CN1732575A - 物体表面打毛的方法和光电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种物体(1)表面打毛的方法，该方法包括下列步骤：在表面上涂覆一层掩模层(2)；在掩模层(2)上放置预成型的掩模体(3)；在未被掩模体(3)覆盖的部件处腐蚀穿透掩模层(2)；在物体(1)表面的没有掩模层(2)的部位处腐蚀该物体。此外，本发明涉及一种光电元件。通过将掩模层(2)用作附加的辅助掩模就可使用比聚苯乙烯小球具有低选择性的方法来进行腐蚀。
Description
本发明涉及一种物体表面打毛的方法，其中打毛是通过腐蚀来实现的。
表面打毛尤其有利于在发光二极管(LED)中使用。其原因是从构成发光二极管基础的半导体基体的光输出。在这里一般存在高的折射率跃变，其中典型地半导体材料的折射率n＝1.5。而包围半导体基体的树脂的折射率n＝1.5。由此得出从半导体基体输出的辐射的高的折射率跃变。这样就对树脂包封产生一个较小的大约为26°的全反射角。这个全反射角导致在半导体中产生的光只有很少一部分可以输出。在一般用简单的立方体制作的发光二极管中，有一部分辐射不能在大约26°宽的输出锥形中发射而被半导体晶体捕获，这是因为它对于表面法线的角度也由于多次反射而不可能改变的缘故。所以光线辐射由于特别是在接触区、有源区或也在基底内或早或晚地被吸收而有所损失。
半导体表面的打毛有利于使在输出锥面以外传播的辐射散射到这个锥面中。这特别对有源区下面带有透明基底或有效反射器的发光二极管芯片、尤其是对薄膜发光二极管有利。这些优点对有机发光二极管来说也是适用的。
从文献US3,739,217中已知通过表面打毛可改善光线从镓-亚磷酸盐晶体的输出。
R.Windisch等人的“40％Efficient Thin-Film Surface-TexturedLight-Emitting Diodes by Optimization of Natural Lithography(通过自然光刻的最佳化改善薄膜表面结构发光二极管40％效率)”-该文献在IEEE Transactions on Electron Devices(电机工程师协会涉及电子装置的学报)第47卷，2000年7号刊，1492～1498页-提出对铝-镓-砷化物基的半导体进行打毛来改善从半导体的光线输出。这里使用了下述打毛方法：在半导体基体的表面上放置聚苯乙烯小球，这些小球例如可在水表面上制备成一个单层，然后通过浸入转移到半导体基体的表面。待水干后，这些小球附着在该基体的表面上。随后该表面进行干腐蚀(trockenaetzen)，从而在小球的位置处保留立柱，并通过干腐蚀法过程使立柱之间的空间从半导体基体腐蚀掉。
这种已知的用于对基体表面打毛的方法的缺点是，不适用于由铝-镓-铟-亚磷酸盐或铝-镓-铟-氮化物材料制成的半导体。其原因在于，所用的干腐蚀法对聚苯乙烯小球的选择性太小。这就是说，与小球比较，半导体腐蚀很慢，所以作为腐蚀掩模用的小球在半导体基体的表面中只腐蚀很小的结构深度时就已经提前开始腐蚀过程而消失，因而不可能达到其值为0.25至5的所需腐蚀深度与结构宽度比例。为了有效改善光线从半导体基体的输出，这个比例是必须的。
本发明的目的是提出一种物体表面的打毛方法，该方法适用于许多不同的材料。
这个目的是通过按权利要求1所述的一种方法来实现的。该方法的诸多有利方案可从各项从属权利要求中得知。
本发明利用这样的基本观点来缓和所用腐蚀方法的选择性问题，即除了用聚苯乙烯小球进行掩蔽外，还使用一个辅助掩模。该辅助掩模用这样的材料制成，即：它既不同于要被腐蚀物体的材料，又有别于小球的材料。利用这种附加的腐蚀掩模可把腐蚀过程分成两个步骤：其中在一个第一步骤中把表面上设置小球的结构转移到辅助掩模上；在一个第二步骤中则是把辅助掩模的结构转移到要被腐蚀的物体的表面上。
