納米結(jié)構(gòu)減反射層及其在led的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】提供了一種表面為碳化硅或氮化鎵材料的光學(xué)設(shè)備，該光學(xué)設(shè)備具有表面中形成的非周期性納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，其非周期性地分布在表面上。多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且該錐形結(jié)構(gòu)的至少一部分的高度至少為100納米。非周期性確保光從芯片出射以后的均勻空間光分布。還提供了一種在光學(xué)設(shè)備上制造非周期性納米結(jié)構(gòu)表面的方法，該方法包括步驟：提供碳化硅或氮化鎵設(shè)備，在基底的至少一部分上形成掩模材料的薄膜，處理薄膜以形成薄膜材料的納米島，主要以各向異性刻蝕基底，并同時(shí)至少刻蝕薄膜掩模材料的至少一部分，以形成非周期性納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形表面結(jié)構(gòu)。光學(xué)設(shè)備可包括白光LED、或用于白光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
【專利說(shuō)明】納米結(jié)構(gòu)減反射層及其在LED的應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米結(jié)構(gòu)表面，具體地說(shuō)，涉及具有形成于其中的非周期性納米結(jié)構(gòu) 的碳化硅或氮化鎵表面中的納米結(jié)構(gòu)表面、以及制備該結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明還涉及輸出表 面中具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界上第一支在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)提供全固態(tài)白光照明用于大規(guī)模節(jié)約能耗 的高效GaN或InGaN藍(lán)光二極管的出現(xiàn)，發(fā)光二極管在過(guò)去的二十年里又重新引起了大家 的興趣。在將發(fā)光二極管與傳統(tǒng)的白熾及熒光光源比較時(shí)，發(fā)光二極管有很多優(yōu)點(diǎn)，包括能 耗低、工作壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高、尺寸小、開(kāi)關(guān)快速、以及更好的、用于許多新的照明應(yīng)用的技術(shù) 功能。在節(jié)能和減少二氧化碳排放的要求的驅(qū)動(dòng)下，高亮度發(fā)光二極管被看作環(huán)保光源，并 可提供幾十億的市場(chǎng)。
[0003] 然而，要充分利用發(fā)光二極管的潛能，還存在一些挑戰(zhàn)。由于半導(dǎo)體發(fā)光二極管的 抽取效率低，用于室內(nèi)照明的發(fā)光二極管比輸出功率相當(dāng)?shù)臒晒鉄舻膬r(jià)格高，還需要更精 準(zhǔn)的電流和熱量管理。
[0004] 典型的諸如GaN發(fā)光二極管的固態(tài)發(fā)光二極管已經(jīng)生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基底或硅基底 上。然而，近來(lái)碳化硅基底也廣泛應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室，這是由于與藍(lán)寶石相比，碳化硅與例如GaN 具有更好的晶格匹配，且比藍(lán)寶石的熱導(dǎo)性好。使用的基底通常是透明基底，諸如藍(lán)寶石和 碳化硅，其使生成的光能夠透射。
[0005] 為了基于藍(lán)光二極管獲得白光源，使用例如YAG熒光粉涂層的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被 使用。熒光粉將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光（向下轉(zhuǎn)換），通過(guò)將黃光與藍(lán)光混合，產(chǎn)生看上去是白色 的光。然而，熒光粉比半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片衰減快得多，因此白光LED會(huì)隨著時(shí)間變藍(lán)。 此外，形成一部分熒光粉的稀土元素（諸如釔）增加了設(shè)備的價(jià)格。
[0006] 由于熒光碳化硅具有更好的顯色能力、更長(zhǎng)的工作壽命，并且不包含稀土元素，因 此最近熒光碳化硅已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是一種可與藍(lán)光或近紫外（UV)半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)合使用 的感興趣的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。然而，制造的發(fā)光二極管依然具有抽取效率低的問(wèn)題。
[0007] 通常單層四分之一波長(zhǎng)薄膜減反射涂層被用于提高特定波長(zhǎng)的照明。提高更寬波 長(zhǎng)譜的抽取效率可通過(guò)使用多層具有適當(dāng)反射率的減反射涂層實(shí)現(xiàn)。然而，該設(shè)計(jì)要求熱 膨脹系數(shù)的嚴(yán)格匹配。
[0008] 同樣，周期性光子晶體已經(jīng)被證明為是一種有效提高光抽取效率的方式，例如見(jiàn) 歐海燕等人在《光學(xué)快訊》雜志第20卷第7冊(cè)7575至7579頁(yè)的"熒光SiC的寬帶和全向 光增強(qiáng)"。然而，這些結(jié)構(gòu)是使用昂貴且耗時(shí)的電子束光刻制造，其帶來(lái)巨大的額外成本，并 限制了大規(guī)模生產(chǎn)。
[0009] Song等人在《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》97, D93110-1-3發(fā)表了"使用銀納米顆粒用于改進(jìn) 光抽取效率的基于GaN的發(fā)光二極管的無(wú)序減反射納米材料"。其中建議在IT0涂層提供 無(wú)序的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。該方法包括作為刻蝕掩模淀積在IT0電極層上的二氧化硅層，以及形 成銀納米結(jié)構(gòu)的緩沖層。一層銀薄膜層淀積在二氧化硅層上，該層經(jīng)退火后通過(guò)自組裝形 成單獨(dú)的納米顆粒。然后，使用銀納米掩?？涛g二氧化硅，并以另一個(gè)刻蝕工藝處理ITO,用 于在ITO中創(chuàng)建亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
[0010] 將納米結(jié)構(gòu)制作在涂層材料的一大不足是在兩種不同材料之間過(guò)渡中總會(huì)有某 些損耗。而且建議的方法非常復(fù)雜，并且需要兩個(gè)掩模步驟和兩個(gè)刻蝕步驟用于在IT0層 中創(chuàng)建亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)。
[0011] 此外，Dylewicz在應(yīng)用物理學(xué)B(2012) 107:393-399的"用于增強(qiáng)來(lái)自發(fā)光二極管 的光抽取的GaN的漸變折射率減反射層形成"中提供了使用小于100納米的亞微米空間結(jié) 構(gòu)的隨機(jī)表面粗糙化。然而，該表面粗糙化的不足是納米結(jié)構(gòu)太小，以致于無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光， 并由于太小而以致于無(wú)法有效增加透射。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有改進(jìn)的表面特性的光學(xué)設(shè)備。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管的集成部分中具有納 米結(jié)構(gòu)。
[0014] 根據(jù)上述和其它目的，提供了一種設(shè)備，其至少一個(gè)表面具有非周期性納米結(jié)構(gòu)。 該設(shè)備可以是光學(xué)設(shè)備，并且至少一個(gè)表面可以是碳化硅材料或氮化鎵材料。至少一個(gè)表 面可具有在光輸出表面（即反射表面）的材料中形成的非周期性納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)可包 括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，其非周期性地分布在表面上。
