CN100421272C - 光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，包括如下步骤：首先在GaN样品上表面生长一层二氧化硅层，作为刻蚀GaN材料的掩模层；在二氧化硅掩模上旋涂上一层光刻胶，需要是对所用激光感光的光刻胶；取一短波长激光器作为光源，将短波长激光器激光用扩束透镜扩束，扩束后的光再经会聚透镜聚焦，然后照射在光子微结构模板上，光子微结构模板在会聚透镜后，二者间距离Z_T，该模板采用电子束曝光技术制作的模板，其上图形为光子微结构；激光通过光子微结构模板后，将带有光子微结构模板映像在与其距离为Z_T处的GaN样品上，将光子微结构模板的像成在GaN样品的光刻胶掩模上，通过干法刻蚀，将光子微结构可以刻蚀到GaN材料上。

Description

光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法

技术领域

本技术属于光子微结构的研制领域技术，特别涉及白光照明工程中用于提高GaN基蓝光发光二极管出光效率的光子微结构的研制技术。

背景技术

发展半导体照明是未来白光照明的发展趋势，半导体材料和技术的发展以及半导体照明的科研和生产的发展为半导体照明取代传统照明展示了广阔前景。国内外在半导体照明领域投入了大量的人力物力，以期在未来的白光照明的市场上争得一席之地。通常的基于半导体材料白光照明流行的办法是采用基于GaN的蓝光LED泵浦荧光粉获得。但未经处理的GaN LED的出光效率都很低。要实现白光照明工程，关键在于提高氮化镓基LED的出光效率。而光子晶体和光子微结构是被最被看好的方法之一。目前，国际上有许多关于光子晶体结构的文献报道(见文献[1]Shanhui Fan，PierreR.Villeneuve，J.D.Joannopoulos，E.F.Schubert，High Extraction Efficiencyof Spontaneous Emission from Slabs of Photonic Crystals，Physycal Reviewletters，v.78，no.17，1997，3294-3297.[2]Alexei A.Erchak，Daniel J.Ripin，Shanhui Fan，Peter Rakich，John D.Joannopoulos，Erich P.Ippen，Gale S.Petrich and Leslie A.Kolodziejski，Enhanced coupling to vertical radiationusing a two-dimensional photonic crystal in a semiconductor light-emittingdiode，Applied Physics Letters，vol.78，no.5，2001，563-565.)在光子晶体微结构的实验方面，英国研究小组在平板结构的带DBR的AlInGaP LED表面刻蚀一维光子晶体，结果发现总的出光效率达到34％左右。韩国研究小组研究了近红外的InGaAsP LED，在其上加上二维光子晶体后，实验和理论模拟发现其出光效率都有约8-13倍的提高。Fan S.H.等人通过数值模拟计算得出光子晶体结构可以将LED对出光效率提高到94％。其中，光子晶体结构的主要作用是抑制板内的传导模并将传导模提取出板外从而达到出光效率的提高。这证明了利用大晶格常数的光子晶体结构或其他较大尺寸的结构的光子微结构可以较大地提高LED的出光效率。通常在LED芯片上制作光子晶体结构使用常规的电子束曝光和干法刻蚀方法，工艺复杂，价格昂贵，制作的面积小，不利于实用化的光子微结构的LED的制备。而本发明专利提出的方法可以研制各种晶格常数的、制作简便、可以大面积制作光子晶体结构的方法。

以下介绍一下所要利用的制备方法的原理，这就是Talbot效应(Talbot是英国物理学家，该效应由他发现，因此以他的名字命名。以一维光子微结构为例说明。人们发现用相干光照射普通的振幅型光栅时，在离光栅某些特定距离上会形成光栅的像，这是光栅自成像，这种效应称为Talbot效应)。Talbot效应大约是100多年以前，由英国物理学家H.F.Talbot发现，该效应在光学测量、光学阵列自成像等方面有重要应用(S.Nowak et al.，Opt.Lett.22，1430-2(1997).)。以下以一维光子微结构为例说明。光栅自成像原理光路图如图1所示，R为球面波的曲率半径。图1中的G(x₁，y₁)表示光栅，它是用曝光技术在全息干板上记录的正弦光栅。假定全息光栅的周期为d，光栅G(x₁，y₁)的透过率可以表示为：

