表面粗糙化方法

1.本发明属于光学显示器件技术领域，具体地讲，涉及一种表面粗糙化方法。


背景技术：

2.micro-led作为led的一种，其工艺与现有led工艺是兼容的，可以基于现有的led芯片的制备设备进行生产。micro-led相比于普通led尺寸相差10倍以上，随着像素尺寸不断减小，尺寸效应愈发凸显。高质量的microled的内量子效率可以达到99％及以上，而外量子效率却非常有限。由于gan的折射率n＝2.5与空气的折射率n＝1相差很大，容易产生全反射现象，使有源区产生的光子绝大部分不能通过出光面发射到体外，造成外量子效率降低。
3.目前对于这种现象的处理方案是通过表面粗糙化技术，即改变microled的表面形貌，使交界面由光滑变得粗糙，以减少发生全反射角的概率。但是目前表面粗糙化技术往往存在以下问题：1)腐蚀速度过快、无法控制表面纹理和图案精度；2)腐蚀的条件苛刻，例如使用的王水溶液和熔融koh等腐蚀溶液，要求样品在强酸或强碱、高温的危险环境下进行表面腐蚀。上述存在的问题对器件结构安全构成巨大挑战，且造成工艺过程繁琐、操作复杂，工业化生产效率低。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：如何提升器件表面粗糙化过程的可控性和降低工艺难度。
5.本技术公开了一种用于microled器件的表面粗糙化方法，所述表面粗糙化方法包括：
6.制备得到microled器件，其中所述microled器件中p型氮化镓层的外表面具有预定角度范围的斜切角；
7.将所述microled器件置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在所述p型氮化镓层的外表面形成粗糙化结构。
8.优选地，所述斜切角为所述p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面与面之间或斜切面与(0001)面之间的夹角，所述斜切面为向着氮化镓晶体的面切割时形成的切面。
9.优选地，所述预定角度范围为0.2
°
～8
°
。
10.优选地，在制备microled器件过程中，采用激光剥离工艺将所述p型氮化镓层从衬底上剥离，在剥离过程中在所述p型氮化镓层的外表面形成斜切角。
11.所述表面粗糙化方法还包括：
12.将所使用的腐蚀溶液置于超声波水浴设备中进行超声处理。
13.优选地，所述腐蚀溶液为ph范围为3.0～1.0的酸溶液。
14.本技术还公开了一种表面粗糙化方法，所述表面粗糙化方法包括：
15.在p型氮化镓层的表面形成预定角度范围的斜切角；
16.将所述p型氮化镓层置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在所述表面形成粗糙化结构。
17.优选地，所述斜切角为所述p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面与面之间或斜切面与(0001)面之间的夹角，所述斜切面为向着氮化镓晶体的面切割时形成的切面，所述预定角度范围为0.2
°
～8
°
。
18.本发明公开的一种用于microled器件的表面粗糙化方法，具有如下技术效果：
19.通过在制备microled器件过程中在p型氮化镓层的外表面形成斜切角度，一方面通过形成斜切角度可以使表面容易形成粗糙化结构，降低了制备工艺的难度和复杂度，另一方面通过调整斜切角度的大小，可控制表面粗糙化的程度。
附图说明
20.图1为本发明的实施例一的用于microled器件的表面粗糙化方法的流程图；
21.图2为本发明的实施例一的氮化镓晶体的斜切角度示意图；
22.图3为本发明的实施例一的氮化镓晶体表面的各向异性蚀刻示意图；
23.图4为采用本发明的实施例一的方法对具有4
°
斜切角的氮化镓晶体进行处理后，得到的具有正十二棱锥凸起的粗糙化表面的原子力显微镜(afm)形貌图像；
24.图5为本发明的实施例一得到粗糙化结构中一个正十二棱锥的高度和底部直径测量图；
25.图6为本发明的实施例一得到粗糙化结构扫描电子显微镜(sem)图像；
26.图7为采用本发明实施例一的方法对具有4
°
斜切角、斜切方向朝向晶面族的氮化镓晶体处理后，得到的具有均匀台阶流的粗糙化表面的原子力显微镜(afm)形貌图像；
27.图8为采用本发明的实施例一的方法对具有0.35
°
斜切角、斜切方向朝向任意方向的氮化镓晶体进行处理后，得到的具有均匀台阶流的粗糙化表面的原子力显微镜(afm)形貌图像；
28.图9为本发明的实施例二的表面粗糙化方法的流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
