CN102709410B - 纳米柱发光二极管的制作方法 - Google Patents

纳米柱发光二极管的制作方法 Download PDF

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一种纳米柱发光二极管的制作方法，包括：在蓝宝石衬底上依次外延u-GaN层、n型GaN层、二氧化硅掩蔽层和聚苯乙烯球；采用加热和ICP的方法，刻蚀聚苯乙烯球；采用加温处理，使聚苯乙烯球在二氧化硅掩蔽层的表面有稍微塌陷，把点接触变成面接触；在其上蒸金属；去除聚苯乙烯球表面的金属；采用加热处理和刻蚀二氧化硅掩蔽层；酸液腐蚀去掉金属掩膜，形成二氧化硅纳米孔状阵列结构；在其上依次外延MQW层、EBL层和p-GaN层，形成基片，在基片上生长ITO透明电极；分割成小芯片，将小芯片置于BOE溶液中超声时间为80s，使二氧化硅纳米孔状阵列结构的二氧化硅掩蔽层被腐蚀掉后，被空气包覆，完成器件的制备。该方法使用自组装技术，工艺简单，技术先进，有利于大规模生产。

Description

纳米柱发光二极管的制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指氮化镓基纳米柱发光二极管的纳米柱结构的形成，以及形成的纳米柱LED结构。在纳米线结构中生长量子阱。
背景技术
GaN基LED作为固态光源一经出现就以其高效、长寿命、环保等优点，被视为爱迪生发明电灯后人类照明史上的第二次革命，成为国际上半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。但GaN基LED进入通用照明领域，在技术上和成本上还面临许多难题，需进一步提高LED的内量子发光效率和光提取效率。
采用纳米柱多量子阱结构可提高LED的发光效率，该方法使用自组装技术，工艺简单，技术先进，有利于大规模生产。
发明内容
本发明的目的是提出一种纳米柱发光二极管的制作方法，进一步提高GaN基LED的光提取效率。
本发明提供一种纳米柱发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上依次外延u-GaN层和n型GaN层，采用PECVD的方法，在n型GaN层上沉积二氧化硅掩蔽层；
2)在二氧化硅掩蔽层上排列一单层紧密排列的聚苯乙烯球；
3)置于80℃空气气氛中加热，使聚苯乙烯球与二氧化硅掩蔽层结合牢固；
4)采用ICP的方法，刻蚀聚苯乙烯球，经过刻蚀后，聚苯乙烯球间距变大，球半径减小；
5)加温处理，加温的温度为105℃，时间为1-5min，使聚苯乙烯球在二氧化硅掩蔽层的表面有稍微塌陷，把点接触变成面接触；
6)在聚苯乙烯球的表面、间隙及二氧化硅掩蔽层表面蒸金属；
7)甲苯超声去除聚苯乙烯球表面的金属；
8)加热处理，使聚苯乙烯球气化，二氧化硅掩蔽层上形成网孔状的金属掩膜，该金属掩膜的材料为Al或Cr；
9)刻蚀二氧化硅掩蔽层，刻蚀深度到达n型GaN层的表面；
10)酸液腐蚀去掉金属掩膜，形成二氧化硅纳米孔状阵列结构，该二氧化硅纳米孔状阵列结构包括二氧化硅纳米孔；
11)在二氧化硅纳米孔中依次外延MQW层、EBL层和p-GaN层，该p-GaN层的高度与二氧化硅纳米孔状阵列结构的高度相同，形成基片，在基片上生长ITO透明电极，至此形成纳米线中的量子阱结构；
12)用划片或切割的方法分割成小芯片，将小芯片置于BOE溶液中超声时间为80s，使二氧化硅纳米孔状阵列结构的二氧化硅掩蔽层被腐蚀掉后，被空气包覆，完成器件的制备。
附图说明
为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：
图1为本发明GaN基LED外延材料结构立体示意图，在蓝宝石衬底10上采用外延的方法形成u-GaN层11、n-GaN层12、二氧化硅掩蔽层13；
图2是本发明聚苯乙烯球俯视图，其中13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球；
图3是本发明的聚苯乙烯球排列在二氧化硅掩蔽层上的截面图，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球；
图4是本发明采用ICP刻蚀聚苯乙烯球，球半径变小后的截面图，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球；
图5是本发明采用ICP刻蚀聚苯乙烯球，球半径变小后的俯视图，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球；
图6是在聚苯乙烯球、二氧化硅掩蔽层表面蒸金属Al或Cr后超声清洗掉聚苯乙烯球上的金属后的截面图，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球，Al或Cr的金属掩膜60；
图7是本发明高温去除聚苯乙烯球，剩下金属掩膜的截面图，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、13为二氧化硅掩蔽层，20为聚苯乙烯球，60为金属掩膜；
图8是本发明腐蚀金属掩膜，形成纳米孔状阵列结构的截面图，剩余部分为金属掩膜和未刻蚀掉的二氧化硅掩蔽层，其中10为蓝宝石衬底，11为u-GaN层、12为n-GaN层、80为二氧化硅纳米孔状阵列结构、81为二氧化硅纳米孔，60为金属掩膜；