$G(x_1,y_1)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp \left[j2\mathrm{\π}\frac{n}{d_1}{x}_1\right]---\left(1\right)$

当用点光源发出的球面波照明光栅G时，光栅G后表面的光场分布为：

$U(x,y,0)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Σ}{A}_n\exp \left(\mathrm{jR}\frac{x^2+y^2}{2R}\right)\exp \left[j2\mathrm{\π}\frac{n}{d}x\right]---\left(2\right)$

利用角谱理论对光栅在z处的光场U(x，y，z)进行傅立叶变换最后得到在z处能观察到周期性光场分布函数是：

$U^{\′}(x,y,z)={\left(\frac{R}{R+Z}\right)}^2\exp \left(\mathrm{jkz}\right).---\left(3\right)$

$\exp \left(\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2(R+z)}\right)\·\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp (j2\mathrm{\π}\frac{R}{R+z}\·\frac{1}{d}\mathrm{nx})\exp (-\mathrm{j\π}\frac{\mathrm{\λRz}}{R+z}{\left(\frac{1}{d}\right)}^2{n}^2)$

考虑n＝1，0，-1情况，并设A₁＝A_-1，则光强分布为：

$I(x,y,z)=A_0^2+2A_1^2+4A_0{A}_1\cos \left(\frac{\mathrm{R\λ}}{2d^2}\frac{z}{R+z}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{d}\frac{R}{R+z}x\right)---\left(4\right)$

$+2A_1^2\cos \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{2\mathrm{\λRx}}{(R+z)d}\right]$

当 $\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\λRz}}{R+z}\·\frac{1}{d^2}=\mathrm{m\π},$ m＝1，2，3......    (5)

$U(x,y,z)=C\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp \left[j2\mathrm{\π}\frac{n}{D}x\right]{(-1)}^{{\mathrm{mn}}^2}---\left(6\right)$

令z＝Z_I，式中 $D=\frac{R+Z_T}{R}d$ 为光栅像周期。当写入光为平面波，R→∞，

则

$Z_T=\frac{{\mathrm{md}}^2}{\mathrm{\λ}},$ D＝d                (7)

$U(x,y,z)=C\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{d}x\right)---\left(8\right)$

这是光栅的自成像，像的周期即为光栅周期d。

当入射光波为发散球面波，R＞0，则：

$\frac{{\mathrm{RZ}}_T}{R+Z_T}={\mathrm{md}}^2/\mathrm{\λ},$ $D=\frac{R+Z_T}{Z_T}d>d---\left(9\right)$

这是放大的自成像。

当入射光波是会聚的球面波，R＜0，则成缩小的像：

$\frac{{\mathrm{RZ}}_T}{R+Z_T}={\mathrm{md}}^2/\mathrm{\λ}---\left(10\right)$

$D=\frac{R+Z_T}{Z_T}d<d---\left(11\right)$

对于距离光栅后面距离cm量级的范围内，对于光栅常数为微米量级的光栅自成像的位置基本上是连续的，即基本任意位置上都可以自成像。因为此时(7)式中的m数值很大，在m基数上增加1个整数值，Talbot距离Z_T变化微米量级。这样给利用Talbot效应刻写光栅或光子微结构带来了方便。

在适当条件下，图1实验装置可以刻写小周期光栅。设用作自成像的光栅周期为d，为了得到小周期的光栅像，必须要用会聚球面波，考虑到R＜0，根据式(9)Talbot距离和光栅周期表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_I=\frac{{\left|R\right|}^2\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{mD}-\mathrm{\&lambda;}\left|R\right|}\\ d=\frac{D{\left|R\right|}^2\mathrm{\&lambda;}}{Z_T-\left|R\right|}\frac{1}{{\mathrm{mD}}^2-\mathrm{\&lambda;}\left|R\right|}\end{array}\right.---\left(12\right)$

对于确定周期的光栅，因为式中m是很大的整数，可以按整数变化，因此Talbot距离Z_T是可变化的。另外，由式(9)和式(11)可见，可以通过的变化来调节刻蚀光栅或光子微结构的周期D的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，该方法具有制作简便、能大面积制作的光子微结构的GaN LED，以达到实现实用化的光子微结构高效率、功率型白光LED目的。

