一種碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法
【專利摘要】本發明涉及一種碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，該方法包括：使用皮秒激光對原材料進行掃描輻照，得到具有特定波紋狀表面微結構圖案；再使用紫外光輻照微結構圖案獲得激發的白光發光。本發明的有益效果為：激光能量、離焦量和掃描次數等參數的組合可以實現對SiC表面白光發光圖案發光光譜較高的可控性，能在一定范圍內對其發光光譜進行調制，實現接近太陽光的白光發光；采用編程語言及腳本語言，如VBScript腳本程序設計激光直寫掃描路徑，實現任意指定圖案的激光直寫，控制制備白光發光圖案的形狀；使用的激光掃描系統可對加工圖案進行精確定位，且掃描速度可達2000mm/s，便于進行批量、大面積的加工。
【專利說明】
一種碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體表面激光改性技術領域，尤其涉及一種碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法。
【背景技術】
[0002]白光發光二極管(Whitelight-emitting d1de，WLED)是具有高轉換效率、低能耗、長壽命和高穩定性的半導體電光轉換器件，被普遍認為是替代傳統照明技術的新一代照明手段。與傳統白光光源相比，白光發光二極管的顯著優勢在于能量消耗少。在產出相等照明亮度的白光時，白光發光二極管的能耗將是普通日光燈的一半，是普通白熾燈的八分之一。有研究分析表明⑴，如果將全球的傳統白光照明光源全部替換為低能耗的白光發光二極管光源，每年節省的能量約為1000太瓦時，相對于230座500兆瓦級火力發電站，將減少溫室氣體排放約2億噸。因此，白光發光二極管被公認為高技術產業與綠色產業，有望成為我國新的經濟增長點。
[0003]現有技術中，實現發光二極管白光發光主要有以下三種方案:第一，由紅、綠、藍三種單色LED組成，該方案優點是白光顯色性良好，可用于一些高調顯示設備，缺點是該LED電路結構復雜，使生產成本過高;第二，由藍色光LED與YAG: Ce熒光粉合成白光，其優點是器件結構簡單、效率高、成本最低，缺點是在發光光譜中有缺失，造成顯色性偏低、色溫過高，同時熒光粉中的稀土元素影響器件壽命，稀土資源的開采也受到多方面限制;第三，由紫外光LED激發紅、綠、藍三色熒光合成白光，兼顧了前兩種白光發光方案的特點，可以同時實現較高的顯色性能、發光效率與相對較低的生產成本。但另一方面，基于紫外光LED的白光光源仍然普遍使用含有稀土元素的熒光粉，因其淬滅特性導致工作穩定性不佳，因此關鍵在于找到具有高穩定性、高轉換效率、高顯色性的熒光材料。
[0004]近年來，碳化娃(siliconcarbide，SiC)的發光特性同樣受到廣泛關注，由于其寬帶隙特性，使其成為最早實現藍光發光的電致發光材料。SiC屬于第三代半導體，禁帶寬度可達2.39?3.26eV，在高溫、高頻、大功率、強輻射環境下具有更優良的性能。半導體發光的光譜特性主要由材料的禁帶寬度控制，由于SiC帶隙較寬，同時又有多種η型與P型的摻雜元素，其發光光譜能夠覆蓋整個可見光譜，且顯色性良好，可能成為實現白光照明的單一材料平臺。目前SiC半導體的制備技術與加工技術已日趨完善，但是由于SiC是間接帶隙半導體，在室溫下發光效率較低，SiC基發光材料的發展目前處于停滯狀態。
【發明內容】
[0005]針對上述問題中存在的不足之處，本發明提供一種碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法。
[0006]為實現上述目的，本發明提供一種碳化娃表面微結構白光發光圖案的加工方法，該方法包括:
[0007]步驟101:使用皮秒激光對原材料進行掃描輻照，得到具有特定波紋狀表面微結構圖案；
