CN103199161A - 一种在GaP表面制备锥状结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在GaP表面制备锥状结构的方法，在GaP样品表面上旋涂光刻胶，利用微、纳米尺度图形制备技术在光刻胶上制备孔状光刻胶阵列图形，得到含有孔状光刻胶阵列图形的样品；利用金属镀膜设备，在含有孔状光刻胶阵列图形的样品上生长一层金属层并溶脱，得到含有金属柱状图形阵列的样品；利用干法刻蚀设备对含有金属柱状图形阵列的GaP样品进行刻蚀，得到具有锥状阵列结构的GaP样品；将具有锥状阵列结构的GaP样品置于金属腐蚀液中清洗，去除表面残留的金属层，在GaP表面得到锥状阵列结构。该锥状阵列结构可用于AlGaInP基红光LED光提取效率的增强。
Description
技术领域
本发明涉及三维微纳结构的制备及应用领域，特别涉及一种基于光刻胶图形制备、金属镀膜、剥离和刻蚀工艺在磷化镓(GaP)表面制备锥状结构的方法，并用于铝镓铟磷(AlGaInP)基红光LED光提取效率的增强。
背景技术
发光二极管(LED)在多个领域得到了越来越多的应用。同时，提高LED的发光效率也是大家一直关注的热点课题，LED的发光效率主要分为内量子效率和外量子效率，外量子效率为内量子效率和光提取效率的乘积，因此，提高LED发光效率的两个基本途径是提高其内量子效率和光提取效率。由于工艺上的进步和结构上的优化，内量子效率已达到了非常高的水平，从内量子效率方面入手提高LED发光效率空间非常有限。因此，提高光提取率成为提高LED发光效率的主要途径。由于LED内部半导体材料的折射率与空气的折射率相差较大，因此，当入射角大于临界角的时候，入射光会因在界面处发生全发射被反射回LED内部，无法辐射出来，从而导致LED的光提取效率较低，其光提取效率与半导体材料折射率的关系可简单的写为：ηextrct＝1/4n2，n为折射率，对于AlGaInP基红光LED，GaP的折射率高达3.4，全反射临界角约为17°，因此AlGaInP基红光LED的光提取效率非常的低，这大大限制了AlGaInP基红光LED在各方面的应用。
近年来，用于提高LED光提取效率的研究工作已有很多进展。其中主要包括LED芯片表面粗化、LED芯片塑形、光子晶体、梯度折射率增透薄膜等方面的研究。从应用范围来看，表面粗化能够有效提高LED的光提取效率，因此广泛应用于商用高能LED中。目前，GaP的粗化方法多为湿法腐蚀，但由于湿法腐蚀的各向同性，很容易产生钻蚀和过蚀，导致粗化的尺寸和深度受限，一般深度不超过100nm，而且湿法粗化的结构很难控制。
发明内容
解决的技术问题：解决以往湿法加工方法无法有效控制锥状结构的形状、尺寸、周期及无法实现高深宽比锥状结构的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于AlGaInP基红光LED光提取效率增强的GaP锥状结构的制备方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明提供一种在GaP表面制备锥状结构的方法，所述锥状结构的制备步骤如下：
步骤S1：在样品表面上涂覆光刻胶，利用微、纳图形制备技术在光刻胶上制备孔状光刻胶阵列图形，得到具有光刻胶图形的样品；
步骤S2：将具有光刻胶图形的样品放入金属镀膜设备中，生长金属层做为刻蚀掩模，得到具有金属层的样品；
步骤S3：将具有金属层的样品，放入去胶溶液中进行溶脱处理，得到含有金属柱状阵列的样品；
步骤S4：利用干法刻蚀设备对含有金属柱状阵列的样品进行刻蚀，控制刻蚀参数，在GaP表面得到具有锥状结构的样品；
步骤S5：将具有锥状结构的样品放入金属腐蚀液中去除残留的金属层，从而在GaP表面得到锥状结构。
其中，所述微、纳米图形制备技术是紫外曝光、电子束曝光、激光干涉曝光、激光直写、纳米压印这些能制备孔状光刻胶阵列结构技术中的一种。
其中，为了增加锥状结构的深宽比，在GaP表面先生长一层牺牲掩模，将金属图形通过刻蚀转移到牺牲掩模上，再进行GaP的刻蚀，最终通过湿法腐蚀去除牺牲掩模层，所述牺牲掩模为氮化硅牺牲掩模、氧化硅牺牲掩模。
其中，所述的金属镀膜设备是热蒸发设备、电子束蒸发蒸发、溅射设备中的一种。