本发明一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：首先在GaN样品上表面生长一层二氧化硅，作为刻蚀GaN样品的掩模层；在二氧化硅上旋涂上一层光刻胶，需要是对所用激光感光的光刻胶；

步骤二：取一短波长激光器作为光源；

步骤三：取一扩束透镜，将短波长激光器的激光扩束，扩束后的光再经会聚透镜聚焦；

步骤四：经过扩束透镜和会聚透镜的光束照射到光子微结构模板上，光子微结构模板在会聚透镜后，光子微结构模板与其前面会聚透镜之间的距离为Z_R，该光子微结构模板是采用电子束曝光技术制作的模板，其上图形为光子微结构；

步骤五：激光通过光子微结构模板后，利用Talbot效应，将光子微结构模板映像在与其距离为Z_T处的GaN样品上(光子微结构模板与GaN样品之间距离为Z_T)，将光子微结构模板的像成在GaN样品的光刻胶上，即在光刻胶上形成光子微结构图形；

步骤六：利用已经形成了光子微结构图形的光刻胶作为掩模，通过干法刻蚀，将光子微结构转移到二氧化硅上；

步骤七：利用带有光子微结构图形的二氧化硅作掩模，采用干法刻蚀方法将光子微结构转移到GaN样品上。

其中所用的短波长激光器为短波长的脉冲或连续激光器。

其中所用的短波长激光器的波长为准分子激光器的波长248nm，氮分子激光器的波长337nm或Nd:YAG四倍频激光脉冲激光器的波长266nm。

其中所使用的扩束透镜和会聚透镜将激光光束通过后达到覆盖满光子微结构模板待成像区域，会聚透镜的焦距大于5cm，使得光子微结构模板放置在焦距以内，或放置在距离会聚透镜两倍焦距以外。

其中光子微结构模板和GaN样品的控制平移精度小于50nm，通过调节光子微结构模板到会聚透镜的距离Z_R和调节GaN样品到光子微结构模板的距离Z_T，达到调节GaN样品上所刻蚀光子微结构晶格参数的变化。

本发明的内容是提供一种具有光子微结构的GaN LED结构和制作方法，特别涉及具有较大晶格常数的光子晶体结构的GaN基发光二极管及其制作方法。采用Talbot效应自成像原理的光刻技术以及干法刻蚀的方法，在LED表面刻蚀出周期性的光子微结构，以达到对LED的出光效率大幅度提高。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下进行实施例及附图详细说明如后，其中：

图1利用Talbot效应刻写光栅原理图；

图2Talbot效应刻蚀光子微结构实验装置示意图；

图3Talbot效应在半导体材料上刻写光子微结构流程图。

具体实施方式

请参阅图2并结合参阅图3，本发明一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：首先在GaN样品8上表面生长一层二氧化硅11，作为刻蚀GaN样品的掩模层；在二氧化硅上旋涂上一层光刻胶12，需要是对所用激光感光的光刻胶(图3中)；

步骤2：取一短波长激光器1作为光源；其中所用的短波长激光器1为通常的准分子激光器或氮分子激光器或Nd:YAG四倍频激光脉冲激光器或其他波长的脉冲或连续激光器；所用的短波长激光器1的波长为248nm；氮分子激光器的波长为337nm或Nd:YAG四倍频激光脉冲激光器的波长为266nm；

步骤3：取一扩束透镜2，将短波长激光器的激光扩束，扩束后的光再经会聚透镜4聚焦；其中所使用的扩束透镜2和会聚透镜4将激光光束通过后达到覆盖满光子微结构模板待成像区域，会聚透镜4的焦距大于5cm，使得光子微结构模板6既可以放置在焦距以内，也可以放置在2倍焦距以外；

步骤4：经过扩束透镜2和会聚透镜4的光束照射光子微结构模板6上，光子微结构模板6在会聚透镜4后，二者间距离Z_T，该光子微结构模板是采用电子束曝光技术制作的模板，其上图形为光子微结构；其中光子微结构模板6和GaN样品8的控制平移精度小于50nm，通过调节光子微结构模板到会聚透镜4的距离Z_R和调节GaN样品8到光子微结构模板6的距离Z_T，达到调节在材料上所刻蚀光子微结构晶格参数的变化；

