[发明专利]用于改善外部量子效率的LED纳米技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种在发光元件表面形成二维图案的方法，特别涉及一种应用金属阳极氧化处理以在发光元件表面形成二维图案的方法。

背景技术

发光二极管是一种相当常见的光电元件，一般而言，具有粗化表面的发光二极管或具有二维光子晶体佃(Photonic crystal)的发光二极管比具有平滑表面的发光二极管拥有更高的光取出效率。通常，在发光二极管表面形成二维光子晶体的技术有以下三种：电子束光刻技术(Electron BeamLithography，EBL)、纳米压印光刻技术(Nanoimprint Lithography，NIL)以及聚合物光刻技术(Copolymer Lithography，CPL)。

目前已有多篇专利披露了利用电子束光刻技术在发光二极管基板表面形成二维光子晶体的方法，例如：美国专利公开号第2006/0027815号和第2005/0285132号。一般而言，现有技术是在一个发光二极管基板上涂敷一层光刻胶，然后利用电子束照射部分区域的光刻胶。在移除被照射的光刻胶部分之后剩下的光刻胶部分可以被当作一个刻蚀掩膜，在进行反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)和移除掩膜之后，在发光二极管的基板上形成一个二维图案。利用电子束光刻技术在发光二极管基板表面形成二维图案的方法具有高精确度的优点，其精确度可以达到1-2纳米，但是，缺点是电子束光刻设备太过昂贵、以及制作过程耗时，使得生产效率极低。

利用纳米压印光刻技术在发光二极管的基板表面形成二维光子晶体的方法可以参照美国专利公开号第2005/0173717号和美国专利号第7074631号的有关描述。其主要步骤是：首先利用电子束光刻技术制作一个压印的模具，然后将模具压在涂敷紫外线抗蚀剂(UV curable resist)的基板上并照射紫外线。在将基板脱离模具之后，可以得到具有压印图案的基板。利用纳米压印光刻技术形成二维光子晶体的方法可以获得纳米级的精确度，但是，缺点是模具成本十分昂贵，并且模具在经过多次使用之后，因为压力将导致模具发生变形，从而使得图案尺寸变形，因此模具的生命周期很短。此外，在实际操作过程中，模具与聚合物的界面特性是一个长期难解的问题，聚合物在模具的沟槽中难以流动，因此不易形成精细的图案，而且聚合物在受压成形之后，不容易完全脱膜而不发生变形。

美国专利号第6,468,823号披露了利用电子束光刻刻蚀，并利用化学辅助离子束刻蚀或湿法刻蚀或其它刻蚀方式，图形化半导体层以形成二维光子晶体。此专利披露了利用对电子束敏感的光致抗蚀剂，例如PMMA，以电子束光刻定义二维光子晶体结构，或藉由其它高分辨率光刻技术，如X射线、深紫外光极短的紫外光光刻，或纳米压印、纳米模印也可以满足。PMMA图形化之后，再藉由化学辅助离子刻蚀半导体层，再以丙酮或氧电浆刻蚀移除PMMA。但此方法仍然需要设备昂贵的电子束、X射线、深紫外光极短的紫外光光刻等设备，此制作过程颇为耗时，即便是以纳米压印、纳米模印制作二维图形，仍然需要面临模具成本高，且容易变形等问题。

在已图案化蓝宝石基板(Patterned sapphire substrate)成长优质GaN磊晶层的技术可以参阅期刊论文Material Science and Engineering：B，V122，No.3，pp184-187(2005)及IEEE Photonic Technology Letter：Vol.17，No.2，pp：288-290(2005)。通常制作这种具有刻蚀图形的蓝宝石基板的方法是用普通的曝光显影技术，继而以湿法刻蚀(330℃磷酸)或氯基气体环境的感应耦合离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)来形成。因为采用的是普通的曝光显影技术，其图形尺寸在微米级(micron-scale)以上，容易在磊晶成长之后，由于PN界面的不平整而使元件造成闸流效应(thyristor effect)。

综上所述，上述技术的制作过程复杂、耗时且成本高昂。因此，极需要一种简易、快速且节省成本的方法在发光元件上形成二维图案。

发明内容

为了有效地提高光子晶体量子效率，本发明提供一种在发光元件上形成一个二维图案的方法，其可以改善光源取出效率，改善光源准直性，并且降低制作成本及提升产能。