CN103022299A

CN103022299A - 制备微纳米柱发光二极管的方法

Info

Publication number: CN103022299A
Application number: CN2012105790638A
Authority: CN
Inventors: 安铁雷; 孙波; 孔庆峰; 魏同波; 段瑞飞
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明提供了一种制备微纳米柱发光二极管的方法。该方法包括：在发光二极管外延片上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；采用物理刻蚀的方式，将周期结构图形掩模转移至发光二极管外延片，形成微纳米柱；在发光二极管外延片上微纳米柱的间隙填充中间绝缘介质；去除发光二极管外延片上周期结构图形掩模，以及在填充中间填充绝缘介质的发光二极管外延片上制作电极，形成微纳米柱发光二极管。本发明采用周期性的图形化掩模，刻蚀得到相同大小的结构空隙，从而在填充绝缘介质时，尽可能的保证绝缘介质的填充均匀，从而解决了正反向漏电大的技术问题。

Description

制备微纳米柱发光二极管的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种制备微纳米柱发光二极管的方法。

背景技术

微纳米柱氮化镓GaN基LED是最近兴起的一种LED结构。在该微纳米柱GaN基LED中，具有较大的比表面积，有源区产生的光子可以从侧壁直接出射，还可以通过多次反射增加逃逸的机会，这就减小了材料和空气界面处的全反射带来的影响，从而使得光的提取效率得到了显著的提高。另一方面，微纳米柱GaN基LED会使得作用在量子阱区的应力得到一定程度的释放，从而减小压电极化效应、降低能带倾斜程度，这就增加了电子和空穴的波函数的交叠程度，提高了辐射复合效率和内量子效率。因此微纳米柱GaN基LED近年来得到了大量研究。

微纳米柱GaN基LED的制作方法主要有刻蚀、自组织生长、选区生长等。其中刻蚀方法采用自组织Ni纳米岛和SiO₂做掩模，刻蚀全结构GaN外延片后填充聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺或旋涂玻璃等绝缘介质，然后制作透明导电层和pn电极。自组织和选区生长的纳米柱氮化镓在填充绝缘介质后制作透明导电层和pn电极。

然而，现有技术中采用自组织Ni纳米岛和SiO₂做掩模的方法需要两次图形转移，工艺复杂；不能很好的控制尺寸和占空比。而且自组织Ni纳米岛以及SiO₂掩模上形成的图形是非周期性的，刻蚀的结构空隙并不均匀，在填充绝缘介质时会导致绝缘介质填充不均匀。由于绝缘介质如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺或旋涂玻璃需要采用旋涂方式来进行填充，而这种填充方式并不能保证绝缘介质填充均匀。绝缘介质填充不均匀，会导致正反向漏电大等技术问题。

此外，填充的有机绝缘物需要反刻，且不能和后期制备的透明导电层、电极直接结合，器件制备的可重复性、成品率低，而且电学性能差。旋涂玻璃需要平坦化和反刻，从而增加了工艺难度，器件制备的可重复性差、成品率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种制备微纳米柱发光二极管的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种制备微纳米柱发光二极管的方法。该方法包括：在发光二极管外延片上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；采用物理刻蚀的方式，将周期结构图形掩模转移至发光二极管外延片，形成微纳米柱；在发光二极管外延片上微纳米柱的间隙填充中间绝缘介质；去除发光二极管外延片上周期结构图形掩模，以及在填充中间填充绝缘介质的发光二极管外延片上制作电极，形成微纳米柱发光二极管。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明制备微纳米柱发光二极管的方法具有以下有益效果：