步骤5：激光通过光子微结构模板6后，将光子微结构模板6映像在与其距离为Z_T处的GaN样品8上，将光子微结构模板6的像成在GaN样品8的光刻胶12上，即在光刻胶12上形成光子微结构图形13；

步骤6：利用已经形成了光子微结构图形13的光刻胶12作为掩模，通过干法刻蚀，将光子微结构转移到二氧化硅11上；

步骤7：利用带有光子微结构图形的二氧化硅11作掩模，采用干法刻蚀方法将光子微结构转移到GaN样品10上。

实施例

为了利用Talbot效应研制光子微结构的GaN LED，首先搭建如图2所示的实验装置示意图并结合参阅图3，其中包括：

短波长激光器1，在其后的扩束透镜2，会聚透镜4，距离会聚透镜4距离为L处放置在精密电控平移台7上的光子微结构模板6，在光子微结构模板6后距离Z_T处放置在精密电控平移台9上的GaN样品8或其他半导体样品。

本发明提供一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，主要实施过程为：首先在GaN样品8上表面生长一层二氧化硅11，作为刻蚀GaN样品10的掩模层；在二氧化硅上旋涂上一层光刻胶12，需要是对所用激光感光的光刻胶。取一短波长激光器1作为光源；将短波长激光器的激光利用扩束透镜2扩束，扩束后的光再经会聚透镜4聚焦；经过扩束透镜2和会聚透镜4的光束照射在会聚透镜4后距离Z_T的光子微结构模板6上，该模板是采用电子束曝光技术制作的模板，其上图形为晶格常数约微米量级光子微结构。激光通过光子微结构模板6后，将光子微结构模板6映像在距离光子微结构模板6后距离为Z_T处的GaN样品8上，将光子微结构模板6的像成在GaN样品8的掩模上。也就是说，利用Talbot效应，短波长激光通过照射光子微结构模板6，在光刻胶上形成光子微结构模板6的像，即在光刻胶上形成光子微结构图形13。利用已经形成了光子微结构图形13的光刻胶12作为掩模，通过干法刻蚀，将光子微结构转移到二氧化硅11。利用带有光子微结构图形的二氧化硅11作掩模，采用干法刻蚀方法将光子微结构转移到GaN样品10上。

概括地说，GaN样品10上光子微结构的制作步骤如图3所示，如下：

第一步，制作掩模，在GaN样品10的上表面生长200nm左右的二氧化硅11，作为刻蚀GaN样品10的掩模层；在二氧化硅上旋涂上一百至几百nm厚度的光刻胶12，对所用激光感光的光刻胶；

第二步，利用Talbot效应直写光子微结构。激光经过扩束透镜2和会聚透镜4扩束和聚焦后，通过照射光子微结构模板6，在光刻胶上形成光子微结构模板6的像，即在光刻胶上形成光子微结构图形13；

第三步，刻蚀光子微结构，利用已经形成了光子微结构图形13的光刻胶层作为掩模，通过干法刻蚀，将光子微结构转移到二氧化硅11。利用带有光子微结构图形的二氧化硅作掩模，利用干法刻蚀将光子微结构转移到GaN样品上。由此，可以在GaN样品上合适位置处制备光子微结构。

所述一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，所用光源为短波长激光器1，可以采用通常的准分子激光器(波长248nm)，氮分子激光器(波长337nm)或Nd:YAG四倍频激光脉冲激光器(波长266nm)，也可以采用其他波长的脉冲或连续激光器，只要是作为GaN作为掩模的光刻胶光敏感的波长激光即可。当然，使用短波长激光得到的光子微结构精度更高。所使用的扩束透镜2和会聚透镜4将激光光束通过后达到覆盖满光子微结构模板待成像区域，会聚透镜4的焦距足够长，使得光子微结构模板6既可以放置在焦点以内，也可以放置在2倍焦距以外。

所用GaN样品10可以这样准备：在蓝宝石衬底材料上利用金属汽相沉积法(MOCVD)技术生长约1μm的N型GaN，然后生长约四对GaN量子阱，在其上生长约200nm的P型GaN。

