一定程度上降低p型GaN材料对深紫外光的吸收。关于外延生长的工艺改进方面，目前通过纳米图形化衬底、侧面隐形切割、光子晶体等能通过改变工艺制备手段一定程度上降低AlN/蓝宝石界面和蓝宝石侧面/空气界面的全反射。而关于DUV-LED在结构设计方面，目前缺少有效的结构设计来减弱蓝宝石/空气界面的全反射以提高其光提取效率，目前报道在蓝宝石背面制备蛾眼结构的设计方案仅将光提取效率增加1.5倍，且工艺制备过程中会对蓝宝石正面芯片结构造成一定程度的损伤，急需提出一个更好的方案来进一步提升光提取效率并解决制备过程中的损伤问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是，提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，来解决现有技术中深紫外发光二极管光提取效率较低且制备过程中存在一定程度损伤的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的第一个技术方案是：提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管，该蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；第一表面上设置有外延层，第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。
为解决上述技术问题，本发明采用的第二个技术方案是：提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法为：采用具有第一表面和第二表面的蓝宝石衬底，于第一表面上设置外延层，并用光刻工艺于第二表面上形成有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。
其中，光刻工艺包括以下步骤：衬底减薄，激光隐形切割，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备，蛾眼结构刻蚀，去除光刻胶。
其中，衬底减薄的步骤包括：将蓝宝石衬底从第二表面快速减薄到200μm～300μm；对第二表面进行抛光并超声清洗，后进行恒温烘干。
其中，激光隐形切割的步骤包括：对经过衬底减薄步骤后的样片，分别在距离第二表面的70μm和140μm处进行切割，并保留包含第一表面的样片。
其中，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备的步骤包括：对经过激光隐形切割步骤后的样片在加热的丙酮中进行超声清洗，冲水甩干后恒温烘烤；在第二表面旋涂得到胶厚为2μm～3μm的光刻胶层后进行恒温烘烤；对光刻胶层表面使用标准步进扫描投影式曝光2s～3s，后进行显影冲洗。
其中，蛾眼结构刻蚀的步骤包括：采用感应耦合等离子体干法刻蚀，对带有光刻胶的蓝宝石衬底表面进行刻蚀，刻蚀气体为BCl3和Cl2的混合氛围，且刻蚀选择比为0.8:1。
其中，去除光刻胶的步骤包括：将经蛾眼结构刻蚀步骤后的样片在光刻胶剥离液中浸泡，溶解残余的光刻胶。
本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明提供了一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，使深紫外发光二极管的光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能，且解决了制备过程中存在损伤的问题。
附图说明
图1是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式中蛾眼结构的垂直截面参数示意图；
图3是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的表面SEM示意图；
图4是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式与现有技术深紫外发光二极管的效果参数对比示意图：a为归一化输出功率对比示意图，b为光提取效率影响因子示意图；
图5是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法一实施方式的光刻工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明提供的第一个解决方案，请参阅图1～图3，图1是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的结构示意图，图2是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式中蛾眼结构的垂直截面参数示意图，图3是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的表面SEM示意图，其中图1中101为外延层，102为蓝宝石衬底，103为第一表面，104为第二表面。图1中蓝宝石衬底102具有第一表面103和第二表面104，在蓝宝石衬底102的第一表面103上设置外延层101，而蓝宝石衬底102的第二表面104上设置有蓝宝石蛾眼结构，且外延层101中包含有芯片结构。图2表征了蓝宝石蛾眼结构的垂直截面二维参数，列出了蛾眼结构在垂直截面上的多个周期，其中T为周期，h为高度，d为鼓包底宽，具体地，蓝宝石蛾眼结构的周期T为3～5μm，高度h为1～3μm，鼓包底宽d为2～3μm；优选周期T为3μm，高度h为1.75μm，鼓包底宽d为2.5μm的蓝宝石蛾眼结构样片作为效果测试样品。在具有上述图2中蓝宝石蛾眼结构的垂直截面参数的基础上，图3表征了蓝宝石蛾眼结构在第二表面104上的阵列排布方式，在其他实施例中，还可以根据实际情况选用其他的阵列排布方式，在此不作限定。由于该蓝宝石蛾眼结构的特征尺寸小于作用波长，使作用光波难以识别该微结构，蓝宝石蛾眼结构表面的折射率沿鼓包形状呈连续变化，进而可以通过折射率的急剧变化来减少材料表面不必要的反射，已达到增透减反的作用。