除了小球外，还有另一种材料参与作为掩模，因而提供了材料组合的大得多的选择性，其中这里就可在掩模材料和要被腐蚀的材料之间的有关增加的选择性方面实现所述过程的最佳化。例如有的腐蚀方法对小球和要被腐蚀的物体的特定的材料组合不适合，但这种腐蚀方法可能用来进行根据目前的两个步骤的腐蚀方法的第一腐蚀步骤。此外，现在可用一种不必对位于表面上的小球需要有选择的方法来腐蚀要打毛的物体。确切地说，一方面只需第二种腐蚀方法对辅助掩模的材料和另一方面对要被腐蚀的物体具有高的选择性即可。
本发明提供的一种物体的表面打毛方法，该方法包括下列步骤：
在一个第一步骤中，对物体的表面涂覆一层掩模层；
在下一步骤中，在该掩模层上设置预成型的掩模体；
在再下一步骤中腐蚀穿透掩模层，亦即腐蚀穿透未被掩模体覆盖的位置；
在再下一步骤中在其表面的没有掩模层的部位处腐蚀物体。
这种方法的优点是，腐蚀过程通过加入另一个腐蚀掩模而可分成两个步骤，其中就不再需要一种相对于预成型的掩模体很有选择性地来腐蚀所述物体的腐蚀方法。确切地说，可通过掩模体和掩模层的材料改变就可获得很广泛的领域的合适的腐蚀方法，亦即很广泛的领域的腐蚀方法可供所述腐蚀过程选用。
在该方法的一种实施方案中，该物体含有铝-镓-铟-亚磷酸盐(AlGaInP)。这种半导体材料有利于在红色或蓝色光谱范围内发射的发光二极管使用。这种半导体材料可有选择地淀积到碳化硅或砷化镓基底上。
在该方法的另一种有利实施方案中，该物体含有铝-镓-铟-氮化物(AlGaInN)。这种材料也特别适用于在红色或蓝色光谱范围内的发光二极管。
在该方法的一种实施方案中，涂覆一层用一种电介质制成的掩模层。例如可用SixNy、如Si3N4、SiON、SiO2、Al2O3以及其它类似材料作为电介质。亦即最好用这类电介质作掩膜层。但还有适合作掩模层的其它材料。关键性的只是在于，掩模层的材料用一种腐蚀过程可对掩模体有选择地进行腐蚀，而所述物体则可用另一种与之不同的腐蚀过程对掩模层有选择地进行腐蚀。
在一种实施方案中，预成型的掩膜体可使用由聚苯乙烯制成的小球。这种材料以其良好的化学稳定性和用简单而廉价的方法大批量制作聚苯乙烯小球的可能性而特别适用于这里所述方法的掩模体。
这种掩模体既可作为单层按随机排列的形式又可按规则排列的形式设置在掩模层的表面。
在该方法的一种有利的实施方案中，所述腐蚀步骤借助于一种干腐蚀法进行。例如可用反应的离子腐蚀(RIE＝
Reactive
IonEtching)、离子束腐蚀(IBE＝
Ion
Beam
Etching)以及化学支持的离子束腐蚀(CAIBE＝
Chemical
Assisted
Ion
Beam
Etching)等方法。
作为干腐蚀法例如也可使用一种感应耦合等离子腐蚀法(ICP＝Inductive
Coupled
Plasma)。
干腐蚀法对本发明方法具有这样的优点，即：不需要使用液体，这就增加了掩模体的局部稳定性，因为不可能产生液体流动。
在一个优选方案中，该方法是这样实施的：保留物体表面中的结构，使其宽度b与腐蚀深度t的比例为：
0.1＜t/b＜10，
该方法最好这样实施，即：
0.25＜t/b＜5。
为了改善光学的半导体晶体表面的散射、为了改善从该晶体中光线的向外输出，上述的深度-宽度比是特别有利的。
上述的腐蚀深度-宽度比可通过适当选择腐蚀过程以及掩模体的尺寸和材料来实现。
在这里所述的方法的一种变型中，紧挨着在掩模层腐蚀穿透以后去掉掩模体。而在另一种变型中，掩模体则保留在掩模层的表面上，以便在第二腐蚀过程中作为附加的腐蚀掩模使用。在所述腐蚀过程结束后，掩模层可以去掉，但也可保留在物体的表面上。