所形成光子微结构的晶格常数与光子微结构模板6上的晶格常数成比例，利用Talbot效应，使用一块光子微结构模板6既可以制作比光子微结构模板6中的晶格小的光子微结构，也可以制作比光子微结构模板6中的光子微结构晶格大的光子微结构。会聚透镜4一般使用凸透镜，焦距较长，5cm以上，焦距确定，也即会聚球面波的曲率半径R也就确定。如果我们将光子微结构模板6置于会聚透镜4的焦点以内，那么就可以使得光子微结构模板6在GaN样品8上成缩小的像，这样就可以制作晶格常数小的光子微结构；如果将光子微结构模板6放置在会聚透镜4的焦点以外大于两倍焦距的位置，那么光子微结构模板6经过激光照射后将在GaN样品8上成放大的像，这样就可以在材料上制作出晶格常数比较大的光子微结构。同时光子微结构的的晶格常数还可以通过调节光子微结构模板6到扩束透镜2的距离Z_R以及与GaN样品8距离Z_T来调节。因此使用一块光子微结构模板6，利用如图2所示的实验装置和Talbot效应原理，我们可以研制出以光子微结构模板6上尺寸为基准的，与其尺寸成比例的多种晶格常数的光子微结构。光子微结构模板6和GaN样品8放置在精密电控调整架上，控制平移精度达到50nm，通过调节光子微结构模板6到会聚透镜4的距离Z_R达到对所刻蚀光子微结构面积大小的调节，通过调节GaN样品8到光子微结构模板6的距离Z_T，达到对在GaN样品8上刻蚀光子微结构晶格常数等参数的变化。

在GaN样品8上光子微结构制备好后，进一步在GaN样品8上制备电极等，完成带光子微结构的GaN LED完整芯片的制作。具体过程如下：利用掩模板光刻并刻蚀台面，刻蚀出N型区的台面；淀积P型透明电极和N型电极。电极采用电子束蒸发的方法将金属淀积到材料表面，然后再采用低温退火的方法来制作的。淀积焊盘材料，形成P型焊盘和N型焊盘。完成整个芯片的制作。

另外制备电极过程也可以在利用上述Talbot效应制备光子微结构之前。

Claims (5)

1. 一种光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：首先在GaN样品上表面生长一层二氧化硅，作为刻蚀GaN样品的掩模层；在二氧化硅上旋涂上一层光刻胶，需要是对所用激光感光的光刻胶；

步骤二：取一短波长激光器作为光源；

步骤三：取一扩束透镜，将短波长激光器的激光扩束，扩束后的光再经会聚透镜聚焦；

步骤四：经过扩束透镜和会聚透镜的光束照射到光子微结构模板上，光子微结构模板在会聚透镜后，光子微结构模板与其前面会聚透镜之间的距离为Z_R，该光子微结构模板是采用电子束曝光技术制作的模板，其上图形为光子微结构；

步骤五：激光通过光子微结构模板后，利用Talbot效应，将光子微结构模板映像在与其距离为Z_T处的GaN样品上，将光子微结构模板的像成在GaN样品的光刻胶上，即在光刻胶上形成光子微结构图形；

步骤六：利用已经形成了光子微结构图形的光刻胶作为掩模，通过干法刻蚀，将光子微结构转移到二氧化硅上；

步骤七：利用带有光子微结构图形的二氧化硅作掩模，采用干法刻蚀方法将光子微结构转移到GaN样品上。

2. 根据权利要求1所述的光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中所用的短波长激光器为短波长的脉冲或连续激光器。

3. 根据权利要求1或2所述的光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中所用的短波长激光器的波长为准分子激光器的波长248nm，氮分子激光器的波长337nm或Nd:YAG四倍频激光脉冲激光器的波长266nm。

4. 根据权利要求1所述的光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中所使用的扩束透镜和会聚透镜将激光光束通过后达到覆盖满光子微结构模板待成像区域，会聚透镜的焦距大于5cm，使得光子微结构模板放置在焦距以内，或放置在距离会聚透镜两倍焦距以外。

5. 根据权利要求1所述的光子微结构GaN基蓝光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中光子微结构模板和GaN样品的控制平移精度小于50nm，通过调节光子微结构模板到会聚透镜的距离Z_R和调节GaN样品到光子微结构模板的距离Z_T，达到调节GaN样品上所刻蚀光子微结构晶格参数的变化。

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