30.在详细描述本技术的各个实施例之前，首先简单描述本技术的技术构思：现有技术中在对microled器件进行表面粗糙化时，通常将器件放置于强酸、强碱和高温环境下，无法控制粗糙化的程度以及工艺过程较为复杂。为此，本技术提供了一种用于microled器件的表面粗糙化方法，在制备microled器件过程中在p型氮化镓层的外表面形成斜切角度，这样可使得p型氮化镓层的外表面可被腐蚀溶液进行不均匀腐蚀，形成粗糙化结构。一方面通过形成斜切角度可以使表面容易形成粗糙化结构，降低了制备工艺的难度和复杂度，另一方面通过调整斜切角度的大小，可控制表面粗糙化的程度。
31.具体来说，如图1所示，本实施例一的用于microled器件的表面粗糙化方法的包括如下步骤：
32.步骤s10：制备得到microled器件，其中microled器件中p型氮化镓层的外表面具有预定角度范围的斜切角；
33.步骤s20：将microled器件置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在p型氮化镓层的外表面形成粗糙化结构。
34.在步骤s10中制备microled器件涉及到较多工艺，从阶段上可划分为早期阶段和后期阶段，本实施例一的改进点在于在microled器件的p型氮化镓层的外表面形成斜切角和粗糙化结构，而制备microled器件所必需的步骤均采用本领域的常用技术工艺，在此不进行赘述。
35.示例性地，如图2所示，斜切角为p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面r与面之间的夹角α，斜切面r为向着氮化镓晶体的面切割时形成的切面。其中，根据氮化镓晶体的表面极性，本实施例一中作用的表面为氮化镓晶体的面。面表示氮化镓晶体中m面的晶面族，即斜切面r为向着氮化镓晶体的任意m面切割时形成的切面。
36.进一步地，本实施例一中p型氮化镓层外表面的斜切角形成于制备工艺的早期阶段。示例性地，在制备microled器件过程中，采用激光剥离工艺将p型氮化镓层从衬底上剥离，在剥离过程中在p型氮化镓层的外表面形成斜切角。其中，斜切角的大小可通过控制激光切割时的功率和切割角度来调整。示例性地，斜切角的预定角度范围为0.2
°
～8
°
。
37.在步骤s20中，microled制备的早期阶段需要在晶片表面制备非常光滑的表面，以便在后续步骤中实现高质量的电子束或光刻图案转移，因此表面粗糙化结构形成于制备工艺的后期阶段，优选为在microled器件制备完成之后。
38.下面以p型氮化镓层中氮化镓晶体为例，描述斜切角与粗糙化结构之间的关系。在腐蚀过程中，化学试剂(例如磷酸)会优先攻击晶体表面高表面能处，导致表面的腐蚀。氮化镓晶体具有六方最密堆积结构，在不具有任何倾斜角度的晶体表面，由于晶体结构的对称性导致面具有高度的等效性，这意味着在相同的腐蚀条件下，这些晶面会均匀地被腐蚀，形成平坦的表面。然而，当晶面倾斜时，它们的等效性被破坏，这导致在腐蚀过程中一些区域被更快地腐蚀掉，而其他区域则被相对较慢地腐蚀掉。这种腐蚀不均匀性导致表面形成了粗糙化结构。
39.进一步地，步骤s20中的腐蚀溶液为中强酸或强酸。示例性地，腐蚀溶液采用浓度范围为0.1mol/l～5.0mol/l的h3po4水溶液。在将microled器件置于腐蚀溶液中时，浸泡预定时长，还可以对腐蚀溶液进行超声水浴处理。超声功率和腐蚀时间可以根据实际需求进行设置。
40.本实施例一的表面粗糙化方法还包括对microled器件的清洗处理步骤。其中，在进行腐蚀之前，使用18mω去离子水对microled器件进行超声清洗3次，其次使用无水乙醇超声清洗1次，之后再使用丙酮超声清洗1次，最后氮气吹干。在浸泡预定时长之后，将microled器件取出，放入干净容器中。使用18mω去离子水对microled器件进行冲洗后，再使用18mω去离子水对microled器件进行超声清洗3次，以去除表面反应物残留。取出上述清洗后的microled器件，再用乙醇超声清洗1次，最后换丙酮超声清洗1次，使用氮气吹干
microled器件表面。
41.需要说明的是，microled器件的其他部件未进行斜切处理，即不存在斜切角，其他部件在h3po4水溶液等中强酸溶液中不会被腐蚀，尤其是在常温条件下。
42.进一步地，如图3所示，各向异性的湿化学蚀刻表面过程可以被简化为法向蚀刻vn和切向蚀刻v
t
两个分量。法向蚀刻vn受温度和表面能等热力学因素的影响，切向蚀刻v
t
受到蚀刻剂浓度等动力学因素的影响，二者在竞争中刻蚀表面。当使用某种确定的试剂腐蚀p型氮化镓层表面，切向蚀刻v
t
一定，法向蚀刻vn中的温度条件一定，唯一未确定是表面能等因素。当p型氮化镓层表面具有小的斜切角度时，晶体表面均匀性被破坏，即表面能改变，此时腐蚀速率可由表面斜切角来控制。
43.进一步地，为了证明本实施例一的技术效果，对腐蚀之后的p型氮化镓层的外表面进行表面质量的表征测试。