[0015] 錐形結(jié)構(gòu)（以下稱為圓錐）可以是納米大小的圓錐。材料可以是單晶材料，并且 非周期性納米結(jié)構(gòu)可形成在單晶材料中。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光學(xué)設(shè)備，其具有至少一個(gè)碳化硅或氮化鎵 材料的表面，用于將光輻射從設(shè)備內(nèi)部向周圍傳輸，至少一個(gè)表面具有碳化硅或氮化鎵材 料形成的亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，其特征在于，多個(gè)錐形結(jié)構(gòu) 具有隨機(jī)高度分布，并且非周期性地分布在至少一個(gè)表面上，錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高 度至少為100納米。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于光學(xué)設(shè)備的碳化硅或氮化鎵基底，該 基底具有用于將光福射從該基底內(nèi)部向周圍傳輸?shù)牡谝槐砻?，該碳化娃基底?或該氮化 鎵基底的第一表面中提供了亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，形成于該基底的第一表面中的該亞波長(zhǎng)納米 結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，其特征在于，該多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且非周期性地 分布在該至少一個(gè)表面上，該錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少為100納米。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種在碳化硅基底或氮化鎵基底的表面中制造 至少一種亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的方法，用于在波長(zhǎng)范圍內(nèi)將該碳化硅基底或氮化鎵基底配置用 于低反射率，該波長(zhǎng)范圍具有中心波長(zhǎng)，該方法包括步驟：
[0019] 提供碳化硅或氮化鎵基底；
[0020] 在該基底的至少一部分上提供薄膜材料；
[0021] 處理該薄膜材料，以形成該薄膜材料的自組裝納米島，該納米島用于在刻蝕的至 少一部分期間掩模該基底的至少一部分；
[0022] 在各向異性刻蝕中使用該納米島作為掩模，以第一刻蝕速率刻蝕該基底，同時(shí)以 第二刻蝕速率刻蝕該納米島的至少一部分，該第二刻蝕速率低于該第一刻蝕速率，從而形 成亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)錐形表面結(jié)構(gòu)，該錐形表面結(jié)構(gòu)非周期性地分布在該基底 的表面上，該多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且該錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少 為100納米。最后一步，可去除剩余的薄膜材料。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種制造發(fā)光二極管的方法，該方法包括：提供 單晶碳化硅基底、單晶熒光碳化硅基底、或單晶氮化鎵基底；在單晶基底的第一表面中提供 根據(jù)權(quán)利要求16至22中任意一項(xiàng)該亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，該亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形碳 化硅/熒光碳化硅/氮化鎵結(jié)構(gòu)；以及在該基底的第二表面上單片生長(zhǎng)氮化物基發(fā)光二極 管，其至少包括N型摻雜氮化鎵層和P型摻雜氮化鎵層。
[0024]將多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)非周期性地分布在表面上的優(yōu)點(diǎn)在于顯著降低了表面的反射率。
[0025]本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)可具有隨機(jī)高度分布。隨機(jī)高度分布確保 波長(zhǎng)范圍（諸如在寬波長(zhǎng)范圍，諸如全部或部分可見(jiàn)光中的電磁輻射和/或從諸如近紅外 輻射的紅外輻射，到諸如近紫外輻射的紫外輻射的電磁輻射）上納米結(jié)構(gòu)表面的透射和/ 或反射特性被優(yōu)化或改進(jìn)。
[0026]本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)可具有隨機(jī)高度分布、隨機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、以及 隨機(jī)結(jié)構(gòu)距離。非周期性確保光從芯片出射以后的均勻空間光分布。
[0027]通常在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)在周期性結(jié)構(gòu)中提供了納米結(jié)構(gòu)，其中制造的"圓錐"或 頂部中的每一個(gè)具有基本相同的高度。因此，反射和/或透射主要被改進(jìn)在特定出射角或 狹窄的角度分布。
[0028] 此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從光學(xué)設(shè)備的納米結(jié)構(gòu)表面的內(nèi)表面的反射率也被顯著降低，光 從該方向上經(jīng)歷具有錐形缺口的納米結(jié)構(gòu)表面。因此，納米結(jié)構(gòu)表面的光致發(fā)光被顯著增 強(qiáng)。
[0029]在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，提供了一種增加晶片表面至少一部分的透射率的方 法，該方法包括在碳化硅或氮化鎵基底的表面中制造亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，用于在波長(zhǎng)范圍中 將該基底配置用于增加透射率，該波長(zhǎng)范圍具有中心波長(zhǎng)，該方法包括步驟：
[0030]提供碳化硅或氮化鎵晶片；
[0031]在該基底的至少一部分上提供薄膜材料；
[0032]處理該薄膜，以形成該薄膜材料的自組裝納米島，該納米島用于在刻蝕期間掩模 該基底的至少一部分；
[0033]在基本各向異性刻蝕中使用該納米島作為掩模，以第一刻蝕速率刻蝕該基底，同 時(shí)以第二刻蝕速率刻蝕該納米島的至少一部分，該第二刻蝕速率低于該第一刻蝕速率，從 而形成亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)錐形表面結(jié)構(gòu)，該錐形表面結(jié)構(gòu)非周期性地分布在該 基底的表面上，該多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且非周期性地分布在該至少一個(gè)表 面上，該錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少為100納米，用于使增加的散射光的透射率分 布在晶片上的多個(gè)光學(xué)設(shè)備。在形成納米結(jié)構(gòu)以后，可去除該薄膜材料。
[0034]可在整個(gè)晶片的表面中提供亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)。
[0035]本發(fā)明的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是該方法是可擴(kuò)展的，并可用在晶片規(guī)模，以使包括多 個(gè)光學(xué)設(shè)備的晶片可在一個(gè)工藝中制備。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是晶片的平面可被提供用于 該方法。因此，可在具有公共平面的多個(gè)光學(xué)設(shè)備中同時(shí)提供納米結(jié)構(gòu)。
[0036] 本文使用的光學(xué)設(shè)備可以是任何設(shè)備，包括任何用于接收或者傳輸任意波長(zhǎng)光的 表面。該表面可以是折射面。
[0037] 該光學(xué)設(shè)備可具有至少一個(gè)碳化硅或氮化鎵材料的表面，并且該至少一個(gè)表面可 以是基底的至少一個(gè)表面、和/或碳化硅或者氮化鎵材料中提供的光學(xué)設(shè)備的有源元件的 至少一個(gè)表面。
