專利名稱：一種具有六棱錐形p型氮化鎵的發(fā)光二極管制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別一種具有六棱錐形P型氮化鎵的發(fā)光二極管制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基發(fā)光二級管(LED)，因為其高的光效、低的功耗以及無污染等的優(yōu)良特性，已經(jīng)被廣泛研究被已進入大規(guī)模商業(yè)生長。傳統(tǒng)的LED外延片表面平整，因為GaN本身折射率較高(2.52)，和空氣界面的全反射效應(yīng)嚴重，導(dǎo)致有源區(qū)發(fā)出的光線無法從LED中逃逸出來，光提取效率偏低一直是實現(xiàn)高效LED的一個瓶頸。人們也開發(fā)了很多用于改善光提取效率的方法，包括圖形襯底，P型氮化鎵表面粗化，電流擴展層表面粗化以及在LED結(jié)構(gòu)中集成光子晶體(PhC)等等，都取得了明顯的效果。尤其是PhC結(jié)構(gòu)，不但對提高LED光提取效率效果顯著，而且可以對LED發(fā)出的光線進行方向調(diào)制。但是，在這些提高光提取效率的方法中，多數(shù)借助了電子束曝光或者納米壓印的昂貴、復(fù)雜的技術(shù)，這大大限制了這些粗化技術(shù)在商業(yè)LED中的應(yīng)用。另外，多數(shù)表面粗化方法還借助等離子體刻蝕的工藝，這會引入刻蝕缺陷，帶來光子的吸收和電學(xué)性能的退化。自然光刻是上世紀90年代初出現(xiàn)的一種利用自然形成的周期的或者非周期的掩蔽層來實現(xiàn)周期或者非周期的微納級圖形轉(zhuǎn)移的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的刻蝕技術(shù)，自然光刻技術(shù)工藝簡單、成本低廉。隨著近些年化學(xué)領(lǐng)域自組裝技術(shù)的快速發(fā)展和進步，利用自組裝納米球做光刻轉(zhuǎn)移(NSL)的文章和專利紛紛出現(xiàn)，不僅在圖形轉(zhuǎn)移質(zhì)量上有很大的改善，而且在圖形轉(zhuǎn)移的創(chuàng)新應(yīng)用上取得很多可喜的成果。利用NSL技術(shù)可以實現(xiàn)亞微米甚至納米級圖形轉(zhuǎn)移，也可以實現(xiàn)三維圖形的制作和轉(zhuǎn)移。將自然光刻技術(shù)應(yīng)用于在LED中制作PhC以提高LED出光效率，是幾年來的一個研究熱點?？蒲腥藛T在LED的P-GaN層或者電流擴展層上通過自上而下的方式制作PhC，都對LED光提取效率有明顯改善。但是自上而下的制作方案涉及到等離子體刻蝕等工藝，會對LED帶來損傷。值得注意的是，自下而上的選區(qū)外延(SAG)方法(通過人為制作掩蔽圖形以達到在晶圓選定位置上外延所需材料的方法)制作出來的微納結(jié)構(gòu)，表面光滑而沒有刻蝕損傷，缺陷較少甚至無缺陷，是制作低損耗的PhC的有效方法之一?？傊?，尋求一種低成本、大面積且無刻蝕損傷的制作PhC來提高LED的出光效率的方法，顯得很有應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對上述問題而作出的，因此本發(fā)明的目的在于，將選區(qū)外延(SAG)和NSL技術(shù)向結(jié)合，在LED P-GaN表面制作低損耗PhC結(jié)構(gòu)，可以有效的提高LED的出光效率。為此，本發(fā)明公開了一種具有六棱錐形p型氮化鎵的發(fā)光二極管的制備方法，包括:
步驟1:在發(fā)光二極管外延片上沉積掩蔽層；步驟2:所沉積的掩蔽層上涂上光刻膠，并在光刻膠上鋪單層密排自組裝小球；步驟3:對所述單層密排自組裝小球進行曝光后，去除所述單層密排自組裝小球；步驟4:對去除所述單層密排自組裝小球后的所述外延片進行顯影獲得帶有孔洞圖形的光刻膠模板；步驟5:將所述孔洞圖形轉(zhuǎn)移至所述掩蔽層，并去除帶有孔洞圖形的光刻膠模板，獲得帶有孔洞圖形的掩蔽層模板；步驟6:將所述帶有孔洞圖形的掩蔽層模板轉(zhuǎn)移至金屬有機物氣象化學(xué)淀積生長室中，生長出六棱錐狀P型氮化鎵，并去除所述掩蔽層模板，最終獲得具有六棱錐狀P型氮化鎵的發(fā)光二級管外延片。本發(fā)明的上述方法將選區(qū)外延(SAG)和NSL技術(shù)結(jié)合在一起，利用化學(xué)自組裝方法轉(zhuǎn)移圖形到掩蔽層，制作的微納結(jié)構(gòu)可以抑制傳統(tǒng)LED在平整p-GaN表面的全反射效應(yīng)，并且原位生長的微納結(jié)構(gòu)缺陷少，不影響器件電學(xué)性能，可以明顯改善LED的出光效率。