该方法最好这样实施，使物体中的腐蚀深度介于50和100纳米之间。这个腐蚀深度可通过在掩模层和要被腐蚀的物体之间用一种适当的选择性进行一个腐蚀过程来实现的。此外，为了达到所希望的腐蚀深度，也必须适当选择腐蚀持续时间。
对在这里所述的方法来说，掩模层最好涂覆成10和100纳米之间的厚度。其中，掩模层的最小厚度是必须的，因为否则就不能可靠地作为物体的掩模使用。但为了使对于腐蚀穿透掩模层所需的持续时间保持在一定限度内，又不应超过规定的最大厚度。
为了实现腐蚀深度和结构宽度的上述比例，在掩模层上的掩模体的横向尺寸最好在150和300纳米之间。
这里所述的方法最好在第一腐蚀步骤使用这样一个过程，该过程对掩模体和要被打毛的物体具有不良的选择性。甚至可以考虑使用这样一个过程，该过程对掩模体的腐蚀比对要被打毛的物体严重，但只有在该腐蚀过程对掩模层又具有一个适当的选择性时才出现这种情况。
腐蚀穿透掩模层例如可用一种反应的离子腐蚀用的设备来完成。
在这种情况下，最好使用一个氟化过程，其中使用一种由CHF3和氩的混合气体。这里一般用一台带有一个平行板反应器的标准反应离子腐蚀设备。
第二腐蚀步骤例如可用一台感应耦合等离子腐蚀设备来完成，其中使用一种由CH4和H2的混合气体作为腐蚀气体。
此外，本发明还提供了一种具有一个半导体基体的光电元件。该半导体基体含有铝-镓-铟-亚磷酸盐或铝-镓-铟-氮化物。此外，该基体表面进行结构化，其中结构宽度与相当于腐蚀深度的结构深度之比为：0.25＜t/b＜5。此外，提出同一种半导体元件，其中然而半导体基体不用铝-镓-铟-亚磷酸盐，而用铝-镓-铟-氮化物。这种光电元件、例如发光二极管第一次可用上述方法制作。所述由背景技术已知的方法不适合用来形成这里所述的t与b之比。
这里“结构”的概念是指半导体基体腐蚀后从其表面的凸起部分。这里的结构宽度例如可以是前述文献中所述的立柱或尖顶的宽度，见R.Windisch等人的“40％Efficient Thin-Film Surface-TexturedLight-Emitting Diodes by Optimization of Natural Lithography(通过自然光刻的最佳化改善薄膜表面结构发光二极管40％效率)”-该文献在IEEE Transactions on Electron Devices(电机工程师协会涉及电子装置的学报)第47卷，2000年7号刊，1492～1498页。
下面结合一个实施例及其附图来详细说明本发明：
图1表示一种要被腐蚀的物体，在该物体上涂敷一层掩模层和掩膜体；
图2表示在第一腐蚀步骤后的图1中的物体；
图3表示第二腐蚀步骤后的图2中的物体；
图4表示去除掩模层后的图3中的物体。
应当指出，全部图1至4都是横剖面示意图；还应当指出，凡是相同的元件或至少具有相同或类似功能的元件都用相同的附图标记表示。
图1表示一种物体1，该物体例如可以是一种半导体基体。在物体1的表面涂覆一层掩模层2。掩模层2最好具有一个介于10和100纳米之间的厚度d。
在掩模层2上设置有掩模体3，这些掩模体在这里所研究的特殊情况中一方面形成一单层，另一方面具有小球形状。在这里小球的横向尺寸A在150和300纳米之间。但也可用别的形状和别的合适材料的掩模体。
图2表示在第一腐蚀步骤后的图1外观结构。掩模层2在没有被掩模体3覆盖的部位处被腐蚀穿透，相应地产生一层有通孔的掩模层2，其中在掩模层2的表面上仍布置着掩模体3。但掩模体3由于通常不可避免的腐蚀而比图1中所示的掩模体在体积上略有减小。其原因是，腐蚀掩模层2所用的几乎全部腐蚀方法都总是在很小程上腐蚀掉部分掩模体3。
然后去掉掩模层2表面上的掩模体3。但这个步骤不是强制性的，确切地说，掩模体3也可保留在掩模层2的表面上。