[0038] 在本發(fā)明的另一方面中，提供了 一種制備具有至少一個(gè)納米結(jié)構(gòu)表面的設(shè)備的方 法。該設(shè)備可以是光學(xué)設(shè)備。該方法包括：提供基底，諸如單晶基底、碳化硅基底或氮化鎵 基底?？稍诨椎闹辽僖徊糠稚闲纬裳谀２牧系谋∧?，并且可處理該薄膜，以形成薄膜材料 的納米島?？稍诨靖飨虍愋钥涛g中刻蝕該單晶基底，同時(shí)刻蝕該薄膜材料的至少一部分， 以形成非周期性納米結(jié)構(gòu)。在該方法的最后一步中，可通過(guò)例如使用濕法刻蝕來(lái)刻蝕薄膜 材料從而移除薄膜。
[0039] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè) 單晶材料（諸如單晶碳化硅或單晶氮化鎵）的表面。至少一個(gè)表面可具有單晶材料形成的 納米結(jié)構(gòu)，并且該納米結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，該錐形結(jié)構(gòu)非周期性地分布在表面上。
[0040] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)還可包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 可具有至少一個(gè)碳化娃或氮化鎵表面，該至少一個(gè)表面具有碳化娃或氮化鎵材料形成的亞 波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)。
[0041] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種包括發(fā)光二極管的光學(xué)設(shè)備。該發(fā)光二極管 可主要出射第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，并且該光學(xué)設(shè)備還可具有至少一個(gè)表面，諸如單晶材料 的表面，其具有本文所述的納米結(jié)構(gòu)。該光學(xué)設(shè)備還可包括本文所述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
[0042] 能夠直接在單晶材料中提供納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于基底材料和錐形納米結(jié)構(gòu)之間 的熱膨脹系數(shù)以及折射率沒(méi)有差別，即基底和錐形納米結(jié)構(gòu)具有相同的折射率。由此，將會(huì) 獲得漸變折射率，且光將不會(huì)或基本不會(huì)經(jīng)歷任何界面。例如，如果納米結(jié)構(gòu)底部的折射率 為基底的折射率，由于納米錐形結(jié)構(gòu)從底部向頂部逐漸變窄，納米結(jié)構(gòu)的有效折射率會(huì)逐 漸地從基底的折射率變?yōu)橹車h(huán)境的折射率。
[0043]另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在制造光學(xué)設(shè)備的工藝中，不需要將除了單晶材料（諸如碳化硅 或氮化鎵）的標(biāo)準(zhǔn)處理以外的材料引入。
[0044] 多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)可具有隨機(jī)高度分布。因此，形成納米結(jié)構(gòu)的單個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的高度 可隨機(jī)改變。例如，如果多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的平均高度為240納米，則多個(gè)錐形高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差 可以是80,如果多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的平均高度為500納米，則其標(biāo)準(zhǔn)偏差可以是300納米。因 此，該標(biāo)準(zhǔn)偏差的范圍可以是平均高度分布的30%到60%之間。
[0045] 在一些實(shí)施方式中，多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的高度可隨機(jī)地在100納米和350納米之間變 化，從而使漫射光可在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射，諸如在450納米和800納米之間、390和700納 米之間。
[0046] 對(duì)于多個(gè)具有隨機(jī)高度變化的錐形結(jié)構(gòu)而言，多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的至少第一部分可具 有第一高度間隔內(nèi)的高度，多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的至少第二部分可具有不同于第一高度間隔的第 二高度間隔內(nèi)的高度。多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)可具有第一、第二、以及其它可能的高度間隔之間的隨 機(jī)分布。
[0047] 隨機(jī)高度分布確保納米結(jié)構(gòu)表面在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有優(yōu)化或改進(jìn)的透射和/ 或反射特性。
[0048]具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的表面可在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有非常低的反射率，例如 平均表面反射率低于10%、低于5%，諸如可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均反射率低于2%、低于 1. 6%。對(duì)于一些材料而言，由于低反射率，表面可能看起來(lái)是黑色。
[0049]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，諸如單晶材料的材料可以是化合物材料，諸如碳化硅 材料、氮化鎵材料等。氮化鎵材料可以是任何氮化鎵基材料，并且氮化鎵材料可包括GaN， InGaN 等。
[0050]單晶材料可具有寬的帶隙和強(qiáng)大的鍵能。
[0051]諸如碳化硅或鎵氮化物的化合物材料由至少兩種組分組成，諸如單晶材料的化合 物材料通常是由不同組分之間強(qiáng)大的鍵能表征，從而，其通常具有高鍵能，并且由于任何化 學(xué)工藝會(huì)需要比化合物之間的鍵能更高的活化能，因此其通常具有高的耐化學(xué)性。
[0052]因此，這些材料需要更高溫度或物理反應(yīng)用于刻蝕，并且諸如單晶材料的材料是 由反應(yīng)離子刻蝕工藝中的各向異性刻蝕表征，諸如使用氟化物基氣體（諸如SF6)的反應(yīng)離 子刻蝕工藝中的各向異性刻蝕。因此，這些材料常常用于微機(jī)械加工，這是因?yàn)榭墒褂米钚?的側(cè)向刻蝕刻蝕出深的結(jié)構(gòu)。
[0053]薄膜材料可以是具有所需掩模能力的任何材料，并且該薄膜可由包括銀，金，鉬， 鋁或鈀，或其任意組合的任何材料制成。
[0054]掩模材料的薄膜具有比基底材料的刻蝕速率低得多的刻蝕速率，諸如刻蝕速率比 基底材料的刻蝕速率低2、5或10倍。第一刻蝕速率和第二刻蝕速率之間的比例可以大于 1，諸如大于5、大于10、大于100。
[0055]優(yōu)選地，掩模材料能夠在薄膜處理時(shí)形成納米島。從而該薄膜可通過(guò)熱處理、化學(xué) 反應(yīng)、光致反應(yīng)、或者這些反應(yīng)的任意組合被處理以形成納米島，以產(chǎn)生掩模材料的凝聚、 成核或分解，從而制備不連續(xù)的半球狀或圓頂狀的納米島。納米島的平均尺寸和密度可通 過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以及薄膜層的厚度來(lái)控制。然而，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，納米島的大小并 不需要和納米結(jié)構(gòu)一樣被嚴(yán)格控制，即多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)優(yōu)選地隨機(jī)分布在表面上，并且具有 隨機(jī)高度分布，從而該多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)不需要高度或者寬度相同。由此，制備納米結(jié)構(gòu)表面的 方法中的任何中間步驟，即平坦化等，可被排除。