圖1是本發(fā)明中制備氮化鎵基發(fā)光二極管時鋪上單層密排自組裝小球后的的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中制備氮化鎵基發(fā)光二極管時形成帶有孔洞圖形的掩蔽層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中制備氮化鎵基發(fā)光二極管時生長出六棱錐狀p型氮化鎵后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中氮化鎵基發(fā)光二極管制備完成后的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提供了一種具有六棱錐狀p-GaN的LED制備方法，該方法利用自組裝小球轉(zhuǎn)移圖形至掩蔽層，通過選區(qū)外延方法制作六棱錐狀P-GaN以提高LED的出光效率，該方法包括以下步驟:步驟1:選擇一 LED外延片10，該外延片10包括襯底11和GaN外延層12 ;其中襯底可以為藍寶石(sapphire)襯底材料；步驟2:在GaN外延層12上沉積二氧化硅(SiO2)掩蔽層20，以備制作SAG所需的掩蔽圖形；步驟3:在SiO2掩蔽層20上旋涂光刻膠30，該光刻膠厚度依據(jù)鋪的單層密排自組裝小球40的尺寸來確定，最好在I微米以內(nèi)，以保證可以轉(zhuǎn)移亞微米級圖形；步驟4:在光刻膠30上鋪單層密排自組裝小球40，小球陣列為六方密排結(jié)構(gòu)，小球尺寸在亞微米級水平，以方便與后續(xù)做LED器件，也對LED的光提取效率改善明顯；其中，單層密排自組裝小球40的種類可以是聚苯乙烯(PS)小球，也可以是SiO2小球，或者是其他的具有光匯聚作用的透明的自組裝小球；鋪的小球的尺寸可以是微米級，也可以是納米級，根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果以及曝光波長來確定需要鋪的小球的尺寸；步驟5:利用單層密排自組裝小球40的光匯聚作用，進行曝光，其中，曝光波長不能比小球直徑長，以防衍射效應(yīng)的發(fā)生；圖1示出了在所選擇的LED外延片10上沉積SiO2薄膜20，并旋涂光刻膠30，鋪上單層密排自組裝小球后的結(jié)構(gòu)示意圖；步驟6:去除單層密排自組裝小球40，先去球后顯影可以獲得較好的圖形，去球過程中要注意保護光刻膠不受損傷；其中，所述單層密排自組裝小球可以通過等離子水超聲去除，或者藍膜等具有一定粘附性的膠帶粘掉；步驟7:顯影獲得帶有孔洞圖形光刻膠模板，其中，顯影液要和步驟3中所使用光刻膠相配套；步驟8:將圖形轉(zhuǎn)移至SiO2掩蔽層20，去除孔洞圖形光刻膠層，獲得帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層模板80，將該模板要清洗干凈，以保證可以進入金屬有機物氣象化學(xué)淀積(MOCVD)反應(yīng)室；其中，可以通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)實現(xiàn)，也可以通過濕法腐蝕來轉(zhuǎn)移圖形；圖2示出了獲得的帶有孔洞圖形的SiO2的掩蔽層模板80的結(jié)構(gòu)示意圖；步驟9:將帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層模板80放入MOCVD反應(yīng)室里生長p-GaN材料，生長出六棱錐狀P_GaN90 ;生長條件依據(jù)SAG的特性以及想要得到的圖形形狀和大小來確定；步驟10:將帶有六棱錐狀p_GaN90的外延片上的帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層80腐蝕掉，獲得帶有六棱錐狀P-GaN外延片100 ;其中，可以用氫氟酸或者是緩沖氧化蝕刻劑(BOE)溶液腐蝕掉SiO2掩蔽層80 ;圖3示出了所獲得的帶有六棱錐狀P-GaN外延片100。實施例1下面給出本發(fā)明所提供的具有六棱錐狀p-GaN LED的制備方法的實施例，該方法包括:步驟1:選擇一藍光LED外延片，該外延結(jié)構(gòu)包括430微米厚的sapphire襯底和4微米左右的LED外延全結(jié)構(gòu)；步驟2:在LED外延層上用PECVD沉積30納米SiO2掩蔽層；步驟3:在SiO2掩蔽層上旋涂光刻膠RP-3120，厚500納米；步驟4:在光刻膠上鋪單層密排自組裝PS小球，小球直徑約為900納米；步驟5:利用單層密排自組裝PS小球的光匯聚作用，進行曝光，光源波長為325納米;步驟6:用藍膜沾掉單層密排自組裝PS小球；步驟7:顯影獲得帶有孔洞圖形光刻膠層模板，孔洞直徑約400納米；步驟8:將圖形通過ICP刻蝕轉(zhuǎn)移至SiO2掩蔽層，用去膜劑將帶有孔洞圖形的光刻膠去除，獲得帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層，孔洞直徑約400納米；步驟9:將帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層模板放入MOCVD反應(yīng)室里生長p_GaN，生長溫度為950°C，氣壓為500Torr，時間為10.5分鐘，生長出六棱錐狀p_GaN，六棱錐高度約為400nm ；步驟10:將帶有六棱錐狀P-GaN的外延片上的帶有孔洞圖形的SiO2掩蔽層用氫氟酸腐蝕掉，獲得帶有六棱錐狀P-GaN外延片。