CN106505076B - 微米阵列led制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微米阵列LED制备方法，包括：步骤1：准备LED芯片并对其进行清洗。步骤2：将清洗好的芯片放入聚焦离子束切割设备中的样品台。步骤3：利用FIB中的扫描电镜功能观察芯片并把样品台移动到离子束的工作距离和位置。步骤4:先利用小束流离子束观察芯片，选取芯片的刻蚀区域。步骤5：将离子束束流切换到大束流观察芯片，在所选取的芯片刻蚀区域绘制周期性实心方格阵列，利用离子束对所绘制阵列图案区域进行刻蚀。步骤6：离子束刻蚀所选区域完毕后，可重复步骤4、5再次选取刻蚀区域进行刻蚀。步骤7：在整个芯片刻蚀完毕后，关闭离子束源，取出芯片。步骤8：对刻蚀芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对InGaN/GaN量子阱造成的辐照损伤，完成制备。
Description
技术领域
本发明涉及到一种微米阵列LED及其设计和制备方法，属于半导体照明领域。
背景技术
发光二极管 (light-emitting diodes, LED) 较传统光源具有低能耗，长寿命，高效率等优点，从而广泛应用于固态照明、指示类照明、低功耗显示器等多个领域。然而在LED芯片中，由晶格失配引起的较大应力以及GaN界面与空气界面发生的全内反射严重制约了其光电性能的进一步提高。为克服上述困难，人们设计了很多新颖的LED结构。例如：光子晶体、表面粗化等方法以提高LED的光提取效率，但这些方法工艺较为复杂且综合效果较差。而三维纳米阵列LED在近年来备受关注，与平面结构LED相比，其应力得到很大程度释放，弱化了压电极化，且周期性的阵列结构和高表面积/体积比，使光子在内部发生全反射的概率减少，发光面积增加，光电性能较二维 LED得到较大提高。
自上而下的方法具有刻蚀尺寸可控、均匀，使用方法简捷，价格低廉等优点，因而广泛应用于纳米阵列LED制备。目前，已经有很多文章报道了采用不同自上而下的方法制备纳米阵列LED。例如，自组织 Ni 纳米颗粒、纳米压印技术、光刻。然而，上述方法均需后期实现纳米器件的电注入，通常采用方法为先对纳米柱阵列进行平面化处理，即用某种电介质填充并完全覆盖纳米柱，再采用干法刻蚀去除纳米柱顶端电介质,最后在纳米柱顶端制备电极。然而，在此纳米器件制备过程中，工艺繁琐且干法刻蚀引起的纳米柱刻蚀损伤将导致电极欧姆接触退化，阻碍了纳米器件性能的进一步提高，影响纳米器件的发展和应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种纳米阵列LED制备方法，其不需要进行后期纳米柱LED芯片制备过程，从而避免了刻蚀损伤引起的欧姆接触退化问题。
本发明提供一种微米阵列LED制备方法，包括如下步骤：
步骤1：准备LED芯片并对其进行清洗；
步骤2：将清洗好的LED芯片放入聚焦离子束切割设备(FIB, Focused ion beam)中的样品台；
步骤3：利用FIB中的扫描电子显微镜(SEM)功能观察芯片并把样品台移动到离子束的工作距离和位置；
步骤4：先利用小束流离子束观察芯片，并把芯片调整到合适的位置，选取芯片的刻蚀区域；
步骤5：将离子束束流切换到大束流观察芯片，在所选取的芯片刻蚀区域绘制一定大小，深度，间隔的周期性实心方格阵列，利用离子束对所绘制阵列图案区域进行刻蚀；
步骤6：离子束刻蚀所选区域完毕后，可重复步骤4、5再次选取刻蚀区域进行刻蚀；
步骤7：在整个芯片刻蚀完毕后，关闭离子束源，取出芯片；
步骤8：对刻蚀芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对InGaN/GaN量子阱造成的辐照损伤，完成制备。
本发明的有益效果是：在纳米阵列器件制备过程中，采用了聚焦离子束切割设备对芯片进行了直接选区刻蚀，利用了聚焦离子束切割设备的优势，减少了蒸镀保护层，后期平面化纳米阵列，制备电极等一系列LED纳米器件制备步骤，使工艺简化，且避免了纳米器件制备过程中，干法刻蚀引起的欧姆接触退化，而离子束刻蚀导致的辐照损伤可以通过湿法腐蚀去除。综上所述，此微米阵列制备方法工艺简单，且可保证芯片原来良好的欧姆接触和LED光电性能。
附图说明
图1为本发明制备流程示意图。
图2为本发明完整芯片的扫描电子显微图。
图3为本发明在所选刻蚀区域绘制周期性实心方格阵列图。
图4为本发明离子束刻蚀周期实心方格阵列图形结束后扫描电子显微图像。
具体实施方式
LED芯片包括GaAs基LED外延片、GaN基LED外延片、Si基LED外延片或ZnO基LED外延片。
LED芯片结构包括衬底、形成于所述衬底上的非掺杂GaN层、形成于所述非掺杂GaN层上的n掺杂GaN层、形成于所述n掺杂GaN层上非掺杂和掺杂的超晶格层、形成于所述非掺杂和掺杂的超晶格层上非掺杂和掺杂的多量子阱层、形成于所述非掺杂和掺杂的多量子阱层上的p掺杂GaN层、形成于所述p掺杂GaN层上的ITO层、形成于所述ITO层上p电极、n电极和有助于电流分布均匀的金线。
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
步骤1：如图2所示为一水平结构蓝光LED芯片的扫描电子显微图。其中上下两电极为P极，左右两电极为N极，电极连接的为有助于电流扩展的金线。先将芯片放入丙酮中超声清洗30分钟，再用去离子水冲洗5遍后烘干。
步骤2：将清洗好的芯片样品放入聚焦离子束切割系统(FIB, Focused ionbeam)。