[0056]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，錐形結(jié)構(gòu)可具有小于1000納米的基區(qū)寬度，諸如小于 800納米、小于500納米、小于400納米、小于300納米，例如小于200納米、小于100納米。 基區(qū)寬度可在20納米和1000納米之間，諸如50和800納米之間、100納米和500納米之 間、100納米和300納米之間。
[0057]多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)可具有至少100納米的高度，諸如至少200納米、至少 300納米、至少400納米、至少500納米、至少800納米、至少1000納米。錐形結(jié)構(gòu)的高度可 在100納米至1000納米之間，諸如100納米和800納米之間、100納米和500納米之間、200 納米和400納米之間。圓錐高度與圓錐寬度可以是任何組合，且圓錐高度與圓錐寬度可被 調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)例如特定波長(zhǎng)或特定波長(zhǎng)范圍的特定反射率。在一些實(shí)施方式中，圓錐的基區(qū) 寬度可小于400納米，高度至少為400納米。在一些實(shí)施方式中，圓錐的高度分布可在100 納米至350納米之間。圓錐可在至少一個(gè)表面上具有不同的基區(qū)寬度和不同的高度。
[0058]錐形結(jié)構(gòu)的高寬比可在2與15之間，諸如在3與10之間、在7與13之間等，高寬 比是高度/寬度比值。
[0059] 多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的高度分布可被選擇用于具有中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳性能。 多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的高度可在中心波長(zhǎng)的三分之一和中心波長(zhǎng)的至少1/2之間（諸如在100納 米和中心波長(zhǎng)的至少1/2之間、100納米和中心波長(zhǎng)之間）隨機(jī)變化。
[0060] 多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)可非周期性地分布在至少一個(gè)表面上。該錐形結(jié)構(gòu)是非周期性地分 布意指該錐形結(jié)構(gòu)的分布不是周期性的，并且任何兩個(gè)錐形結(jié)構(gòu)之間的距離與任意兩個(gè)其 它錐形結(jié)構(gòu)之間的距離不一定相同，非周期性分布可以是隨機(jī)、非周期性或準(zhǔn)周期性分布。 此外，各個(gè)錐形結(jié)構(gòu)不需要相同，錐形結(jié)構(gòu)的高度可以變化，同樣，圓錐的寬度可在相同的 表面上變化，以使圓錐的高度和寬度可從100納米變化為1000納米，諸如從100納米到800 納米、從100納米至500納米。因此，圓錐的尺寸分布可延伸1000納米，可給出關(guān)于圓錐寬 度和高度的平均值，可能的高度和/或?qū)挾鹊淖兓?00納米，諸如500納米、300納米等。
[0061] 通常高度是從所選擇的基平面測(cè)量，這種基平面（諸如證明用于多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的 基平面）包括最低刻蝕點(diǎn)。通常錐形結(jié)構(gòu)的寬度也是沿選擇的基平面測(cè)量的。
[0062] 圓錐分布的平均值是1. 0E8-2. 0E11個(gè)圓錐/cm2。
[0063] 自組裝納米結(jié)構(gòu)的密度可以是1與2000個(gè)納米顆粒/ii m2之間，諸如處于100與 200個(gè)納米顆粒/iim2之間。納米島為例區(qū)域覆蓋率可以是20%和40%之間，諸如25%和 35%之間。通常，多個(gè)錐形納米結(jié)構(gòu)的密度可對(duì)應(yīng)于自組裝納米島的密度，并且因此多個(gè)錐 形結(jié)構(gòu)的密度可以是1和2000錐形結(jié)構(gòu)/ ii m2之間，諸如是100和200錐形結(jié)構(gòu)/ ii m 2之 間。
[0064] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，自組裝納米島的平均顆粒大小可在10納米到380納米 之間，和/或自組裝納米島之間的平均間隔可在10納米和380納米之間。
[0065]在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，單晶材料是碳化硅或氮化鎵，并且包括多個(gè) 錐形結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)也可以是碳化硅或氮化鎵，以分別以碳化硅或氮化鎵制備錐形結(jié)構(gòu)。 碳化硅可用作形成發(fā)光二極管基礎(chǔ)的基底。然而，碳化硅、以及硅和藍(lán)寶石，具有非常高的 折射率。因此，很多光被束縛在二極管內(nèi)，即在材料/空氣界面被反射回材料內(nèi)部，從而減 少了發(fā)光二極管的光抽取效率。GaN同樣比照適用。
[0066] 碳化硅通常是透明材料，并因此用作使光能夠透射的光學(xué)設(shè)備的材料。具有制造 于表面層中的周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅也是透明材料，然而，在碳化硅基底中提供非周期 性納米結(jié)構(gòu)使該碳化硅看上去是黑色。具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的表面在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi) 具有非常低的反射率，因此，透射率會(huì)增加。
[0067]通常，碳化硅對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的表面反射率是大約20%，然而，通過(guò)將 納米結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用在碳化硅，表面材料的反射率可以減小15倍（從20. 5%至1. 62% )，并 且抽取效率可增加高達(dá)70% (諸如60%，這取決于圓錐分布、圓錐寬度、以及圓錐高度）。 [0068] 在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，單晶材料被用在發(fā)光二極管的制造中。
[0069]光學(xué)設(shè)備可包括至少部分為氮化鎵材料的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，并且該光學(xué)設(shè)備可具 有至少一個(gè)氮化鎵表面，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)用于通過(guò)至少一個(gè)氮化鎵表面出射光，其中在 氮化鎵表面中提供亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)。
[0070]在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，提供了一種用于白光出射的發(fā)光二極管。該發(fā)光二極 管包括其第一側(cè)面具有納米結(jié)構(gòu)的基底、以及基底的第二側(cè)面上提供的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。 該發(fā)光二極管用于通過(guò)基底出射光，并且基底中形成的納米結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)非周期性分布 在該表面上的圓錐。該錐形結(jié)構(gòu)可形成在基底上，即在基底材料中，錐形結(jié)構(gòu)的高度可以隨 機(jī)變化。
[0071] 在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，提供了一種制備發(fā)光二極管的方法，該方法包括提供 基底，在基底的第一側(cè)面提供非周期性納米結(jié)構(gòu)，以及在基底的第二側(cè)面提供發(fā)光二極管， 該發(fā)光二極管用于通過(guò)該基底出射光。
[0072] 基底可以是例如碳化硅或氮化鎵的高晶體質(zhì)量材料，或者對(duì)于白光透明的任何其 它_晶體質(zhì)量材料。該_晶體質(zhì)量材料可以是單晶材料。優(yōu)選地，該_晶體質(zhì)量材料具有 低位錯(cuò)密度和/或高純度。
[0073] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)主要是由碳化硅材料、氮化鎵材料或 其任意組合制備。