请参阅图4，图4是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式与现有技术深紫外发光二极管的效果参数对比示意图，其中，a为归一化输出功率对比示意图，b为光提取效率影响因子示意图。a中曲线1为现有技术深紫外发光二极管的归一化光输出功率，曲线2为本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化光输出功率，在所有电流时刻，曲线2归一化光输出功率均高于曲线1，即本实施方式中的蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化输出功率均高于现有技术深紫外发光二极管的归一化输出功率，特别是在达到饱和正向驱动电流为90mA时本实施方式的蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化输出功率较现有技术提高了约一倍。b中光提取效率影响因子为本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管的输出功率与现有技术深紫外发光二极管的输出功率的比值，本实施方式中的蛾眼结构深紫外发光二极管的光提取效率较现有技术都有约一倍的增强效果。
区别于现有技术，本发明提供了一种蛾眼结构深紫外发光二极管，使深紫外发光二极管的光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能。
对于本发明提供的第二个解决方案，请参阅图5，图5是本发明中蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法一实施方式的光刻工艺流程示意图。该蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法为：采用具有第一表面和第二表面的蓝宝石衬底，于第一表面上设置外延层，并用光刻工艺于第二表面上形成有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm，并优选蓝宝石蛾眼结构的周期为3μm，高度为1.75μm，鼓包底宽为2.5μm的样片。所制得的蛾眼结构深紫外发光二极管的所有特征与前述蛾眼结构深紫外发光二极管保持一致。
在执行上述光刻工艺之前进行芯片制备，具体地，在2英寸蓝宝石衬底外延片上制备大小为10*21mil的芯片作为样片。
本实施方式中上述光刻工艺的具体制备流程如下：
S101:衬底减薄。本步骤中，首先用上蜡机对陶瓷盘均匀涂蜡，将样片通过蜡固定于陶瓷盘；其次采用6μm粒径的金刚石液通过研磨机将蓝宝石衬底102从第二表面104快速减薄到200μm～300μm，优选200μm；对第二表面104进行抛光，消除研磨后的划痕，去除表面的残余应力；在80℃～90℃的去蜡液中恒温浸泡超声10～20min；依次采用丙酮、异丙醇、去离子水进行超声清洗,且每次超声清洗的时间为5～10min；最后在120℃～150℃的烘箱中恒温烘干。
S102:激光隐形切割。本步骤中，对经过衬底减薄步骤S101后的样片，分别在距离蓝宝石衬底102的第二表面104的70μm和140μm处进行切割两次，保留包含第一表面103的样片，其目的在于，避免切割完成后蓝宝石表面出现开裂痕迹，影响后续蛾眼微结构的光刻工艺，且本实施方式在切割后优选保留60μm的蓝宝石衬底102。
S103:蓝宝石蛾眼结构掩膜制备。本步骤具体包括：
清洗样片。本步骤中，将经过激光隐形切割步骤S102后的样片浸泡在加热超声的丙酮中5min～10min，去除表面有机污染物；然后放置在加热超声的异丙醇中，去除表面残留的有机物和丙酮；最后冲水甩干。
烘烤。本步骤中，将经过清洗样片步骤后的样片置于105℃～120℃的烤箱中恒温烘烤10min～15min，目的在于去除蓝宝石衬底102上残留的水气，使样片的蓝宝石衬底102的第二表面104与光刻胶的粘性更好。
旋涂光刻胶并烘烤。本步骤中，将旋涂光刻胶时的转速控制在4000转每分钟～4500转每分钟，于第二表面104上旋涂得到胶厚为2μm～3μm的光刻胶层；然后将经过涂胶后的样片置于120℃～130℃的热板上恒温烘烤90s～120s，使光刻胶中的溶剂蒸发，且上述光刻胶均为负性光刻胶。
曝光。本步骤中，对经旋涂光刻胶并烘烤步骤后的样片使用标准步进扫描投影式曝光2s～3s，然后将样片置于100℃～120℃的热板上恒温烘烤90s～100s，其目的在于消除驻波，使光刻胶侧墙光滑，以提高光刻分辨率。
显影。本步骤中，将经曝光步骤后的样片置于显影液浸泡50s～60s后冲水甩干。
S104:蛾眼结构刻蚀。本步骤中，采用感应耦合等离子体干法刻蚀，对带有光刻胶的蓝宝石衬底表面进行刻蚀，刻蚀气体是BCl3和Cl2的混合氛围，通过调节上电极功率、下电极功率、气体压力、气体比例以及强压等参数使刻蚀选择比为0.8:1。
S105:去除光刻胶。本步骤中，将经蛾眼结构刻蚀步骤S104后的样片浸泡在80℃～90℃的光刻胶剥离液15～20min，溶解残余的光刻胶。
在执行上述光刻工艺之后还需要进行样片的裂片和封装，通过调节劈机下刀深度、受台宽击锤力等参数，将蓝宝石衬底带有蛾眼结构的芯片进行裂片；使用锡膏将样片封装到氧化铝陶瓷基板上。