图9是本发明为二氧化硅纳米孔81中外延MQW层90，EBL层(电子阻挡层)91，p型GaN层92，形成ITO透明电极93的截面图；
图10划片后，80为二氧化硅纳米网格后的截面图，其中90为MQW层90，91为EBL层(电子阻挡层)，92为p型GaN层，93为ITO透明电极，100为空气。
具体实施方式
请参阅图1至图10所示，本发明提供一种纳米柱发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底10上依次外延u-GaN层11和n-GaN层12(如图1)，采用PECVD的方法，在n-GaN层12上沉积二氧化硅掩蔽层13(如图1)，该二氧化硅掩蔽层13的厚度约为400-1000nm；
步骤2：在二氧化硅掩蔽层13上排列一单层紧密排列的聚苯乙烯球20(图2、图3)，或者二氧化硅球，还包括其它无机、有机高分子球；
步骤3：置于80℃空气气氛中加热10min，使聚苯乙烯球20与基底二氧化硅掩蔽层13结合牢固；
步骤4：采用ICP的方法，刻蚀聚苯乙烯球20，刻蚀气体为氧气，氧流量70sccm，腔压6mTorr，起辉功率为300W，溅射功率为10W，刻蚀时间为1-2min；经过ICP刻蚀后，聚苯乙烯球20球间距变大，球半径减小(图4、图5)。PS球在二氧化硅掩蔽层13表面稍有塌陷。
步骤5：加温处理，加温的温度为105℃，时间为1-5min；
步骤6：在聚苯乙烯球20、二氧化硅掩蔽层13表面蒸金属A或Cr等其它金属掩膜体系，金属掩膜的厚度约为100-200nm。
步骤7：甲苯超声5min去除聚苯乙烯球20表面的金属掩膜，使二氧化硅掩蔽层13上的金属掩膜结合较紧，不会被剥离(图6)。
步骤8：加热处理，加热的温度为400-600℃，时间为10-30min，使聚苯乙烯球20气化，在二氧化硅掩蔽层13上形成网孔状金属掩膜60(图7)。
步骤9：采用ICP的方法，刻蚀二氧化硅掩蔽层13，刻蚀深度到达n型GaN层12的表面(如图8)；
步骤10：再腐蚀金属掩膜60，形成二氧化硅纳米孔状阵列结构80，该二氧化硅纳米孔状阵列结构80包括二氧化硅纳米孔81(图8)；
步骤11：在二氧化硅纳米孔81中依次外延MQW层90(图9)、EBL层91(图9)和p-GaN层92(图9)，该p-GaN层92的高度与二氧化硅纳米孔状阵列结构80的高度相同，形成基片，在基片上生长ITO透明电极93(图9)，至此形成纳米线中的量子阱结构；
步骤12：采用划片或切割的方法分割成小芯片，小芯片的尺寸为7×9mil、10×23mil等，将小芯片置于BOE溶液中约80s，使二氧化硅纳米孔状阵列结构80的二氧化硅掩蔽层13被腐蚀掉后，被空气100包覆(图10)，完成器件的制备。
此工艺也可以拿来做其III/V，II/VI族半导体纳米柱器件结构。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种纳米柱发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上依次外延u-GaN层和n型GaN层，采用PECVD的方法，在n型GaN层上沉积二氧化硅掩蔽层；
2)在二氧化硅掩蔽层上排列一单层紧密排列的聚苯乙烯球；
3)置于80℃空气气氛中加热，使聚苯乙烯球与二氧化硅掩蔽层结合牢固；
4)采用ICP的方法，刻蚀聚苯乙烯球，经过刻蚀后，聚苯乙烯球间距变大，球半径减小；
5)加温处理，加温的温度为105℃，时间为1-5min，使聚苯乙烯球在二氧化硅掩蔽层的表面有稍微塌陷，把点接触变成面接触；
6)在聚苯乙烯球的表面、间隙及二氧化硅掩蔽层表面蒸金属；
7)甲苯超声去除聚苯乙烯球表面的金属；
8)加热处理，使聚苯乙烯球气化，二氧化硅掩蔽层上形成网孔状的金属掩膜，该金属掩膜的材料为Al或Cr；
9)刻蚀二氧化硅掩蔽层，刻蚀深度到达n型GaN层的表面；
10)酸液腐蚀去掉金属掩膜，形成二氧化硅纳米孔状阵列结构，该二氧化硅纳米孔状阵列结构包括二氧化硅纳米孔；
11)在二氧化硅纳米孔中依次外延MQW层、EBL层和p-GaN层，该p-GaN层的高度与二氧化硅纳米孔状阵列结构的高度相同，形成基片，在基片上生长ITO透明电极，至此形成纳米线中的量子阱结构；
12)用划片或切割的方法分割成小芯片，将小芯片置于BOE溶液中超声时间为80s，使二氧化硅纳米孔状阵列结构的二氧化硅掩蔽层被腐蚀掉后，被空气包覆，完成器件的制备。
2.根据权利要求1所述的纳米柱发光二极管的制作方法，其中采用ICP的方法刻蚀聚苯乙烯球，刻蚀气体为氧气，氧流量70sccm，腔压6mTorr，起辉功率为300W，刻蚀功率为10W，刻蚀时间为1-2min。
3.根据权利要求1所述的纳米柱发光二极管的制作方法，其中甲苯超声5min去除聚苯乙烯球表面的金属，使二氧化硅掩蔽层上的金属结合较紧，不会被剥离。
4.根据权利要求1所述的纳米柱发光二极管的制作方法，其中加热处理的温度为400-600℃，时间为10-30min。
5.根据权利要求1所述的纳米柱发光二极管的制作方法，其中用划片或切割的方法分割成的小芯片的尺寸为7×9mil、10×23mil。
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