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有六棱錐形P型氮化鎵的發(fā)光二極管的制備方法，包括: 步驟1:在發(fā)光二極管外延片上沉積掩蔽層； 步驟2:所沉積的掩蔽層上涂上光刻膠，并在光刻膠上鋪單層密排自組裝小球； 步驟3:對所述單層密排自組裝小球進行曝光后，去除所述單層密排自組裝小球； 步驟4:對去除所述單層密排自組裝小球后的所述外延片進行顯影獲得帶有孔洞圖形的光刻膠模板； 步驟5:將所述孔洞圖形轉(zhuǎn)移至所述掩蔽層，并去除帶有孔洞圖形的光刻膠模板，獲得帶有孔洞圖形的掩蔽層模板； 步驟6:將所述帶有孔洞圖形的掩蔽層模板轉(zhuǎn)移至金屬有機物氣象化學(xué)淀積生長室中，生長出六棱錐狀P型氮化鎵，并去除所述掩蔽層模板，最終獲得具有六棱錐狀P型氮化鎵的發(fā)光二級管外延片。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I中所述發(fā)光二極管外延片包括藍寶石襯底和氮化鎵外延片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I中所述掩蔽層為二氧化硅掩蔽層或者其他可進入金屬有機物氣象化學(xué)淀積生長室的非晶掩蔽層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I中所述掩蔽層可以采用等離子體增強化學(xué)氣象沉積或者原子層沉積等方法來沉積。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中所述單層密排自組裝小球為具有光匯聚作用的透明自組裝小球。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3中去除所述單層密排自組裝小球可以利用等離子水超聲方法或者利用具有一定粘附性的膠帶進行粘附的方法。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中所述光刻膠的厚度和步驟3中所述曝光波長均根據(jù)所述單層密排自組裝小球的尺寸確定，所述單層密排自組裝小球的直徑在100納米至3微米之間。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5中所述將孔洞圖形轉(zhuǎn)移至掩蔽層可以通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕或者通過濕法腐蝕方法來實現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟6中所述在金屬有機物氣象化學(xué)淀積生長室生長六棱錐狀P型氮化鎵，其生長條件依據(jù)所需要的六棱錐形狀和大小來確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有六棱錐形p型氮化鎵的發(fā)光二極管制備方法，其包括如下步驟在發(fā)光二級管外延片上沉積掩蔽層；在所沉積掩蔽層上旋涂上光刻膠，并在光刻膠上鋪單層密排自組裝小球；進行曝光，去除所述單層密排自組裝小球；進行顯影獲得帶有孔洞圖形的光刻膠模板；將所述孔洞圖形轉(zhuǎn)移至所述掩蔽層，并去除帶有孔洞圖形的光刻膠模板，獲得帶有孔洞圖形的掩蔽層模板；在所述帶有孔洞圖形的掩蔽層模板上生長出六棱錐狀p型氮化鎵，并去除所述掩蔽層模板，最終獲得帶有六棱錐狀p型氮化鎵的發(fā)光二級管外延片。上述方法將選區(qū)外延和自然光刻技術(shù)相結(jié)合，在發(fā)光二級管p型氮化鎵表面制作低損耗光子晶體結(jié)構(gòu)，可以有效的提高發(fā)光二級管的出光效率。
文檔編號H01L33/00GK103107251SQ201310061428
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者杜成孝, 魏同波, 吳奎, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所