本发明专利技术提供一种制备阵列高压LED的纳米尺寸高深宽比有序图形衬底的方法，通过一种与nanoimprint?lithography兼容的金属层剥离工艺，在GaN基底表面形成一种具有高深宽比、并有序排列的纳米金属锥-柱掩膜，再通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术将掩膜图形复制到GaN衬底表面，进而控制蓝宝石衬底图形中纳米三维结构的几何形状，排列模式、密度，以及高深宽比；并通过限制纳米三维结构在器件微单元底面的分布，应用于制备阵列式高压LED。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备纳米尺寸、高深宽比有序图形衬底的有效方法，应用于制备阵列高压LED。
技术介绍
目前使用最广泛的外延氮化镓(GaN)材料的衬底是成本较低的蓝宝石衬底，然而，蓝宝石衬底和GaN材料存在巨大的晶格失配(16% )和热膨胀系数失配(34% )，所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度(IO9-1O11Cnr2)，这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率(η = 2. 4)高于蓝宝石衬底(η =1. 7)以及外部封装树脂(η =1. 5)，使得有源区产生的光子在 GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。图形衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有微小结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行材料外延。图形化的界面改变了 GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率； 同时，粗糙化的GaN蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率I。图形衬底的表面形貌对衬底上的GaN的生长模式，体材料质量，以及最终的器件效率都将会有着深远的影响。理论和实验研究表明，当图形衬底的结构单元尺寸减少至亚微米、甚至纳米时，GaN材料的外延生长可通过横向增生的方法最大限度地减少缺陷密度， 尽可能地提高LED的内量子效率2；同时，通过图形衬底技术而在GaN蓝宝石界面形成的三维纳米结构由于尺寸和紫外至蓝光波段的光波长近似，可最有效地散射从有源区发射的光子，大幅提高LED的光提取效率2；而且，这些纳米结构还可通过有序的二维和三维排列，制成光子晶体结构，通过Pusell效应进一步控制有源区的发光模式，提高LED的发光效率和改善其发光角度分布3；此外，制造含有纳米结构的氮化物器件，可以克服材料中的晶格位错问题，增加产率，降低成本。然而，图形衬底技术在规模化生产中的应用迄今为止还停留在微米以上的结构尺寸，其根本原因是具有微米 以上有序单元结构的图形衬底可通过工艺上十分成熟的光刻技术大规模制造，成本较低，而纳米有序结构的图形衬底需利用特殊技术，如电子束曝光，激光直写，相干光衍射，自组装等昂贵、低效率和费时的方式制造，阻碍了其规模化生产的可能性。Nanoimprint Lithography作为一种高效、低成本制备纳米结构的技术,虽然已在图形衬底制备的研究中得以尝试，但由于Nanoimprint Lithography所用的掩膜胶厚度限制 ((200纳米)，目前只能在蓝宝石表面形成纳米尺度浅孔的有序排列4，无法在GaN蓝宝石界面实现高深宽比的纳米锥球状结构的有序排列；由于在锥球状结构的蓝宝石图形衬底上氮化镓增长方式和横向外延非常类似，能够最大限度地释放由于晶格适配造成的压应变，且具备最优化的光提取效率，上述限制阻碍了纳米有序结构的图形衬底在LED制造领域的高效、规模化应用。参考文献1. Oh TS, Kim SH, Kim TK, et al. GaN-Based Light-Emitting Diodes on Micro-Lens. Patterned Sapphire Substrate. Jpn. J. App1. Phys. 2008 ；47 :5333-5336.2. Huang 丽，Lin CH, Huang JK, et al.1nvestigation of GaN-based light emittingdiodes with nano-hole patterned sapphire substrate (NHPSS) by nano-1mprint lithography. Mater. Sc1. Eng. B. 2009 ；164 :76-79.3. Ji R，Hornung M，Verschuuren MA, et al. UV enhanced substrate conformalimprint lithography (UV-SCIL) technique for photonic crystals patterning in LEDmanufacturing. Microelectron. Eng. 2010 ；87 :963-967.4. Sreenivasan SV，Willson CG，Schumaker NE，Resnick DJ. Low-CostNanostructure Patterning Using Step and Flash Imprint Lithography. NlST-SPIEConference on Nanotechnology. 2002.