[0074] 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)可包括熒光碳化硅，并且該熒光碳化硅可包括n型摻雜（例如通 過(guò)用氮和硼摻雜）的熒光碳化硅的第一層、以及P型摻雜（例如通過(guò)氮和鋁摻雜）的熒光 碳化硅的第二層?？蛇x擇這些層的厚度，以使各層足夠厚，從而體積足夠產(chǎn)生強(qiáng)的出射光。 通常P型摻雜層（諸如氮和鋁摻雜層）產(chǎn)生寬的施主受主帶發(fā)光，其與n型摻雜層中（諸 如氮和硼摻雜層）的寬的施主受主帶發(fā)光一起為具有可見(jiàn)光區(qū)域中波長(zhǎng)的光提供寬的半 高全寬的曲線。尤其是氮和硼摻雜的碳化硅層可出射峰值波長(zhǎng)大約為600納米的暖白光。 來(lái)自氮和鋁摻雜碳化硅的光譜可呈現(xiàn)藍(lán)綠出射。通過(guò)組合這兩個(gè)熒光層和兩個(gè)寬波長(zhǎng)光輸 出，得到了至少覆蓋大部分可見(jiàn)光譜的純白光。
[0075] 發(fā)光結(jié)構(gòu)還可包括用于激發(fā)諸如熒光碳化硅的基底材料的發(fā)光二極管，并且該發(fā) 光二極管可以是例如氮化物基近紫外堆棧、或者任何其它能夠激發(fā)基底或熒光碳化硅的發(fā) 光二極管。
[0076] 氮化物基近紫外堆棧可生長(zhǎng)在熒光碳化硅上，并且可以是例如單片生長(zhǎng)。
[0077] 在碳化硅基底上單片生長(zhǎng)熒光碳化硅、以及單片生長(zhǎng)發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè) 光學(xué)設(shè)備可在一個(gè)工藝中制備而不需要不同基底的鍵合等。因此，該制備工藝可自動(dòng)化，從 而可顯著減少制備工藝的時(shí)間和成本。
[0078]使用單晶材料作為發(fā)光二極管生長(zhǎng)的基底的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)光二極管可以直 接生長(zhǎng)在單晶材料上。例如，與藍(lán)寶石比較，使用單晶碳化硅基底提供與例如GaN更好的晶 格匹配和改進(jìn)的導(dǎo)熱性。單晶氮化鎵材料同樣比照適用。
[0079] 在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，提供了 一種制備發(fā)光二極管的方法，該方法包括：提供 高晶體質(zhì)量碳化硅或氮化鎵基底，可在碳化硅或氮化鎵基底的第一側(cè)面上生長(zhǎng)碳化硅層。 該方法還包括單片生長(zhǎng)n型摻雜和p型摻雜的熒光碳化硅層，諸如氮和硼摻雜的熒光碳化 硅層、以及氮和鋁摻雜的熒光碳化硅層?？稍跓晒馓蓟鑼禹敳可L(zhǎng)氮化物基近紫外發(fā)光 二極管，其至少包括n型摻雜GaN層和p型摻雜GaN層。接觸區(qū)域可被分別提供給n型摻 雜GaN層和p型摻雜GaN層?？稍谔蓟鑼拥牡诙?cè)面上提供非周期性納米結(jié)構(gòu)。該納米 結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)錐形碳化硅結(jié)構(gòu)，其中該碳化硅圓錐非周期性分布在表面上。
[0080] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)金字塔形結(jié)構(gòu)，或者納米結(jié)構(gòu)可 包括多個(gè)金字塔形和/或錐形結(jié)構(gòu)。
[0081] 周圍可包括在光學(xué)設(shè)備和/或納米結(jié)構(gòu)表面周圍的任何材料，例如空氣、環(huán)境空 氣、受保護(hù)的環(huán)境、液體、水等。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解單片生長(zhǎng)第一摻雜層（諸如包括氮 和硼摻雜突光碳化娃層的第一摻雜層）和第二摻雜層（包括氮和錯(cuò)摻雜突光碳化娃層的第 二摻雜層）的工藝可分別是任何已知的工藝。此外，可使用任何常規(guī)已知的或本領(lǐng)域工藝 狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在熒光碳化硅的頂部單片生長(zhǎng)至少包括P型摻雜氮化鎵和n型摻雜氮化鎵的近紫 外發(fā)光二極管的工藝?？赏ㄟ^(guò)沉積選擇的觸點(diǎn)材料或通過(guò)用任何其它已知工藝提供觸點(diǎn)材 料執(zhí)行為n型摻雜GaN層和p型摻雜GaN提供接觸區(qū)域。
[0082] 現(xiàn)在將參考附圖在下文中更充分地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施 方式。然而，本發(fā)明可體現(xiàn)在不同形式，并且不應(yīng)被解釋為局限于本文闡述的實(shí)施方式。相 反，提供這些實(shí)施方式，以使本公開(kāi)更加全面和完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳遞本 發(fā)明的范圍。全文中類似的標(biāo)號(hào)指代類似的元件。因此，不會(huì)在每幅圖的描述中詳細(xì)描述 類似的元件。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0083] 圖la示出非周期性減反射亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)制備工藝的示意圖，圖lc示出形成的金屬 納米島的SEM圖，圖lb、Id和le示出形成的納米結(jié)構(gòu)的SEM圖，并且圖If示意性示出圖Id 中SHM圖中所示的納米結(jié)構(gòu)；
[0084] 圖2a和b示出無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅基底上的水滴接觸角，
[0085] 圖3a和b示出具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底上的水滴接觸角；
[0086] 圖4示出無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅和具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底的表面反射率；
[0087] 圖5示出對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅和具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底的光致熒光改 進(jìn)；
[0088] 圖6示意性地示出從無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅對(duì)和具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底出 射的光；
[0089] 圖7示出無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅和具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底的角分辨發(fā)射強(qiáng) 度；
[0090] 圖8示出具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的碳化硅基底在不同出射角的熒光增強(qiáng)；
[0091] 圖9示意性地示出碳化硅基底上的發(fā)光二極管；
[0092] 圖10示出碳化硅基底上的GaN發(fā)光二極管；
[0093] 圖11示意性地示出用于制備非周期性納米結(jié)構(gòu)的工藝；
[0094] 圖12示出金厚度分別為3納米、5納米及7納米的樣品的SEM圖；
[0095] 圖13示出金厚度與顆粒直徑、NP密度和區(qū)域覆蓋率之間的關(guān)系；
[0096] 圖14示出使用3nm、5nm及7nm厚度的金薄膜形成的的減反射結(jié)構(gòu)的SEM圖；
[0097] 圖15示出作為波長(zhǎng)函數(shù)的測(cè)量的透射率和反射率，以及作為波長(zhǎng)函數(shù)的計(jì)算的 吸收率；
[0098] 圖16示出作為金厚度函數(shù)的測(cè)量的平均反射率和透射率、以及計(jì)算的平均吸收 率。

【具體實(shí)施方式】