[0008]步驟102:再使用紫外光輻照微結構圖案獲得激發的白光發光。
[0009]作為本發明進一步改進，
[0010]在步驟101包括:
[0011]步驟1011，原材料為碳化硅單晶基片，將其浸入去離子水浸泡超聲清洗5?10分鐘，使用氣壓為2bar的壓縮空氣吹干，置于干燥器中備用；
[0012]步驟1012，啟動計算機、高精度工作平臺、激光器及其控制系統，使用VBScript腳本程序對任意指定圖案進行直線填充:填充區域覆蓋指定圖案內的各單連通區域或復連通區域，填充方式是使用VBScript腳本程序編譯的圖像輸出命令設定填充起始位置，從連通區域邊界劃豎直直線到另一端邊界為止，使填充線段邊緣包含連通區域的所有邊界，相鄰填充線段間的間隔相等;使用VBScript腳本程序編譯的輸出命令將各填充線段起始坐標位置輸出為G代碼，供激光掃描系統在掃描時調用;設定填充線間隔為10?ΙΟΟμπι，激光掃描路徑為填充圖案的單向直線；
[0013]步驟1013，將樣品固定于高精度工作平臺，設置激光焦點為樣品表面以上2.5?3mm，定位激光掃描區域，固定工作臺，使用激光器為波長為1064nm的皮秒激光器，沿步驟1012中設定之路徑進行激光掃描，激光掃描速度為500?2000mm/S;
[0014]步驟1014，將步驟1013中激光直寫掃描后的碳化硅樣品浸入去離子水中浸泡超聲清洗5?10分鐘，烘干后，得到具有白光發光性質的碳化硅微結構白光發光圖案。
[0015]作為本發明進一步改進，步驟1013中，所述皮秒激光器的單脈沖能量為40?120μJ;
[0016]所述皮秒激光器的重復頻率為200?500kHz，離焦量為+2.5?3mm;
[0017]所述激光掃描圖案填充線間隔為10?ΙΟΟμπι;
[0018]所述激光掃描速度為500?2000mm/s，單一直線單向掃描次數為80?500次。
[0019]作為本發明進一步改進，所述微結構圖案的特征為準周期性波紋狀，其周期為10?120μηι，波紋高度為10?120μηι。
[0020]作為本發明進一步改進，所述皮秒激光的脈沖寬度小于等于10ps。
[0021]作為本發明進一步改進，所述單向直線為:單一直線單向掃描預定的設定次數后，以相同次數掃描下一條直線，直到將設定的掃描路徑全部掃描完畢。
[0022]作為本發明進一步改進，設定單一直線單向掃描次數為80?500次。
[0023]本發明的有益效果為:激光能量、離焦量和掃描次數等參數的組合可以實現對SiC表面白光發光圖案發光光譜較高的可控性，能在一定范圍內對其發光光譜進行調制，實現接近太陽光的白光發光;采用編程語言及腳本語言，如VBScript腳本程序設計激光直寫掃描路徑，實現任意指定圖案的激光直寫，控制制備白光發光圖案的形狀;使用的激光掃描系統可對加工圖案進行精確定位，且掃描速度可達2000mm/s，便于進行批量、大面積的加工。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例1提供的碳化硅白光發光表面圖案微結構的激光共聚焦顯微照片。
[0025]圖2為本發明實施例1提供的碳化硅白光發光表面圖案的XRD圖。
[0026]圖3為本發明實施例1提供的碳化硅白光發光表面圖案的發光光譜。
[0027]圖4為本發明實施例2提供的激光直寫技術設計并制備的“Sif發光圖。
[0028]圖5為本發明實施例2提供的激光直寫技術設計并制備的“SiC”發光圖案受激光激發時白光發光不意圖。
【具體實施方式】
[0029]實施例1，采用皮秒激光表面處理技術實現批量生產形狀可控的紫外光激發白色熒光發光表面。利用了皮秒激光的極高峰值功率，使SiC材料在空氣中反復汽化電離并冷卻沉積，形成具有高光吸收率的非晶態微波紋結構表面層;并且，在此過程中材料中摻入空氣中的O元素，O與SiC中的Si不均勻鍵合，形成大量缺氧缺陷與富氧缺陷，這些缺陷作為發光中心使此表面層具有覆蓋整個可見光譜的白光熒光特性。SiC的汽化電離和冷卻沉積過程可以通過激光能量、離焦量和掃描次數加以控制，從而控制表面發光圖案的發光光譜，得出最佳的發光效率和顯色性;可以通過使用編程語言及腳本語言，如VBScript腳本程序設計激光直寫掃描路徑，實現任意指定圖案的激光直寫，控制制備白光發光圖案的形狀。該皮秒激光直寫制備碳化硅表面微結構白光發光圖案的制備方法，包括以下步驟:
[0030]a)將碳化硅單晶基片浸入去離子水浸泡超聲清洗5?10分鐘，使用氣壓為2bar的壓縮空氣吹干，置于干燥器中備用；
[0031]b)啟動計算機、高精度工作平臺、激光器及其控制系統，使用VBScript腳本程序對任意指定圖案進行直線填充:填充區域覆蓋指定圖案內的各單連通區域或復連通區域，填充方式是使用VBScript腳本程序編譯的圖像輸出命令設定填充起始位置，從連通區域邊界劃豎直直線到另一端邊界為止，使填充線段邊緣包含連通區域的所有邊界，相鄰填充線段間的間隔相等;使用VBScript腳本程序編譯的輸出命令將各填充線段起始坐標位置輸出為G代碼，供激光掃描系統在掃描時調用;設定填充線間隔為10?ΙΟΟμπι，激光掃描路徑為填充圖案的單向直線，即單一直線單向掃描預定的設定次數后，以相同次數掃描下一條直線，直到將設定的掃描路徑全部掃描完畢，設定單一直線單向掃描次數為80?500次；
[0032]c)將樣品固定于高精度工作平臺，設置激光焦點為樣品表面以上2.5?3mm，定位激光掃描區域，固定工作臺，使用激光器為波長為1064nm的皮秒激光器，設定單脈沖能量為40?120yJ，重復頻率為200?500kHz，沿b)中設定之路徑進行激光掃描，激光掃描速度為500?2000mm/s；
[0033]d)將c)中激光直寫掃描后的碳化硅樣品浸入去離子水中浸泡超聲清洗5?10分鐘，烘干后，得到具有白光發光性質的碳化硅微結構白光發光圖案。本實施例采用邊長為5mm的正方形η型6H-SiC單晶樣品，樣品厚度為340μπι，表面采用化學機械法拋光。將碳化硅單晶樣品浸入去離子水超聲清洗10分鐘，烘干后固定于靶臺上。使用激光器為波長為1064nm的皮秒激光器，脈沖寬度為10ps，設定單脈沖能量為65yJ，重復頻率為200kHz。使用VBScript腳本程序設定掃描區域為邊長為5mm的正方形，將定位原點設定為正方形左上角。對掃描區域進行直線填充，填充線間隔為ΙΟμπι，設定激光掃描路徑為填充圖案的單向直線。調整光路，設置激光焦點為樣品表面以上2.8_，定位激光掃描區域原點為碳化硅單晶樣品左上角，固定靶臺。設定激光掃描速度為1000mm/S，打開氣簾裝置與排氣裝置，對碳化硅單晶樣品進行激光重復線掃描，單一直線掃描次數為300次。激光掃描結束后，將碳化硅樣品浸入去離子水中超聲清洗10分鐘，烘干后，得到具有白光發光性質的碳化硅微結構白光發光圖案。
[0034]如圖1所示，激光共聚焦顯微照片顯示，在皮秒激光掃描后，碳化硅單晶表面形成微波紋結構表面層，該微波紋結構排布方向與激光掃描方向一致，該結構周期約為80μπι、高約為IΟΟμ??。這一表面結構顯著提高了表面對光的吸收率，使碳化硅白光發光圖案對激發光的吸收率提尚，從而提尚了光轉化效率。
[0035]如圖2所示，XRD圖顯示激光掃描的產物除了原碳化硅單晶中的SiC(衍射角35.6°峰)外，由于在電離過程中空氣中的O元素摻入，與SiC中的Si元素形成化學鍵，還產生了非晶態的S1x物質(衍射角16?32°非晶包，25倍強度顯示)。
[0036]本實施例的白光光譜如圖3所示，激發光為波長為325nm的紫外He-Cd激光。該發光光譜是覆蓋整個可見光譜的連續譜，具有較高的顯色性，根據所得光譜擬合的色度坐標為(:比1931(0.3048，0.3817)，色溫為57001(。
[0037]實施例2