本实施方式制备的蛾眼结构深紫外发光二极管与前述蛾眼结构深紫外发光二极管的光电学性质保持一致，即所制备的蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化输出功率均高于现有技术深紫外发光二极管的归一化输出功率，且光提取效率均增加了约一倍。
区别于现有技术，本发明提供了一种蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，使深紫外发光二极管的光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能，且解决了制备过程中存在损伤的问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种蛾眼结构深紫外发光二极管，其特征在于，所述蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；所述第一表面上设置有外延层，所述第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。
2.一种蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，采用具有第一表面和第二表面的蓝宝石衬底，于所述第一表面上设置外延层，并用光刻工艺于所述第二表面上形成有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。
3.根据权利要求2所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述光刻工艺包括以下步骤：衬底减薄，激光隐形切割，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备，蛾眼结构刻蚀，去除光刻胶。
4.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述衬底减薄的步骤包括：将所述蓝宝石衬底从所述第二表面快速减薄到200μm～300μm；对所述第二表面进行抛光并超声清洗，后进行恒温烘干。
5.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述激光隐形切割的步骤包括：对经过所述衬底减薄步骤后的样片，分别在距离所述第二表面的70μm和140μm处进行切割，并保留包含所述第一表面的样片。
6.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述蓝宝石蛾眼结构掩膜制备的步骤包括：
对经过所述激光隐形切割步骤后的样片在加热的丙酮中进行超声清洗，冲水甩干后恒温烘烤；
在所述第二表面旋涂得到胶厚为2μm～3μm的光刻胶层后进行恒温烘烤；
对所述光刻胶层表面使用标准步进扫描投影式曝光2s～3s，后进行显影冲洗。
7.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述蛾眼结构刻蚀的步骤包括：采用感应耦合等离子体干法刻蚀，对带有光刻胶的所述蓝宝石衬底表面进行刻蚀，刻蚀气体为BCl3和Cl2的混合氛围，且刻蚀选择比为0.8:1。
8.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述去除光刻胶的步骤包括：将经所述蛾眼结构刻蚀步骤后的样片在光刻胶剥离液中浸泡，溶解残余的光刻胶。
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| CN201811549557.5A Pending CN109599469A (zh) | 2018-12-18 | 2018-12-18 | 蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102130252A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-07-20 | 映瑞光电科技(上海)有限公司 | 发光二极管及其制造方法 |
| CN102856442A (zh) * | 2011-06-27 | 2013-01-02 | 山东华光光电子有限公司 | 一种提高蓝宝石衬底氮化镓外延层均匀性的方法 |
| CN105264676A (zh) * | 2013-04-16 | 2016-01-20 | 崇高种子公司 | Led元件及其制造方法 |
| CN107086260A (zh) * | 2016-08-17 | 2017-08-22 | 中山大学 | 一种倒装led芯片结构及其制作方法 |
-
2018
- 2018-12-18 CN CN201811549557.5A patent/CN109599469A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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|---|
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| WANG SHUAI, ETC.: "Ultrahigh Degree of Optical Polarization above 80% in AlGaN-Based Deep-Ultraviolet LED with Moth-Eye Microstructure", 《ACS PHOTONICS》 * |
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