CN102956774B - 制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法 - Google Patents

制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法 Download PDF

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Abstract

一种制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，包括：在蓝宝石衬底上依次生长的非故意掺杂氮化镓层上依次生长的n型氮化镓层、量子阱层和p型GaN层；在p型GaN层上沉积PS球层；沉积SiO2层；高温下灼烧，在PS球层的位置得到规整的纳米级孔；沉积金属层；腐蚀掉SiO2层和金属层；在p型GaN层向下腐蚀，形成纳米级GaN柱阵列；在纳米级GaN柱阵列之间填充绝缘物，去除纳米级GaN柱阵列之间的部分填充绝缘物，使纳米级GaN柱阵列中的p型GaN层露出，形成纳米级柱LED芯片；在芯片的表面蒸镀透明导电层；在纳米级GaN柱阵列的一侧制作N电极台面，在N电极台面制作N金属电极，在纳米级GaN柱阵列的上面制作P金属电极；划片裂片封装，完成制备。

Description

制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指纳米级柱形正装结构氮化镓发光二级管阵列的制作方法。
背景技术
GaN基发光二级管在室内照明、交通信号灯、电视、手机、液晶显示背光源、路灯等方面有着非常广泛的应用，其中，如何替代荧光灯、白炽灯等传统照明工具成为新一代绿色光源则是其应用中最有发展前景的研究课题。目前，发光二级管的发光效率仍需要进一步提高，它由内量子效率和光提取效率决定。其中，蓝光LED的内量子效率已经可以达到70％以上，所以，如何提高光提取效率则尤其关键。
影响光提取效率的因素主要是由于半导体材料和空气的折射率差较大所造成，而表面粗化是提高光提取效率的一个最为常用的方法。其中，湿法腐蚀避免了外延层的损伤，实验周期短，成本相对较低，是一种简便易行的方法。但是，一般的湿法腐蚀对于粗化的尺寸和深度不好控制，因此，如何实现粗化的尺寸控制，并且向更加微小级别尺寸发展成为其一大难题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，采用PS球作为柱形LED的掩膜，借助其尺寸上的特点，使用金属作为光遮挡层，同时，采用光电化学腐蚀的方法，利用KOH溶液腐蚀GaN外延层后，去掉金属，从而实现了纳米级的柱形阵列GaN基LED。此种方法实现了湿法腐蚀对于纳米柱形阵列LED柱形尺寸的有效控制，从而有效的提高光提取效率。
本发明提供一种制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，包括：
步骤1：选择一外延结构，该外延结构包括在蓝宝石衬底上依次生长的非故意掺杂氮化镓层上依次生长的n型氮化镓层、量子阱层和p型GaN层；
步骤2：在p型GaN层上沉积PS球层；
步骤3：在PS球层之间缝隙中沉积SiO2层，形成带有掩膜的LED芯片；
步骤4：高温下灼烧带有掩膜的LED芯片，使PS球层碳化挥发，在PS球层的位置得到规整的纳米级孔；
步骤5：在规整的纳米级孔和SiO2层上沉积金属层；
步骤6：采用稀HF酸溶液腐蚀掉SiO2层和SiO2层上面的金属层；
步骤7：利用光电化学腐蚀方法，在p型GaN层向下腐蚀，腐蚀深度到达n型氮化镓层内，形成纳米级GaN柱阵列；
步骤8：采用湿法腐蚀去掉金属层，在纳米级GaN柱阵列之间填充绝缘物，去除纳米级GaN柱阵列之间的部分填充绝缘物，使纳米级GaN柱阵列中的p型GaN层露出，形成纳米级柱LED芯片；
步骤9：在纳米级柱LED芯片的表面蒸镀透明导电层；
步骤10：通过光刻和ICP刻蚀工艺，在纳米级GaN柱阵列的一侧制作N电极台面，在N电极台面制作N金属电极，在纳米级GaN柱阵列的上面制作P金属电极；
步骤11：划片裂片封装，完成制备。
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为本发明的制备流程图；
图2为外延结构的示意图；
图3为沉积PS球层后继续沉积SiO2层后的俯视图；
图4为烧掉PS球层沉积一层金属层后的示意图；
图5为采用光电化学腐蚀氮化镓LED层后得到的LED纳米柱阵列结构示意图。
具体实施方式
本发明的关键是采用PS球制作金属掩膜，保护其下面的外延层结构不被光电化学方法腐蚀，去掉SiO2层，然后通过湿法腐蚀的方法将外延层结构腐蚀到n-GaN，最终形成由金属掩膜覆盖的氮化镓纳米图形阵列，去掉金属掩膜，填充硅胶，通过传统LED工艺得到纳米柱形阵列的发光二级管。此方法制作的纳米阵列的LED，能够有效改善柱形发光LED的应力，增强内量子效率，同时，由于其结构上的特点，有效提高了光提取效率。
请参阅图1并结合参阅图2至图5所示，本发明提供一种制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，包括：
步骤1：选择一外延结构10，该外延结构10包括在蓝宝石衬底1上依次生长的非故意掺杂氮化镓层2上依次生长的n型氮化镓层3、量子阱层4和p型GaN层5(参阅图2)。其中，外延结构10厚度不可过薄，否则影响材料质量；
步骤2：在p型GaN层5上沉积PS球层20(参阅图3)，所述的PS球20的直径为100-600nm，间距为100-300nm。在拉膜的过程中，速度直接影响膜质量的好坏，为得到均匀的膜，并且使PS直接能够保持一定的距离间隔，需要控制好拉膜速度；
步骤3：在PS球层20之间缝隙中沉积SiO2层30(参阅图4)，形成带有掩膜的LED芯片。其中所述的SiO2层30应该足够厚，能有效转移金属层40；
步骤4：高温下灼烧基片，使PS球层20挥发，在PS球层20的位置得到规整的纳米级孔21。煅烧去除PS球，得到二维规整纳米级孔，之后用丙酮和乙醇清洗以去除表面残留的有机物和杂质；
步骤5：在规整的纳米级孔21和SiO2层30上沉积金属层40金属层40为一层Ni、Pt、Au、Ag和Al中的一种或者它们所组成的金属体系。沉积金属层时采用电子束蒸发的方法，注意对金属层厚度的控制，以便后续步骤中有利于对SiO2层30的腐蚀；
步骤6：采用稀HF酸溶液腐蚀掉SiO2层30和SiO2层30上面的金属层40；
步骤7：利用光电化学腐蚀方法，在p型GaN层5向下腐蚀，腐蚀深度到达n型氮化镓层3内，形成纳米级GaN柱阵列11(参阅图5)，所述的光电化学腐蚀方法的溶液为KOH溶液或H3PO4溶液，溶液浓度为0.1mol/L-10mol/L，溶液温度为25℃-100℃，溶液类型的选择决定了腐蚀的机理，腐蚀的温度和腐蚀的时间影响腐蚀的纵向速度和横向速度，由此决定了纳米柱的形貌、直径等；
步骤8：采用湿法腐蚀去掉金属层40，在纳米级GaN柱阵列11之间填充绝缘物12，去除纳米级GaN柱阵列11之间的部分填充绝缘物12，使纳米级GaN柱阵列11中的p型GaN层5露出，形成纳米级柱LED芯片，所述的绝缘物12包括光刻胶、硅胶或PMMA，去除绝缘物12的方法为等离子体轰击、曝光或湿法腐蚀；
步骤9：在芯片的表面蒸镀透明导电层，所述的透明导电层包括ITO、ZnO或石墨烯，起到电流扩展和透光作用；
步骤10：通过光刻和ICP刻蚀工艺，在纳米级GaN柱阵列11的一侧制作N电极台面，在N电极台面制作N金属电极，在纳米级GaN柱阵列11的上面制作P金属电极，所述的N金属电极和P金属电极的材料为Ni、Pt、Au、Ag或Al，或及其组合；
步骤11：划片裂片封装，完成制备。
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 (7)