步骤3：开启聚焦离子束切割系统中的扫描电子显微功能，对芯片进行放大聚焦，再上升样品台，继续放大聚焦对芯片进行观察，直至样品台上升到离子束工作距离，即Workdistance=9 mm 时，将样品台从水平转动到与水平方向夹角为55°，使离子束束流与样品台垂直。
步骤4：如图2所示，由于镓离子束辐照对样品表面损伤较大，因此先用小束流(Beam current=100 pA) 对样品进行单次扫描，再移动样品台使所选刻蚀区域移动到图像中心（所选刻蚀区域需要避开连接电极的金线），并选取合适的放大倍数，最后再使用离子束单次扫描一次，获得芯片图像。
步骤5：将离子束切换至大束流 (5 nA)，单次扫描图像一次，由于不同离子束束流之间扫描图像后，图像会有轻微移动，通过微调样品台位置使所选刻蚀区域保持在图像中心。利用聚焦离子束切割系统中的绘图软件 (Draw beam) 在所选刻蚀区域绘制一定大小，深度，间隔的周期性实心方格阵列（例如：如图3所示，绘制边长为3 um，深度为2 um的实心方格，两方格之间的距离为6 um的28行*10列的周期性阵列），利用离子束对所绘制实心方格阵列进行刻蚀。
步骤6：如图4所示，在离子束刻蚀完毕后，为尽量减少对未刻蚀的辐照损伤，需要把离子束切换至小束流，再进行单次扫描以查看离子束刻蚀表面结束后效果。且可以通过移动样品台位置，绘制不同参数的周期性阵列图形，重复步骤4、5再次选取刻蚀区域利用离子束刻蚀。本实施例中在不同参数周期性阵列图形周围绘制相同面积的长方形框，深度为2um，利用离子束将P掺杂GaN层刻蚀掉，以将每个不同参数的周期性阵列形成面积相同的独立小芯片，以便于进一步比较不同参数周期性阵列对光提取效率的影响。
步骤7：在整个芯片刻蚀完毕后，关闭离子束源，样品台回到起始位置，打开聚焦离子束切割系统的真空室，取出芯片样品。
步骤8：将刻蚀芯片放入温度为50℃，20％氢氧化钾水溶液中腐蚀2分钟，以去除离子束刻蚀对InGaN/GaN量子阱造成的辐照损伤，最后用去离子水清洗5次。完成微米阵列LED芯片制备，可直接利用芯片本身的电极进行电致发光测试。
最后应说明的是：以上所述仅为解释本发明的最佳实施例，并不限制本发明，因此，凡有在本发明相同的精神和原则之下，所作的有关本发明的任何修饰，改进，等同替换、变更，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微米阵列LED制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：准备LED芯片并对其进行清洗；
步骤2：将清洗好的LED芯片放入聚焦离子束切割设备中的样品台；
步骤3：利用聚焦离子束切割设备中的扫描电镜功能观察芯片并把样品台移动到离子束的工作距离和位置；
步骤4:先利用小束流离子束观察芯片，并把芯片调整到合适的位置，选取芯片的刻蚀区域；
步骤5：将离子束束流切换到大束流观察芯片，在所选取的芯片刻蚀区域绘制一定大小，深度，间隔的周期性实心方格阵列，利用离子束对所绘制阵列图案区域进行刻蚀；
步骤6：离子束刻蚀所选区域完毕后，重复步骤4、5再次选取刻蚀区域进行刻蚀；
步骤7：在整个芯片刻蚀完毕后，关闭离子束源，取出芯片；
步骤8：对刻蚀芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对InGaN/GaN量子阱造成的辐照损伤，完成制备。
2.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中LED芯片包括GaAs基LED外延片、GaN基LED外延片、Si基LED外延片或ZnO基LED外延片。
3.如权利要求1或2所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中LED芯片结构包括衬底、形成于所述衬底上的非掺杂GaN层、形成于所述非掺杂GaN层上的n掺杂GaN层、形成于所述n掺杂GaN层上非掺杂和掺杂的超晶格层、形成于所述非掺杂和掺杂的超晶格层上非掺杂和掺杂的多量子阱层、形成于所述非掺杂和掺杂的多量子阱层上的p掺杂GaN层、形成于所述p掺杂GaN层上的ITO层、形成于所述ITO层上p电极、n电极和有助于电流分布均匀的金线。
4.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，离子束的工作距离为9 mm,工作位置为样品台与水平方向夹角为55°。
5.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中离子束工作距离为9mm 时，工作位置为样品台从水平转动到与水平方向夹角为55°，使离子束束流与样品台垂直。
6.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中小束流对样品进行单次扫描，束流大小为100 pA；大束流单次扫描图像的束流大小为5 nA。
7.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中聚焦离子束切割设备中的绘图软件为 Draw beam。
8.如权利要求1所述的微米阵列LED制备方法，其特征在于，其中在所选刻蚀区域绘制一定大小，深度，间隔的周期性实心方格阵列为28行*10列，边长为3 um，深度为2 um的实心方格，两方格之间的距离为6 um。
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