图3表示已经进行第二个腐蚀步骤后的图1的结构状态。这就是说，物体1的表面已具有结构4。在结构4的表面上还有掩模层2的残余物。
图4表示去除掩模层2后的根据图3的结构状态。这时产生的结构4在其宽度b与腐蚀深度t的比例方面满足下列条件：
0.25＜t/b＜5
结构4例如可以是圆柱形的小台的形式。
结构4可规则地沿一个在前面区域通过掩模体3的结构所界定的网栅进行定位，但结构4也可随机分布在物体1的表面上。
Claims (19)
1.用于将一个物体(1)表面打毛的方法，该方法包括下列步骤：
a)在表面上涂覆一层掩模层(2)；
b)在掩模层(2)上放置预成型的掩模体(3)；
c)在未被掩模体(3)覆盖的部位处腐蚀穿透掩模层(2)；
d)在物体(1)表面的没有掩模层(2)的部位处腐蚀该物体。
2.按权利要求1所述的方法，其中所述物体(1)含有铝-镓-铟-亚磷酸盐。
3.按权利要求1所述的方法，其中所述物体(1)含有铝-镓-铟-氮化物。
4.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述掩模层(2)用一种电介质制成。
5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其中可用由聚苯乙烯制成的小球作为预成型的掩模体(3)。
6.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其中用一种干腐蚀法实施所述腐蚀步骤。
7.按权利要求1至6中任一项所述的方法，其中该方法是这样实施的：在物体(1)的表面上保留结构(4)，其宽度(b)与腐蚀深度(t)之比满足：
0.1＜t/b＜10。
8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，其中该方法是这样实施的：在物体(1)的表面上保留结构(4)，其宽度(b)与腐蚀深度(t)之比满足：
0.25＜t/b＜5。
9.按权利要求1至8中任一项所述的方法，其中紧接着在步骤c)之后从掩模层(2)去除掩模体(3)的残余部分。
10.按权利要求1至9中任一项所述的方法，其中物体(1)内的腐蚀深度(t)介于50和100纳米之间。
11.按权利要求1至10中任一项所述的方法，其中掩模层(2)涂覆的厚度(d)介于10和100纳米之间。
12.按权利要求1至11中任一项所述的方法，其中在掩模层(2)上的掩模体(3)具有一个介于150和300纳米之间的横向尺寸(A)。
13.按权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述第一腐蚀步骤是借助一个过程步骤来完成的，该过程步骤对掩模体(3)的腐蚀比对物体(1)的腐蚀严重。
14.按权利要求1至13中任一项所述的方法，其中腐蚀穿透掩模层(2)是用一台反应的离子腐蚀用的设备来完成的。
15.按权利要求14所述的方法，其中使用CHF3和Ar的混合物作为腐蚀气体。
16.按权利要求1至15中任一项所述的方法，其中物体(1)的腐蚀是用一台适合感应耦合的等离子的设备来完成的。
17.按权利要求16的方法，其中使用CH4和H2的混合物作为腐蚀气体。
18.具有一种半导体基体的光电元件，该半导体基体含有铝-镓-铟-亚磷酸盐，且其表面进行了结构化，其中结构(4)的宽度(b)与结构(4)的深度(t)之比满足：0.25＜t/b＜5。
19.具有一种半导体基体的光电元件，该半导体基体含有铝-镓-铟-氮化物，且其表面进行了结构化，其中结构(4)的宽度(b)与结构(4)的深度(t)之比满足：0.25＜t/b＜5。
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