1.一种制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，包括：
步骤1：选择一外延结构，该外延结构包括在蓝宝石衬底上依次生长的非故意掺杂氮化镓层上依次生长的n型氮化镓层、量子阱层和p型GaN层；
步骤2：在p型GaN层上沉积PS球层；
步骤3：在PS球层之间缝隙中沉积SiO2层，形成带有掩膜的LED芯片；
步骤4：高温下灼烧带有掩膜的LED芯片，使PS球层碳化挥发，在PS球层的位置得到规整的纳米级孔；
步骤5：在规整的纳米级孔和SiO2层上沉积金属层；
步骤6：采用稀HF酸溶液腐蚀掉SiO2层和SiO2层上面的金属层；
步骤7：利用光电化学腐蚀方法，在p型GaN层向下腐蚀，腐蚀深度到达n型氮化镓层内，形成纳米级GaN柱阵列；
步骤8：采用湿法腐蚀去掉金属层，在纳米级GaN柱阵列之间填充绝缘物，去除纳米级GaN柱阵列之间的部分填充绝缘物，使纳米级GaN柱阵列中的p型GaN层露出，形成纳米级柱LED芯片；
步骤9：在纳米级柱LED芯片的表面蒸镀透明导电层；
步骤10：通过光刻和ICP刻蚀工艺，在纳米级GaN柱阵列的一侧制作N电极台面，在N电极台面制作N金属电极，在纳米级GaN柱阵列的上面制作P金属电极；
步骤11：划片裂片封装，完成制备。
2.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的PS球的直径为100-600nm，间距为100-300nm。
3.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的金属层的材料为Ni、Pt、Au、Ag或Al，或及其组合。
4.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的光电化学腐蚀方法的溶液为KOH溶液或H3PO4溶液，溶液浓度为0.1mol/L-10mol/L，溶液温度为25℃-100℃。
5.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的绝缘物包括光刻胶、硅胶或PMMA；去除绝缘物的方法为等离子体轰击、曝光或湿法腐蚀。
6.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的透明导电层包括ITO、ZnO或石墨烯。
7.根据权利要求1所述的制作纳米级柱形阵列氮化镓基正装结构发光二级管的方法，其中所述的N金属电极和P金属电极的材料为Ni、Pt、Au、Ag或Al，或及其组合。
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