[0038]以所述的相同步驟重復實施例1，區別在于使用VBScript腳本程序設定掃描區域為“SiC"圖案，圖案尺寸為1.2mm*0.8mm，得到具有形狀特征的碳化硅白光熒光發光圖案。發光圖案的顯微照片與白光熒光效果如圖4所示，其中激發光為波長為325nm的紫外He-Cd激光，激發光光斑尺寸約為2_。綜合上述實施例，可以看出本發明有效制備了一種可激光直寫任意形狀圖案的碳化硅白光熒光表面層，其發光光譜在可見光譜中填充飽滿，顯色性較高；由于SiC本身具有極高的熱穩定性、抗腐蝕型、抗輻射性，使發光性能具有較好穩定性；該發光層的缺陷發光性質，克服了 SiC間接帶隙的特性，大大提高發光效率和光轉化效率。
[0039]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種碳化娃表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于，該方法包括: 步驟101:使用皮秒激光對原材料進行掃描輻照，得到具有特定波紋狀表面微結構圖案； 步驟102:再使用紫外光輻照微結構圖案獲得激發的白光發光。2.根據權利要求1所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于: 在步驟101包括: 步驟1011，原材料為碳化硅單晶基片，將其浸入去離子水浸泡超聲清洗5?10分鐘，使用氣壓為2bar的壓縮空氣吹干，置于干燥器中備用； 步驟1012，啟動計算機、高精度工作平臺、激光器及其控制系統，使用VBScript腳本程序對任意指定圖案進行直線填充:填充區域覆蓋指定圖案內的各單連通區域或復連通區域，填充方式是使用VBScript腳本程序編譯的圖像輸出命令設定填充起始位置，從連通區域邊界劃豎直直線到另一端邊界為止，使填充線段邊緣包含連通區域的所有邊界，相鄰填充線段間的間隔相等;使用VBScript腳本程序編譯的輸出命令將各填充線段起始坐標位置輸出為G代碼，供激光掃描系統在掃描時調用;設定填充線間隔為10?ΙΟΟμπι，激光掃描路徑為填充圖案的單向直線； 步驟1013，將樣品固定于高精度工作平臺，設置激光焦點為樣品表面以上2.5?3mm，定位激光掃描區域，固定工作臺，使用激光器為波長為1064nm的皮秒激光器，沿步驟1012中設定之路徑進行激光掃描，激光掃描速度為500?2000mm/s; 步驟1014，將步驟1013中激光直寫掃描后的碳化硅樣品浸入去離子水中浸泡超聲清洗5?10分鐘，烘干后，得到具有白光發光性質的碳化硅微結構白光發光圖案。3.根據權利要求2所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于: 步驟1013中，所述皮秒激光器的單脈沖能量為40?120μJ ； 所述皮秒激光器的重復頻率為200?500kHz，離焦量為+2.5?3mm; 所述激光掃描圖案填充線間隔為1?I ΟΟμπι; 所述激光掃描速度為500?2000mm/s，單一直線單向掃描次數為80?500次。4.根據權利要求1所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于:所述微結構圖案的特征為準周期性波紋狀，其周期為10?120μπι，波紋高度為10?120μπι。5.根據權利要求1所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于:所述皮秒激光的脈沖寬度小于等于1ps。6.根據權利要求2所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于:所述單向直線為:單一直線單向掃描預定的設定次數后，以相同次數掃描下一條直線，直到將設定的掃描路徑全部掃描完畢。7.根據權利要求6所述的碳化硅表面微結構白光發光圖案的加工方法，其特征在于:設定單一直線單向掃描次數為80?500次。
【文檔編號】H01L21/268GK105931953SQ201610312525
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】季凌飛, 王思聰, 吳燕, 胡莉婷, 閆胤洲, 蔣毅堅
【申請人】北京工業大學