技术实现思路
本专利技术提供一种制备纳米尺寸、高深宽比LED有序图形衬底的有效方法，通过专利技术一种新型的工艺过程，结合现有的纳米印刷技术(NanoimprintLithography)可以提高产率和规模，并且能够低成本地在蓝宝石表面制造具有纳 米尺寸的锥、球状结构的有序阵列，从而实现纳米图形衬底在LED领域的实际应用。本专利技术的技术核心是通过一种创新的、与nanoimprint lithography兼容的金属层剥离工艺，在GaN基底表面形成一种具有高深宽比、并有序排列的纳米金属锥-柱掩膜，再通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术将掩膜图形复制到GaN衬底表面，具体包括下列工艺步骤(I)在双面抛光的蓝宝石衬底表面通过旋转涂膜法形成100-1000纳米厚度的正性光刻胶层；(2)在正性光刻胶层表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成10-500纳米二氧化娃薄膜；(3)利用nanoimprint lithography技术在二氧化娃薄膜表面形成10-500纳米高度的压印聚合物柱状结构阵列，如图1所示；(其中使用的纳米压印聚合物是Molecular Imprint Inc公司的Silmat,作是一种包含娃成分的分子印记材料， 为nanoimprint lithography技术专用)；(4)以压印聚合物柱状结构阵列为掩膜，通过反应离子刻蚀工艺对蓝宝石表面的正性光刻胶层和二氧化硅薄膜进行刻蚀，深度至衬底， 同时对正性光刻胶层进行横向蚀刻，形成侧切，如图2所示；(5)通过电子束蒸镀在样品表面沉积金属膜层；(6)利用正性光刻胶层的侧切，选择性剥离在蒸镀正性光刻胶层和二氧化硅薄膜表面的金属层，从而在基底表面形成一种具有高深宽比、并有序排列的纳米金属锥-柱掩膜；(7)利用序排列的纳米金属锥-柱掩膜，使用上下电极双射频源的电感耦合 (ICP)等离子体刻蚀设备，刻蚀蓝宝石衬底至设定深度，如图3所示；(8)利用湿法化学刻蚀去除金属掩膜，在蓝宝石表面形成有序排列的高深宽比的纳米锥球状结构，最终实现具备有序排列的高深宽比的纳米锥球状结构的蓝宝石图形衬底，如图4所示。全部工艺步骤的流程图如图5所不。在本工艺步骤里，nanoimprint lithography技术可被用来控制金属掩膜结构中纳米锥-柱的间距、密度和阵列模式；刻蚀正性光刻胶层所形成的侧切尺寸可以控制金属掩膜结构中纳米锥-柱的底面积；此外，刻蚀二氧化硅所形成的侧墙的坡度可以通过改变反应离子刻蚀的参数，包括反应气体种类、气体流本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备阵列高压LED的纳米尺寸高深宽比有序图形衬底的方法，其特征在于：通过一种创新的、与nanoimprint?lithography兼容的金属层剥离工艺，在GaN基底表面形成一种具有高深宽比、并有序排列的纳米金属锥?柱掩膜，再通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术将掩膜图形复制到GaN衬底表面。该方法包括下列工艺步骤：(1)在双面抛光的蓝宝石衬底表面通过旋转涂膜法形成100?1000纳米厚度的正性光刻胶层；(2)在正性光刻胶层表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成10?500纳米二氧化硅薄膜；(3)利用nanoimprintlithography技术在二氧化硅薄膜表面形成10?500纳米高度的压印聚合物柱状结构阵列；(4)以压印聚合物柱状结构阵列为掩膜，通过反应离子刻蚀工艺对蓝宝石表面的正性光刻胶层和二氧化硅薄膜进行刻蚀，深度至衬底，同时对正性光刻胶层进行横向蚀刻，形成侧切；(5)通过电子束蒸镀在样品表面沉积金属膜层；(6)利用正性光刻胶层的侧切，选择性剥离在蒸镀正性光刻胶层和二氧化硅薄膜表面的金属层，从而在基底表面形成一种具有高深宽比、并有序排列的纳米金属锥?柱掩膜；(7)利用序排列的纳米金属锥?柱掩膜，使用上下电极双射频源的电感耦合(ICP)等离子体刻蚀设备，刻蚀蓝宝石衬底至设定深度；(8)利用湿法化学刻蚀去除金属掩膜，在蓝宝石表面形成有序排列的高深宽比的纳米锥球状结构，最终实现具备有序排列的高深宽比的纳米锥球状结构的蓝宝石图形衬底。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张庆，
申请(专利权)人：张庆，
类型：发明
国别省市：
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