(1)采用周期性的图形化掩模，刻蚀得到相同大小的结构空隙，从而在填充绝缘介质时，尽可能的保证绝缘介质的填充均匀，从而解决了正反向漏电大的技术问题；

(2)一次物理方式的图形转移，得到微纳米结构，工艺简单，并且采用光刻等图形转移技术能够通过光刻版等控制尺寸和占空比；

(3)采用无机绝缘介质进行填充，有利于透明电极层、电极与该无机绝缘介质层的结合，提高器件制备的可重复性、电学性能、光学性能和成品率；

(4)采用溅射等物理方法进行无机绝缘介质的填充，填充的绝缘介质更加致密，可以降低正反向的漏电流。

附图说明

图1为根据本发明实施例制备微纳米柱氮化镓基LED方法的流程图；

图2是本发明的氮化镓外延片10结构的示意图。

图3A是本发明的形成微纳米周期结构图形21后的平面示意图。

图3B是本发明的形成微纳米周期结构图形21后的局部侧面示意图。

图4是本发明的经过刻蚀后的平面示意图。

图5是本发明的经过填充、去除图形掩模等步骤后的局部侧面示意图。

图6是本发明的经过制作透明导电层61和pn电极62-63等步骤最终完成后的单个芯片平面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明通过采用光刻、刻蚀等实现一次图形转移，使外延片形成微纳米周期结构，再通过蒸镀、溅射等方法在微纳米柱间隙填充绝缘介质，并去除图形掩模，最后通过制作透明导电层和pn电极等工艺完成微纳米柱氮化镓基LED的制作。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备微纳米柱氮化镓基LED的方法。图1为本发明实施例制备微纳米柱氮化镓基LED方法的流程图。如图1所示，本实施例包括：

步骤A：选取氮化镓LED外延片10，如图2所示；

该氮化镓LED外延片由衬底11，n型氮化镓12，有源区13，铝镓氮电子阻挡层14(可无)和p型氮化镓组成15。其中，该衬底11包括蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅等，n型氮化镓12自下而上包括非故意掺杂的氮化镓和掺施主杂质的氮化镓，有源区包括同质结、异质结、多量子阱等类型的有源区。

步骤B：在氮化镓LED外延片10上制作微纳米周期结构图形掩模21，如图3A和图3B所示；

其中的制作图形掩模的方法包括光刻(采用光刻版、PS球做聚光透镜等)、电子束曝光、纳米压印、激光全息术等，微纳米周期结构图形中的周期结构可以为相同大小的任意周期性图形，除图3所示的圆形之外，单个周期性图形还可以为：椭圆、正方形、长方形、梯形等等，其面积介于400nm²-400μm²之间。该图形掩模的材料为紫外光刻胶、电子束光刻胶等。

其中，以光刻方式制备微纳米周期结构图形的步骤B又可以包括：

子步骤B1，在氮化镓LED外延片10上旋涂光刻胶，前烘；

子步骤B2，通过预先制备的光刻版的紫外线曝光、显影、坚膜在光刻胶上制备微纳米周期结构图形21；

步骤C：用等离子体刻蚀将图形掩模上的微纳米周期结构图形21转移至外延片10，形成微纳米柱41。其中所述的进行刻蚀可以是至p型氮化镓，也可以是有源区至非故意掺杂的n型氮化镓之间的深度，如图4所示。

步骤D：采用合适的酸溶液浸泡1min-60min制备的元件以去除刻蚀造成的损伤；

由于采用的光刻胶会被碱性溶液去除掉，因此去除刻蚀造成的损伤可以用合适的酸，此处的酸溶液包括中低浓度的盐酸(摩尔浓度低于30％)、硫酸(摩尔浓度低于30％)等，浸泡的温度为室温。

步骤E：在微纳米柱41间隙采用磁控溅射方法填充二氧化硅作为绝缘介质51。

当然，本步骤中，也可以像现有技术中的那样采用旋涂的方式填充无机绝缘介质如绝缘玻璃，但是，由于其填充效果不好、重复性差，会造成后续的透明导电层制备困难。

除磁控溅射外，填充绝缘介质的方法还可以为离子束溅射，绝缘介质除了二氧化硅之外，还可以为氮化硅等无机绝缘介质。

步骤F，去除图形掩模即光刻胶，如图5所示；

步骤G，在填充中间填充绝缘介质的微米柱外延片上制作透明导电层ITO 61、p电极62和n电极63，如图6所示。

本步骤中，pn电极可以是任意形状，p电极组份可为Cr/Pt/Au、Cr/Au、Ni/Au等金属组合，n电极组分可为Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au、Cr/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au、Cr/Au、Ti/Au等金属组合。