[0099] 在本發(fā)明中制備了光學(xué)設(shè)備，該設(shè)備具有基底2,其具有表面3?；资翘蓟杌?氮化鎵基底。在圖1中，簡(jiǎn)要示出了制備包括表面上的多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)的工藝，其 中圓錐非周期性地分布在表面上。首先，在單晶基底2上沉積金屬（通常是金）薄膜層，通 過(guò)熱處理、化學(xué)反應(yīng)、光致反應(yīng)、或者這些反應(yīng)的任意組合被處理以形成納米島，以產(chǎn)生掩 模材料的凝聚、成核或分解，從而制備不連續(xù)的半球狀或圓頂狀的納米島4。（然后，注意在 步驟（ii)和（iii)中示意性地畫(huà)出周期性結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化示圖）。納米島的平均尺寸和密度 可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)以及薄膜層的厚度控制。在步驟（iii)中，使用3匕和0 2的混合氣體 施加反應(yīng)離子刻蝕（RIE)，使用薄膜納米島作為掩模層在基底上形成非周期性錐形納米結(jié) 構(gòu)。去除殘余金屬薄膜，以得到具有非周期性錐形納米結(jié)構(gòu)的基底的光學(xué)設(shè)備1。
[0100] 在本附圖描述中，形成非周期性納米結(jié)構(gòu)的材料是單晶材料，然而，可以設(shè)想對(duì)于 沒(méi)有采用單晶特性的應(yīng)用而言，諸如多晶基底或無(wú)定型基底的非單晶材料也可被使用。
[0101] 在具體實(shí)例中，在N-B摻雜的熒光6H-SiC上通過(guò)使用自組裝刻蝕掩膜形成非周期 性錐形減反射納米結(jié)構(gòu)。
[0102] 另一個(gè)使用碳化硅基底的示例性樣品、以及中間薄膜納米島是由掃描電鏡SEM表 征。
[0103] 在圖lb和lc中，在SEM圖中可看到納米島4。已經(jīng)使用了不同的工藝參數(shù)，并且 可看到納米島4的密度、大小和分布與圖lb和lc不同。與較暗的基底2對(duì)比，納米島4被 視作亮斑。
[0104] 圖Id和le示出不同角度的同一樣品。在圖Id中，從側(cè)面示出非周期性納米結(jié)構(gòu) 5,在圖le中，從傾斜角度示出非周期性納米結(jié)構(gòu)5?？梢钥吹郊{米結(jié)構(gòu)是錐形，圓錐頂部微 圓。還可以看到該結(jié)構(gòu)的高度和寬度不同，以使兩個(gè)圓錐都不相同。圖If示意性地示出圖 Id中非周期性納米結(jié)構(gòu)，其在基底2上具有圓錐5。
[0105] 非周期性或準(zhǔn)周期性納米結(jié)構(gòu)平均周期約為115?230nm，也就是連續(xù)錐形納米 結(jié)構(gòu)之間的平均距離，并且結(jié)構(gòu)高度是從400到850nm之間變化。
[0106] 可以設(shè)想雖然碳化硅和氮化鎵在本文中用于描述效果和設(shè)備，優(yōu)選為具有高耐化 學(xué)性的單晶材料（諸如藍(lán)寶石）的其它材料也可被使用。
[0107] 已經(jīng)表征了納米結(jié)構(gòu)表面，并且圖2a和2b示出了使用液滴形狀分析儀（KRUSS DSA100S)的水接觸角測(cè)量。具有水滴6的無(wú)結(jié)構(gòu)基底2在圖2a中示意性地示出，并在圖 2b中被示為DSA圖。在此情況下，基底是熒光碳化硅，并且可看出其是親水的且接觸角為 49°。在為熒光碳化硅基底2提供非周期性納米結(jié)構(gòu)7后，在圖3a示意圖以及圖3b中的 DSA圖形式可看出表面變?yōu)槭杷缘那医佑|角為98 °。納米結(jié)構(gòu)8在DSA圖中是不可見(jiàn)的。 能夠提供疏水性表面（尤其為低溫和/或潮濕環(huán)境所使用的LED應(yīng)用）是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0108] 圖4中示出納米結(jié)構(gòu)表面的減反射特性，其中將無(wú)結(jié)構(gòu)的碳化硅表面與納米結(jié) 構(gòu)碳化硅表面比較。減反射特性可取決于結(jié)構(gòu)高度，通常需要至少l〇〇nm高的結(jié)構(gòu)以實(shí) 現(xiàn)相當(dāng)良好的減反射性能，并且在當(dāng)前情況下，非周期性納米結(jié)構(gòu)的平均高度被控制為大 于400nm。這可在使用反應(yīng)離子刻蝕（RIE)用于在碳化硅或氮化鎵基底中刻蝕納米結(jié)構(gòu)時(shí) 得到。對(duì)于碳化硅而言，RIE條件可以是例如：加工壓力30mT，RF功率100W，氣體流量為 SF 624sccm，026sccm，加工時(shí)間 15 分鐘。
[0109]圖4中示出得到的表面反射率，其中通過(guò)使用校準(zhǔn)測(cè)角儀系統(tǒng)（G0N360)，在覆蓋 整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍（通常是390到750nm)的390-785nm波長(zhǎng)范圍上以6°的接近法向入射 角測(cè)量反射率。反射光譜如圖4所示，無(wú)結(jié)構(gòu)碳化硅基底（即無(wú)結(jié)構(gòu)的SiC)具有反射率曲 線8(其示出大約20%的反射率），具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的基底（即ARS SiC)具有反射率 曲線9(其示出0. 1至百分之幾之間的反射率）?？煽闯鲈谝敕侵芷谛约{米結(jié)構(gòu)以后，平 均表面反射率從20. 5%顯著降低到1. 62% (降低了 11. 6倍）。可看出發(fā)光峰值（576nm) 處的反射率低于2%，且在405nm處得到最小值0. 05%。雖然反射率在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處開(kāi)始 增加，但是整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)的值均小于4%。可看出在表面上引入非周期性納米結(jié)構(gòu)以 后，熒光碳化硅表面從亮淡綠色（透明）變?yōu)榘的G色（黑色，透明）。
[0110] 特別對(duì)于非周期性納米結(jié)構(gòu)表面在發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)中的使用而言，光致發(fā)光PL 是一個(gè)重要的因素。圖5示出使用與上述相同的測(cè)角儀系統(tǒng)執(zhí)行的角分辨光致（PL)測(cè)量， 并且來(lái)自二極管激光器的377nm激光束被用作激發(fā)光源?？蛇x擇從樣品后側(cè)激發(fā)它，并且 以10°的步長(zhǎng)從0°到90°測(cè)量出射角分辨光致。圖5中示出在0°處測(cè)量的無(wú)結(jié)構(gòu)和 ARS SiC的光致發(fā)光光譜。分別從兩個(gè)樣品的曲線10和11可以觀察到DAP寬帶發(fā)光的峰 值波長(zhǎng)為576nm，半高全寬（FWHM)大約為llOnm。并且可看到在0°出射角處，非周期性納 米結(jié)構(gòu)碳化硅發(fā)光增強(qiáng)了 55%，其至少表明可得到更高的光抽取效率。
[0111] 雖然納米級(jí)結(jié)構(gòu)中的光透射不僅僅是由斯涅耳定律支配，圖6中的簡(jiǎn)單示意圖證 明非周期性納米結(jié)構(gòu)是如何改進(jìn)光抽取效率的總體思路。對(duì)于無(wú)非周期性納米結(jié)構(gòu)涂層的 基底2而言，具有比臨界角大的入射角的光無(wú)法離開(kāi)基底，然而，當(dāng)基底2具有非周期性納 米結(jié)構(gòu)7時(shí)，具有比臨界角大的出射角的出射光會(huì)通過(guò)非周期性納米結(jié)構(gòu)離開(kāi)基底2,這導(dǎo) 致光抽取效率增強(qiáng)。
[0112] 在碳化硅基底頂部提供發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)在于可使用標(biāo)準(zhǔn)工藝使GaN發(fā)光二極 管可單片生長(zhǎng)在碳化硅基底上。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于SiC表面很好地適用于惡劣環(huán)境。通過(guò)碳 化硅基底的非周期性納米結(jié)構(gòu)表面出射生成的光能從實(shí)質(zhì)上增加二極管的抽取效率。
[0113] 在圖7中示出了無(wú)結(jié)構(gòu)基底和非周期性納米結(jié)構(gòu)表面的角分辨發(fā)射強(qiáng)度或空間 出射模式。在圖8中示出了當(dāng)以不同出射角與無(wú)結(jié)構(gòu)基底比較時(shí)，熒光碳化硅基底的發(fā)光 增強(qiáng)量，即具有非周期性納米結(jié)構(gòu)的熒光碳化硅基底提供的增強(qiáng)量?？煽吹皆谠鰪?qiáng)量從0° 處的55%增加到90°處的186%，并且整個(gè)范圍內(nèi)的總發(fā)光增強(qiáng)量是66. 3%。
[0114] 在圖9中不出了碳化娃基底24上的發(fā)光_極管。碳化娃基底具有_晶體質(zhì)量，并 且可以是單晶碳化硅基底24。在碳化硅基底24的第一表面26上提供了非周期性納米結(jié) 構(gòu)25。在碳化硅基底24的另一表面或第二表面上提供了緩沖層23,接下來(lái)提供n型摻雜 氮化鎵層22。在堆棧21中提供多個(gè)量子阱和相鄰的量子阱，提供p型摻雜氮化鎵層20,由 此在n型摻雜氮化鎵層22和p型摻雜氮化鎵層20之間提供多個(gè)量子阱。光通過(guò)第一表面 26從發(fā)光二極管出射，如圖中箭頭27所示。