44.具体来讲，通过原子力显微镜可以确定p型氮化镓层表面经过腐蚀处理后，表面出现十二棱锥凸起结构，结果如图4所示，同时基底也有棱柱台阶结构，表面粗糙化的程度增加。随机选取一个正十二棱锥，通过测量棱锥高度和底部大小，结果如图5所示，确定棱锥侧面夹角约41
°
，大于光逃逸锥的最小角度(23
°
)，证明该十二棱锥凸起结构对增强光提取效率有很好的效果。通过扫描电镜来观察表面经过腐蚀后的表面十二棱锥分布和晶向关系，如图6所示。如图7所示是具有4
°
斜切角、斜切方向朝向晶面族处理后的氮化镓表面，具有大量棱锥凸起的粗糙化形貌。如图8所示为具有0.35
°
斜切角、朝向任意方向斜切的p型氮化镓层表面在本实施例一工艺下的腐蚀结果，表面的均匀一致的层叠棱形凸起形貌，大大增加了表面的粗糙度和不规则形貌。图8所示为采用本实施例一工艺在0.35
°
斜切角下处理p型氮化镓层后，得到的具有均匀台阶流的粗糙化表面的原子力显微镜(afm)形貌图像。根据测试结果可知，本实施例一的方法可在p型氮化镓层形成粗糙化结构。
45.如图9所示，本实施例二还公开了一种表面粗糙化方法，该方法包括如下步骤：
46.步骤s101：在p型氮化镓层的表面形成预定角度范围的斜切角；
47.步骤s102：将p型氮化镓层置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在表面形成粗糙化结构。
48.其中，步骤s101中的斜切角为p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面与面之间或斜切面与(0001)面之间的夹角，斜切面为向着氮化镓晶体的面切割时形成的切面，预定角度范围为0.2
°
～8
°
。斜切角的形成方法包括但不限于激光刻蚀方法。
49.其中，步骤s102的腐蚀过程可参考实施例一的相关描述，在此不进行赘述。
50.上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于microled器件的表面粗糙化方法，其特征在于，所述表面粗糙化方法包括：制备得到microled器件，其中所述microled器件中p型氮化镓层的外表面具有预定角度范围的斜切角；将所述microled器件置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在所述p型氮化镓层的外表面形成粗糙化结构。2.根据权利要求1所述的表面粗糙化方法，其特征在于，所述斜切角为所述p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面与面之间或斜切面与(0001)面之间的夹角，所述斜切面为向着氮化镓晶体的面切割时形成的切面。3.根据权利要求2所述的表面粗糙化方法，其特征在于，所述预定角度范围为0.2
°
～8
°
。4.根据权利要求1所述的表面粗糙化方法，其特征在于，在制备microled器件过程中，采用激光剥离工艺将所述p型氮化镓层从衬底上剥离，在剥离过程中在所述p型氮化镓层的外表面形成斜切角。5.根据权利要求1所述的表面粗糙化方法，其特征在于，所述表面粗糙化方法还包括：将所使用的腐蚀溶液置于超声波水浴设备中进行超声处理。6.根据权利要求1所述的表面粗糙化方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为ph范围为3.0～1.0的酸溶液。7.一种表面粗糙化方法，其特征在于，所述表面粗糙化方法包括：在p型氮化镓层的表面形成预定角度范围的斜切角；将所述p型氮化镓层置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在所述表面形成粗糙化结构。8.根据权利要求7所述的表面粗糙化方法，其特征在于，所述斜切角为所述p型氮化镓层中氮化镓晶体的斜切面与面之间或斜切面与(0001)面之间的夹角，所述斜切面为向着氮化镓晶体的晶面切割时形成的切面，所述预定角度范围为0.2
°
～8
°
。

技术总结
本发明公开了一种表面粗糙化方法。表面粗糙化方法包括：制备得到MicroLED器件，其中MicroLED器件中p型氮化镓层的外表面具有预定角度范围的斜切角；将MicroLED器件置于预先制备的腐蚀溶液中，经过预定时长后在p型氮化镓层的外表面形成粗糙化结构。通过在制备MicroLED器件过程中在p型氮化镓层的外表面形成斜切角度，一方面通过形成斜切角度可以使表面容易形成粗糙化结构，降低了制备工艺的难度和复杂度，另一方面通过调整斜切角度的大小，可控制表面粗糙化的程度。可控制表面粗糙化的程度。可控制表面粗糙化的程度。


技术研发人员：王晓冉 徐耿钊 刘争晖 张春玉
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/14