其中，所述金属层是具有抗刻蚀能力，又能够通过湿法腐蚀工艺去除的铬、铝、金、钛、镍中的一种。
其中，所述去胶溶液包括丙酮及去胶液。
其中，所述干法刻蚀设备为感应耦合等离子体刻蚀设备。
其中，对于利用所述金属腐蚀液去除残留金属层的过程，若刻蚀没有将金属掩膜完全去掉，需要湿法腐蚀去掉金属掩膜；若过度刻蚀已经将金属掩膜去掉，则不需要湿法腐蚀过程。
其中，所述金属腐蚀液是硝酸铈铵溶液、NaOH溶液、碘化钾/碘、氢氟酸溶液中的一种。
本发明的有益效果：为了解决现有技术GaP的粗化方法多为湿法腐蚀，但由于湿法腐蚀的各向同性，很容易产生钻蚀和过蚀，导致粗化的尺寸和深度受限，一般深度不超过100nm，而且湿法粗化的结构很难控制问题，本发明提供了利用微纳加工技术制备周期性掩膜，然后控制干法刻蚀条件，实现周期性、高深度的GaP锥状结构的制备。
利用微、纳图形制备技术获得周期性的金属图形结构，然后利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀方法，在GaP表面制备出锥状阵列结构，从而达到有效增加AlGaInP基红光LED光提取效率的目的。该方法是一种高效的制备形状、尺寸和周期可控的用于AlGaInP基红光LED发光效率增强的GaP锥状结构的方法。
附图说明
图1是本发明提供的在GaP表面制备锥状结构的流程图。
图2是依照本发明实施例在GaP表面得到的锥状结构扫描电子显微镜照片。
图3是依照本发明实施例在GaP表面得到的高深宽比的锥状结构扫描电子显微镜照片。
图中各附图标记如下：
1，GaP样品表面；
2，涂覆的光刻胶层；
3，利用金属镀膜设备生长的金属层。
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。
实施例1：如图1示出本发明实施例采用光刻胶图形制备技术、金属镀膜、剥离及刻蚀工艺在GaP表面制备锥状结构的流程图，包括以下步骤：
步骤S1：在GaP样品表面上旋涂光刻胶，利用紫外曝光、电子束曝光、激光干涉曝光、激光直写、纳米压印技术中的一种在光刻胶上制备孔状结构光刻胶阵列图形，得到具有光刻胶图形的样品；
步骤S2：将具有光刻胶图形的样品放入热蒸发设备、电子束蒸发设备、溅射设备中的一种进行镀膜，生长铬、铝、金、钛、镍中的一种金属做为刻蚀掩模，得到具有金属层的样品。
步骤S3：将具有金属层的样品，放入丙酮或去胶液中进行溶脱处理，得到含有金属柱状阵列结构的样品；
步骤S4：利用感应耦合等离子体刻蚀设备对含有金属柱状阵列结构的样品进行刻蚀，控制刻蚀参数，在GaP表面得到具有锥状结构的样品
步骤S5：将具有锥状结构的样品放入硝酸铈铵溶液、NaOH溶液、碘化钾/碘(KI/I2)溶液及氢氟酸溶液等金属腐蚀液去除残留的金属层，从而在GaP表面得到锥状结构。
实施例2：利用本发明的制备方法，采用电子束曝光、金属镀膜、剥离及刻蚀技术在GaP表面制备锥状结构，具体包括以下步骤：
步骤1)在GaP表面旋涂电子束光刻胶ZEP520，旋涂后样品在180℃的热板上烘烤2分钟；
步骤2)利用电子束曝光设备在光刻胶上制备圆孔阵列光刻胶图形；
步骤3)将步骤2)制备的具有光刻胶图形的样品放入热蒸发设备中生长一层50nm厚的金属铬膜；
步骤4)将生长金属层后的样品放入丙酮溶液内进行溶脱，得到铬的圆台阵列；
步骤5)将步骤4)得到的样品放入感应耦合等离子体刻蚀设备中，采用的刻蚀参数为：氯气(Cl2)流量8sccm，氩气(Ar)流量45sccm，射频(RF)功率300W，ICP功率500W，工作气压7毫托(mTorr)，对样品刻蚀4分钟，在GaP表面得到锥状阵列结构；
步骤6)将经过步骤5)刻蚀的样品置于金属铬腐蚀液(硝酸铈铵/硝酸溶液)中清洗，去除锥状结构表面残留的金属铬掩膜，从而在GaP表面得到锥状的阵列结构，如图2示出的是依照本发明实施例在GaP表面得到的锥状结构的扫描电子显微镜照片。
实施例3：本实施例是采用纳米压印、金属镀膜、剥离和刻蚀技术在表面生长有氮化硅牺牲层的GaP表面制备高深宽比的锥状结构，具体包括以下步骤：
步骤1：在GaP样品表面用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长一层厚度200nm的氮化硅膜，作为刻蚀用牺牲掩膜；