[0115] 設(shè)想在底面上提供鏡子，用于反射通過(guò)的GaN層20的光。因此，可在GaN層20中 提供納米結(jié)構(gòu)，作為SiC層24中納米結(jié)構(gòu)的替換或附加。
[0116] 在圖10中示出了另一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。碳化硅基底31是摻雜硼和氮化物的熒 光碳化硅結(jié)構(gòu)。在基底31的第一表面30上提供了非周期性納米結(jié)構(gòu)32。在基底31的另 一側(cè)提供了薄的A1N緩沖層34,在其頂部生長(zhǎng)n型摻雜GaN層35。在GaN層35上提供GaN 和GalnN(未示出）交替層的多個(gè)量子阱，并且可在提供p型摻雜GaN層38以前生長(zhǎng)另一 個(gè)AlGaN緩沖層37。包括層34至38的堆棧被稱為氮化物基近紫外堆棧（NUV堆棧），并且 可分別為n型摻雜GaN層35和p型摻雜GaN層38提供觸點(diǎn)39、40。觸點(diǎn)可以是例如金觸 點(diǎn)。
[0117] 在碳化硅基底的頂部提供GaN發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)在于可使用標(biāo)準(zhǔn)工藝使GaN發(fā)光 二極管單片生長(zhǎng)在碳化硅基底上。通過(guò)碳化硅基底的非周期性納米結(jié)構(gòu)表面出射生成的光 實(shí)質(zhì)上增加了二極管的抽取效率。
[0118] 應(yīng)該提到的是，同樣可為折射GaN表面提供上述納米結(jié)構(gòu)。
[0119] 在圖11中，提供了一種用于制備非周期性納米結(jié)構(gòu)的工藝或方法?；?2是由諸 如碳化硅或氮化鎵的單晶材料制備，但也可以是具有高耐化學(xué)性的微晶材料。步驟（a)通 過(guò)例如電子束蒸發(fā)在基底42頂部沉積金屬薄膜41，諸如金薄膜。薄膜41的厚度可以是1 到50nm之間，諸如在3nm到20nm之間、5nm到10nm之間、7nm。薄膜可以是金薄膜，并且在 步驟（b)中，處理該薄膜以在基底42的表面上形成自組裝納米島43。在本實(shí)例中，在350°C 的N 2環(huán)境下使用快速熱工藝處理薄膜5分鐘。由此薄膜層變?yōu)榘肭蚧驁A頂狀的不連續(xù)自 組裝納米島?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)退火條件以及薄膜41的層厚度控制納米島的大小和形狀。在步 驟（c)、（d)和（e)中，使用SF#P 0 24:1的混合施加反應(yīng)離子刻蝕（RIE)44。可看出碳化硅 基底42中的RIE刻蝕槽47,并且當(dāng)納米島43被用作掩模時(shí)，納米島43被逐漸刻蝕，并且 納米島中至少一些會(huì)出現(xiàn)過(guò)刻蝕，以使工藝期間納米島中的至少一些被刻蝕掉。碳化硅基 底對(duì)SFjP 02氣體有耐化學(xué)性，薄膜納米島45的側(cè)向刻蝕基本不會(huì)出現(xiàn)，因此刻蝕是各向 異性的。總刻蝕時(shí)間可取決于薄膜41的厚度、圓錐結(jié)構(gòu)所要到達(dá)的預(yù)定高度等，并且可以 是5到20分鐘之間，諸如15分鐘。在刻蝕以后，非周期性錐形納米結(jié)構(gòu)形成在熒光SiC表 上。在步驟（f)中，通過(guò)使用KI :I2:H20-100g:25g:500ml的碘基溶液去除殘留的納米島，諸 如殘留的金納米島。其后，基底42的表面48具有單晶材料形成的納米結(jié)構(gòu)46?？煽吹郊{ 米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)49,其中圓錐非周期性地分布在表面上。
[0120] 此后，基底42具有在單晶材料上形成納米結(jié)構(gòu)46的表面48。可以看出，上述納米 結(jié)構(gòu)包含很多非周期性的錐體結(jié)構(gòu)49。
[0121] 因此，納米島用于至少在一部分刻蝕期間掩模碳化硅基底。可以看出，在各向異性 刻蝕中使用納米島作為掩模，以第一刻蝕速率刻蝕碳化硅基底，同時(shí)以第二刻蝕速率刻蝕 納米島的至少一部分，第二刻蝕速率低于第一刻蝕速率。
[0122] 已經(jīng)在碳化硅晶片上沉積了金薄膜，該薄膜的厚度范圍是從3nm到21nm(見(jiàn)表1)。 該碳化硅晶片是雙側(cè)拋光的6H_SiC樣品，并且已經(jīng)通過(guò)使用電子束蒸發(fā)（Alcatel)沉積了 薄膜，沉積速率是1 A/S。使用熱退火處理樣品以形成薄膜材料的自組裝納米島。
[0123] 包括的第一退火工藝為在650°C下熱退火樣品3分鐘，對(duì)于金薄膜厚度為3nm至 llnm的樣品，該退火步驟足以形成自組裝納米島結(jié)構(gòu)。對(duì)于金薄膜厚度為13至21nm的樣 品，需要第二種退火工藝，其在650°C下熱退火33分鐘，以形成金薄膜厚度為13到21nm的 金納米島。
[0124] 已經(jīng)通過(guò)SEM觀察到自組裝金納米島，并且已經(jīng)為具有不同金薄膜厚度的樣品執(zhí) 行了顆粒密度、顆粒區(qū)域覆蓋率、平均有效直徑、以及直徑擴(kuò)展的計(jì)算，見(jiàn)表1。
[0125]

【權(quán)利要求】
1. 一種光學(xué)設(shè)備，其具有至少一個(gè)碳化硅或氮化鎵材料的表面，用于將光輻射從設(shè)備 內(nèi)部向周圍傳輸，所述至少一個(gè)表面具有碳化硅或氮化鎵材料形成的亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，所 述亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布， 并且非周期性地分布在所述至少一個(gè)表面上，所述錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少為 100納米。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)碳化硅或氮化鎵材料 的表面是基底的至少一個(gè)表面、和/或碳化硅或氮化鎵材料中提供的光學(xué)設(shè)備的有源元件 的至少一個(gè)表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括至少部分由氮 化鎵材料組成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)設(shè)備具有至少一個(gè)氮化鎵表面，所述發(fā)光二極 管結(jié)構(gòu)用于通過(guò)所述至少一個(gè)氮化鎵表面出射光，其中所述氮化鎵表面中提供了亞波長(zhǎng)納 米結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括碳化硅基底或氮 化鎵基底，所述基底的第一表面中提供了亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，所述基底的第二表面（所述第 一表面的對(duì)面）中提供了發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)用于在具有中心波長(zhǎng)的波 長(zhǎng)范圍內(nèi)生成光，并且所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)用于通過(guò)所述基底的納米結(jié)構(gòu)的第一表面出射 光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的 高度在100納米與350納米之間隨機(jī)變化，從而使波長(zhǎng)范圍內(nèi)，諸如450納米至800納米、 390納米至700納米的散射光能夠透射。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述材料是單晶材料。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)中 每一個(gè)的基區(qū)寬度小于400納米。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu) 還包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè)碳化硅或氮化鎵的表面，所述至少一個(gè) 表面分別具有碳化硅或氮化鎵材料形成的亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求8所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器包括熒光碳化 娃層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8至9所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)還包括用 于激發(fā)所述熒光碳化硅層的氮化物基近紫外堆棧。