CN103022300A

CN103022300A - 制作微纳米柱发光二极管的方法

Info

Publication number: CN103022300A
Application number: CN2012105796028A
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生长抗刻蚀层；在抗刻蚀层上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；采用物理刻蚀的方法，将周期结构图形掩模转移至抗刻蚀层和发光二极管外延片上，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绝缘介质；去除发光二极管外延片上的抗刻蚀层，以及在去除抗刻蚀层的发光二极管外延片上制作pn电极，形成微纳米柱发光二极管。本发明制备微纳米柱氮化镓基LED的方法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

制作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LED的方法。

背景技术

微纳米柱氮化镓基LED是最近兴起的一种LED结构。在该微纳米柱氮化镓基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，微纳米柱氮化镓基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。因此微纳米柱氮化镓基LED近年来得到了大量研究。

微纳米柱氮化镓基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，刻蚀全结构氮化镓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纳米岛以及SiO₂掩模形成图形，不能很好的控制尺寸和占空比，同时图形是非周期性的，从而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生长抗刻蚀层；在抗刻蚀层上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；采用物理刻蚀的方法，将周期结构图形掩模转移至抗刻蚀层和发光二极管外延片上，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绝缘介质；去除发光二极管外延片上的抗刻蚀层，以及在去除抗刻蚀层的发光二极管外延片上制作pn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氮化镓基LED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)采用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，填充的无机绝缘介质更加致密，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结构的示意图。

图3是本发明的生长抗刻蚀层后氮化镓外延片的平面示意图。

图4A是本发明的形成微纳米周期结构31后的氮化镓外延片平面示意图。

图4B是本发明的形成微纳米周期结构31后氮化镓外延片的局部侧面示意图。

图5A是本发明的经过刻蚀、填充、去胶等步骤后氮化镓外延片的平面示意图。

图5B是本发明的经过刻蚀、填充、去胶等步骤后氮化镓外延片的局部侧面示意图。

图6是本发明的经过制作透明导电层71和pn电极72-73等步骤最终完成后氮化镓外延片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。

本发明的目的在于，提供一种制作微纳米柱氮化镓基发光二极管的二次图形转移方法，该方法是通过生长抗刻蚀层，采用光刻、刻蚀等实现二次图形转移，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无机绝缘介质，并去除抗刻蚀层，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发光二极管的制作。

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外延片上生长抗刻蚀层21，如图3所示。

抗刻蚀层包括Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄，方法包括化学气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射、蒸镀等。

步骤C：在抗刻蚀层21上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模31，如图4A和图4B所示；

制作微纳米尺度的周期结构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任意图形，除图3所示的圆形之外，还可以为：椭圆、正方形、长方形、梯形等等，其面积应当介于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，该制备微纳米周期结构图形的步骤包括：

子步骤C1，在抗刻蚀层21上旋涂光刻胶，前烘；

子步骤C2，通过紫外线曝光、显影、坚膜在光刻胶上制备微纳米周期结构图形31；

步骤D：采用物理刻蚀的方法，将微纳米尺度的周期结构图形掩模31转移至抗刻蚀层21和氮化镓LED外延片10，形成微纳米柱51。图形转移的方法为ICP刻蚀，图形转移至外延片的深度为p型氮化镓内任意深度，或者有源区至非掺杂的氮化镓之间任意深度。

在该步骤之后，可以去除所述的周期结构图形掩模。

步骤E：采用合适的酸碱浸泡外延片1min-60min，以去除刻蚀造成的损伤；

酸碱包括中低浓度的盐酸(摩尔浓度：30％以下)、硫酸(摩尔浓度：30％以下)、氢氧化钾(摩尔浓度：30％以下)、氢氧化钠(摩尔浓度：30％以下)等，浸泡温度为室温。

步骤F：在微纳米柱外延片的微纳米柱间隙填充无机绝缘介质52。

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，而且由于下面有抗刻蚀层，所以反刻后再去除抗刻蚀层，效果、重复性会比没有抗刻蚀层效果好，有利于和后续的透明导电层制备相结合。

抗刻蚀层为Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄中的一种，绝缘介质为其他材料中一种。填充绝缘介质的方法可以为化学气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射、蒸镀等。

步骤G：去除抗刻蚀层21，如图5A和5B所示。

由于周期结构图形掩模31在抗刻蚀层之上，在步骤D之后如果不去除周期结构图形掩模31的话，此时，该层也会随着抗刻蚀层的去除而一起去除。

步骤H：制作透明导电层61和pn电极62-63，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H包括：

子步骤H1，沉积透明导电层61；

子步骤H2，刻蚀n型电极台面，刻蚀深度至故意掺杂的n型GaN；

子步骤H3，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。

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，填充的无机绝缘介质更加致密，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

1.一种制作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生长抗刻蚀层；

在所述抗刻蚀层上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模；

采用物理刻蚀的方法，将所述周期结构图形掩模转移至抗刻蚀层和发光二极管外延片上，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绝缘介质；

去除所述发光二极管外延片上的抗刻蚀层，以及

在去除抗刻蚀层的发光二极管外延片上制作pn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，所述在发光二极管外延片上生长抗刻蚀层的步骤中：

抗刻蚀层的材料为以下材料中的一种：Al₂O₃、SiO₂和Si₃N₄；

生长抗刻蚀层的方法为以下方法中的一种：化学气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射和蒸镀。

3.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抗刻蚀层上制作微纳米尺度的周期结构图形掩模：光刻、电子束曝光、纳米压印和激光全息术。

4.根据权利要求3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。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用光刻方法在抗刻蚀层上制作周期结构图形掩模的步骤包括：

在抗刻蚀层上旋涂光刻胶；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。

6.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。

7.根据权利要求6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。

8.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绝缘介质的步骤之前还包括：采用酸溶液或碱溶液浸泡所述发光二极管外延片，以去除刻蚀造成的损伤，该酸溶液或碱溶液的摩尔浓度低于30％，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1至8中任一项所述的方法，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：

在发光二极管外延片上制作透明导电层ITO；以及

在所述透明导电层ITO上制备p电极，在电极台面上制备n电极。