在通常的工艺中，该步骤G包括：

子步骤G1，沉积透明导电层61；

子步骤G2，刻蚀n型电极台面，刻蚀深度至故意掺杂的n性GaN；

子步骤G3，在透明导电层上沉积p电极，在n型电极台面上沉积n电极。

至此，本实施例制备微纳米柱氮化镓基LED的方法介绍完毕。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)衬底可以为平面和图形衬底形式；

(2)铝镓氮电子阻挡层可以用铝镓氮/氮化镓超晶格电子阻挡层来代替；

(3)除适用于GaN基发光二极管之外，还可以适用于其他类型的发光二极管外延片。

综上所述，本发明方法中采用采用光刻等图形转移技术能够通过光刻版等控制尺寸和占空比；采用周期性的图形化掩模，刻蚀得到相同大小的结构空隙，从而在填充绝缘介质时，尽可能的保证绝缘介质的填充均匀；采用溅射等物理方法进行无机绝缘介质的填充，填充的绝缘介质更加致密，可以降低正反向的漏电流，同时与适宜的透明导电层、欧姆接触金属结合能有效改善微纳米柱LED透明导电层、电极的制备从而改善欧姆接触、电流扩展、降低开启电压、提高透过率等光电性能，使其更为稳定可靠，同时可重复性强，从而能有效提高微纳米柱LED的成品率，可望实现其规模化生产。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备微纳米柱发光二极管的方法，其特征在于，包括：

在发光二极管外延片上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；

采用物理刻蚀的方式，将所述周期结构图形掩模转移至所述发光二极管外延片，形成微纳米柱；

在所述发光二极管外延片上微纳米柱的间隙填充中间绝缘介质；

去除所述发光二极管外延片上周期结构图形掩模，以及

在填充中间填充绝缘介质的发光二极管外延片上制作电极，形成微纳米柱发光二极管。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下方法其中之一在发光二极管外延片上制作周期结构图形掩模：光刻、电子束曝光、纳米压印和激光全息术。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述周期结构图形掩模中的周期结构图形为相同大小的面积介于400nm²-400μm²之间的椭圆、正方形、长方形或梯形。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用光刻方法在发光二极管外延片上制作周期结构图形掩模的步骤包括：

在发光二极管外延片上旋涂光刻胶；以及

通过预先制备的光刻版的紫外线曝光、显影、坚膜，从而在所述光刻胶上制备微纳米周期结构图形。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在微纳米柱的间隙填充中间绝缘介质的步骤为：采用物理沉积的方式沉积无机绝缘介质。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述物理沉积方式为：磁控溅射、离子束溅射或蒸镀；所述无机绝缘介质为：二氧化硅或氮化硅。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在微纳米柱的间隙填充中间绝缘介质的步骤之前还包括：采用酸溶液浸泡所述发光二极管外延片，以去除刻蚀造成的损伤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸泡时间介于1min至60min之间，浸泡温度为室温。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：

所述在发光二极管外延片上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模的步骤中，所述发光二极管外延片自下而上包括：衬底、n型氮化镓、有源区和p型氮化镓，所述n型氮化镓自下而上包括：非故意掺杂的氮化镓和施主掺杂的氮化镓；

所述采用物理刻蚀的方式，将周期结构图形掩模转移至所述发光二极管外延片的步骤中，刻蚀的深度为至p型氮化镓或有源区至非故意掺杂的n型氮化镓之间的深度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在填充中间填充绝缘介质的微米柱外延片上制作电极的步骤包括：

在填充中间填充绝缘介质的微米柱外延片上制作透明导电层ITO；

在所述透明导电层ITO上制备p电极，在刻蚀形成的电极台面上制备n电极。