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括 單晶碳化硅基底，所述單晶碳化硅基底的第一表面中提供了亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，并且所述單 晶碳化硅基底的第二表面中提供了熒光碳化硅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于所述氮化物基近紫外堆棧隨后 單片生長(zhǎng)在所述熒光碳化硅上。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述錐形結(jié)構(gòu)的高寬 比是在3與15之間。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)的 所述高度分布被選擇用于具有中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳性能，并且所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu) 的高度在所述中心波長(zhǎng)的1/3和所述中心波長(zhǎng)的1/2之間隨機(jī)變化。
15. -種用于光學(xué)設(shè)備的碳化硅或氮化鎵基底，所述基底具有用于將光輻射從所述基 底內(nèi)部向周圍傳輸?shù)牡谝槐砻妫鎏蓟杌缀?或所述氮化鎵基底的第一表面中提供 了亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，形成于所述基底的第一表面中的所述亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且非周期性地分布在所述至少一 個(gè)表面上，所述錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少為100納米。
16. -種在碳化硅基底或氮化鎵基底的表面中制造至少一種亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的方法， 用于在波長(zhǎng)范圍內(nèi)將所述碳化硅基底或氮化鎵基底配置用于低反射率，所述波長(zhǎng)范圍具有 中心波長(zhǎng)，所述方法包括步驟： 提供碳化硅或氮化鎵基底； 在所述基底的至少一部分上提供薄膜材料； 處理所述薄膜材料，以形成所述薄膜材料的自組裝納米島，所述納米島用于在刻蝕的 至少一部分期間掩模所述基底的至少一部分； 在各向異性刻蝕中使用所述納米島作為掩模，以第一刻蝕速率刻蝕所述基底，同時(shí)以 第二刻蝕速率刻蝕所述納米島的至少一部分，所述第二刻蝕速率低于所述第一刻蝕速率； 從而形成亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)錐形表面結(jié)構(gòu)，所述錐形表面結(jié)構(gòu)非周期性地 分布在所述基底的表面上，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且所述錐形結(jié)構(gòu)中至 少一部分的高度至少為100納米；以及 去除所述薄膜材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一刻蝕速率與所述第二刻蝕速 率之間的比值大于1。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16至17中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述自組裝納米島的 密度在1與2000顆粒/ y m2之間，諸如從100到200顆粒/ y m2,和/或其中所述顆粒覆蓋 范圍在20%與35%之間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16至17中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述碳化硅基底是單 晶碳化娃基底。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16至19中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述處理所述薄膜以 形成自組裝納米島的步驟包括使用加熱反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、光致反應(yīng)或這些反應(yīng)的任意組合， 用于產(chǎn)生掩模材料的聚集、成核或分解。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16至20中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述薄膜材料是包括 銀、金、鉬、錯(cuò)或鈕的材料。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16至21中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述自組裝納米島的 平均顆粒大小為10納米至380納米，和/或所述自組裝納米島的平均間隔在10納米至380 納米之間。
23. -種制造發(fā)光二極管的方法，所述方法包括： 提供單晶碳化硅基底、單晶熒光碳化硅基底、或單晶氮化鎵基底； 在單晶基底的第一表面中提供根據(jù)權(quán)利要求16至22中任意一項(xiàng)所述亞波長(zhǎng)納米結(jié) 構(gòu)，所述亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)錐形碳化硅/熒光碳化硅/氮化鎵結(jié)構(gòu)；以及 在所述基底的第二表面上單片生長(zhǎng)氮化物基發(fā)光二極管，其至少包括N型摻雜氮化鎵 層和P型摻雜氮化鎵層。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，所述方法包括： 提供單晶碳化娃基底； 在所述基底的第二表面單片生長(zhǎng)熒光碳化硅層； 所述熒光碳化硅層包括氮和硼共摻雜的熒光碳化硅層、以及氮和鋁共摻雜的熒光碳化 娃層； 在所述熒光碳化硅層上部單片生長(zhǎng)氮化物基近紫外發(fā)光二極管，其至少包括N型摻雜 氮化鎵層和P型摻雜氮化鎵層；以及 在所述單晶碳化硅基底的第一表面中、或所述P型摻雜氮化鎵層中提供根據(jù)權(quán)利要求 16至22中任意一項(xiàng)所述的非周期性亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，所述錐形結(jié)構(gòu)的具有隨機(jī)高度分布， 并且非周期性地分布在所述至少一個(gè)表面上。
25. -種增加晶片表面至少一部分的透射率的方法，所述方法包括在碳化硅或氮化鎵 基底的表面中制造亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，用于在波長(zhǎng)范圍中將所述基底配置用于增加透射率， 所述波長(zhǎng)范圍具有中心波長(zhǎng)，所述方法包括步驟： 提供碳化硅或氮化鎵晶片； 在所述基底的至少一部分上提供薄膜材料； 處理所述薄膜，以形成所述薄膜材料的自組裝納米島，所述納米島用于在刻蝕期間掩 模所述基底的至少一部分； 在基本各向異性刻蝕中使用所述納米島作為掩模，以第一刻蝕速率刻蝕所述基底，同 時(shí)以第二刻蝕速率刻蝕所述納米島的至少一部分，所述第二刻蝕速率低于所述第一刻蝕速 率； 從而形成亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)錐形表面結(jié)構(gòu)，所述錐形表面結(jié)構(gòu)非周期性地 分布在所述基底的表面上，所述多個(gè)錐形結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)高度分布，并且非周期性地分布在 所述至少一個(gè)表面上，所述錐形結(jié)構(gòu)中至少一部分的高度至少為100納米，用于使增加的 散射光的透射率用于分布在晶片上的多個(gè)光學(xué)設(shè)備；以及 去除所述薄膜材料。
26. -種根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，在整個(gè)晶片的表面中提供亞波長(zhǎng) 納米結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G02B1/118GK104487873SQ201380033611
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月15日
【發(fā)明者】歐海燕 申請(qǐng)人:歐海燕