步骤2：在样品表面上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光刻胶，旋涂后样品在180℃的热板上烘烤1分钟；
步骤3：利用纳米压印设备在光刻胶上制备出圆孔阵列光刻胶图形；
步骤4：将样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀一层厚度为100nm的金膜；
步骤5：将蒸镀后的样品放入丙酮溶液中进行溶脱，得到含有金圆柱结构阵列的样品；
步骤6：采用反应离子刻蚀设备对氮化硅层进行刻蚀，刻蚀条件：Ar流量25sccm，氧气(O2)流量5sccm，工作气压55mTorr，刻蚀功率150W，刻蚀时间5分钟，从而将金属图形转移到氮化硅上，再将样品放入金腐蚀液(KI/I2)中清洗，去除残留的金，得到氮化硅的圆柱结构；
步骤7：利用感应耦合等离子体刻蚀方法，对GaP进行刻蚀，刻蚀参数为：Cl2流量8sccm，Ar流量30sccm，RF功率300W，ICP功率500W，工作气压7mTorr，刻蚀时间6分钟，在GaP表面得到锥状阵列结构；
步骤8：将表面为锥状结构的样品置于掩膜腐蚀液(氢氟酸和氟化氨溶液)中清洗，去除顶端的氮化硅掩膜，在GaP表面上制备出高深宽比的锥状阵列结构，如图3示出的是依照本发明实施例在GaP表面得到的高深宽比的锥状结构的扫描电子显微镜照片。
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 (9)
1.一种在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述GaP锥状结构的制备步骤如下：
步骤S1：在样品表面上涂覆光刻胶，利用微、纳图形制备技术在光刻胶上制备孔状光刻胶阵列图形，得到具有光刻胶图形的样品；
步骤S2：将具有光刻胶图形的样品放入金属镀膜设备中，生长金属层做为刻蚀掩模，得到具有金属层的样品；
步骤S3：将具有金属层的样品，放入去胶溶液中进行溶脱处理，得到含有金属柱状阵列的样品；
步骤S4：利用干法刻蚀设备对含有金属柱状阵列的样品进行刻蚀，控制刻蚀参数，在GaP表面得到具有锥状结构的样品；
步骤S5：将具有锥状结构的样品放入金属腐蚀液中去除残留的金属层，从而在GaP表面得到锥状结构。
2.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述微、纳米图形制备技术是紫外曝光、电子束曝光、激光干涉曝光、激光直写、纳米压印这些能制备孔状光刻胶阵列结构技术中的一种。
3.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，为了增加锥状结构的深宽比，在GaP表面先生长一层牺牲掩模，将金属图形通过刻蚀转移到牺牲掩模上，再进行GaP的刻蚀，最终通过湿法腐蚀去除牺牲掩模层，所述牺牲掩模为氮化硅牺牲掩模、氧化硅牺牲掩模。
4.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述的金属镀膜设备是热蒸发设备、电子束蒸发蒸发、溅射设备中的一种。
5.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述金属层是具有抗刻蚀能力，又能够通过湿法腐蚀工艺去除的铬、铝、金、钛、镍中的一种。
6.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述去胶溶液包括丙酮及去胶液。
7.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述干法刻蚀设备为感应耦合等离子体刻蚀设备。
8.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，对于利用所述金属腐蚀液去除残留金属层的过程，若刻蚀没有将金属掩膜完全去掉，需要湿法腐蚀去掉金属掩膜；若过度刻蚀已经将金属掩膜去掉，则不需要湿法腐蚀过程。
9.如权利要求1所述在GaP表面制备锥状结构的方法，其特征在于，所述金属腐蚀液是硝酸铈铵溶液、NaOH溶液、碘化钾/碘、氢氟酸溶液中的一种。
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