[發(fā)明專利]一種孔狀GaN基光子晶體LED的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310054509.X
• 申請日: 2013-02-20
• 公開（公告）號(hào): CN103151436A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張錚;徐智謀;孫堂友;何健;張學(xué)明
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L33/20
• 分類號(hào): H01L33/20
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件制備領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合納米壓印技術(shù)和硬質(zhì)模板制備氮化鎵（GaN）基孔狀表面光子晶體LED的方法。

背景技術(shù)

氮化鎵基發(fā)光二極管(GaN-LED)自發(fā)明以來，因其具有的低功耗、高亮度、使用壽命長、安全性高等突出的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域，如液晶顯示器(LCD)的背光照明、交通燈、汽車尾燈、一般照明和室外單色、全色顯示設(shè)備等等。但是，由于GaN-LED有源層的半導(dǎo)體材料與空氣間的高折射率差帶來的全反射，使得GaN（折射率n=2.5）基LED，只有約4%光能從外延片表面逃逸出來，發(fā)光效率很低。提高LED的出光效率一直是近年研究的熱點(diǎn)。

1987年E.Yablonovitch提出光子晶體(Photonic?Crystal，PC)，其具有周期性分布的高低折射率電介質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)，使得其可用來增強(qiáng)自發(fā)輻射或提高固態(tài)光源的出光效率。光子晶體應(yīng)用到LED，由于其特有的光子禁帶效應(yīng)，一方面可以使落入到禁帶的導(dǎo)波模式直接被耦合成為輻射模式，穿透LED而進(jìn)入空氣；另一方面，如果發(fā)光頻率位于光子晶體禁帶之上，光子晶體可以通過布拉格散射使這些模式耦合成為輻射模式，達(dá)到提升LED出光效率的目的。因此，光子晶體LED的制備對(duì)提升LED的出光效率具有重要的意義。

納米壓印作為一種制備光子晶體的方法，與傳統(tǒng)的光學(xué)光刻和電子術(shù)光刻技術(shù)相比較，具有低成本、高分辨、合適大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)。納米壓印技術(shù)（Nanoimprint?Lithography，NIL）是華裔科學(xué)家美國普林斯頓大學(xué)Stephen?Y.?Chou（周郁）在1995年發(fā)明的一種直接利用機(jī)械接觸擠壓，使被壓印材料在模板和基底之間發(fā)生再分布形成所需圖形的技術(shù)。

納米壓印的模板可以分為兩類，一是以Si、SiO₂、Ni、石英玻璃為代表的硬模板，另一類是以聚二甲基硅氧烷PDMS、IPS為代表的軟模板。軟模板材料本身具有彈性，壓印的時(shí)候能更好的貼近樣品表面，而且適合一些曲面的壓印，但是軟模板有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，壓印的時(shí)候容易使圖形產(chǎn)生變形，直接導(dǎo)致刻蝕后的圖形失真，如附圖1所示，圖a，b分別為柱狀I(lǐng)PS軟模板壓印GaN-LED表面壓印膠后的表面和截面SEM圖。從圖a，b可以看到，表面的壓印膠發(fā)生了變形，原本圓形的孔狀變成了橢圓形，如果繼續(xù)刻蝕，將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)移的光子晶體變形，影響效果。而硬模板材料剛性較好，模板本身有一定的強(qiáng)度，表面圖形在壓印時(shí)變形小，有利于高精度的圖形轉(zhuǎn)移。對(duì)于光子晶體LED而言，圖案的缺陷和失真都可能引起難以預(yù)料的后果，而且有資料顯示，孔狀表面光子晶體LED其出光效率要優(yōu)于柱狀表面光子晶體LED的，因此，硬模板壓印更有利于實(shí)現(xiàn)GaN-LED表面高精度的孔狀光子晶體的制備。

對(duì)于GaN-LED，由于生長工藝技術(shù)的限制，通常情況下，其外延片的表面一般不會(huì)是很平整的，GaN外延片30~50um范圍內(nèi)的粗糙度可達(dá)到3~7um（Tangyou?Sun?and?Zhimou?Xu,J.Nanosci.Nanotechnol.12,1–5,(2012)）。如圖2所示，為GaN外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。此種情況下，利用傳統(tǒng)納米壓印工藝步驟：勻膠、壓印、去殘膠、刻蝕，在表面進(jìn)行光子晶體的轉(zhuǎn)移過程中，由于表面起伏使得壓印后的殘膠厚度高低不一致，高低殘膠刻蝕速率不一致，而且通常壓印膠與GaN材料的刻蝕選擇比較小，最終可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)移的目標(biāo)圖案深度層次不齊甚至是丟失，得到較差的光子晶體。如附圖3，4所示，圖3為壓印后刻蝕殘膠時(shí)間較短，此時(shí)殘膠較厚的位置并未刻蝕到GaN表面，刻蝕GaN后必然導(dǎo)致有些位置圖形的丟失，而圖4為壓印后刻蝕殘膠時(shí)間相對(duì)較長的情況，此時(shí)由于長時(shí)間的殘膠刻蝕必然使得GaN表面凸起位置的掩模膠消耗過多，導(dǎo)致后期刻蝕GaN時(shí)掩模不夠，最后得到深度不一的光子晶體，影響LED出光效果。