ICP刻蚀GaN基多量子阱制备纳米阵列图形的方法，包括以下步骤：取一衬底，衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化镓；在衬底依次外延生长GaN缓冲层，n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和P型GaN,形成初步的GaN基片；量子阱层整个厚度约50nm-200nm，周期数为2-10；在GaN基片上采用PVD进行蒸镀金属层；对蒸镀生长金属层的基片进行高温退火；利用ICP刻蚀工艺，刻蚀GaN基片直至n型GaN层或部分n型GaN层；形成InGaN/GaN纳米柱。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电器件领域，具体是指ICP刻蚀GaN基多量子阱制备纳米阵列图形。
技术介绍
III族氮化物材料因其带隙可从0.7ev到6.2ev连续可调的特性，加之直接带隙对与光电应用的优越性，使其成为发展近红外-可见光-紫外波段半导体光电器件的最优材料之一。近年来，随着对氮化镓材料的广泛研究和应用，蓝紫光发光二极管(LED)、高迁移率晶体管材料的制备技术已相对较成熟，GaN基第三代半导体材料和器件也已逐步走向产业化1'2'3。但是目前氮化镓发光二极管面临着诸多问题，例如如何提高GaN基LED的发光效率和降低其的使用成本是该领域所需面对的重要课题。直接影响LED发光效率的就是LED晶粒的取出效率，据司乃耳定律(Snell’s law)[4，当光线由折射率较高介质入射至折射率较低介质时，入射角大于临界角的光线，将会被反射回原介质当中。对于LED晶粒而言，晶粒材料折射率必然高于外层的封装材料(环氧树脂或是硅胶)，因此晶粒中发光层所发出的光线，仅有小于临界角的光线有机会离开晶粒，而大于脱离角的光线，将被反射回晶粒中而被材料再吸收，这样的现象称为内全反射。为减少全反射损失，提高LED提取效率，表面粗化技术因其制作工业简单而被普遍看好，其无需光子晶体的严格结构尺寸，而且制作方法也较多。同时，具有高纵横比且表面积较大的GaN纳米柱可以有效地减少纳米柱上部的错位密度5，并且小尺寸的纳米柱可以有效地减少由于热膨胀不匹配导致的裂缝，这对于解决GaN在大型衬底上生长导致的较大的不匹配度有着突出的作用6。专利201010018325.4提供了一种表面多孔的GaN基片的制备方法7，主要采用工艺简单、高腐蚀速率的腐蚀方法，在GaN基片表面直接获得多空结构，但该技术无法严格控制腐蚀后的孔洞大小、密度、深度等，使得基片无法大规模均匀分布这些孔。T.Fujiji8等人利 用激光剥离、纳米压印和自然光刻方法来增强GaN的表面粗化度，以提高出光效率，但是该种方法成本较高并且不易剥离，剥离后的纳米图形尺寸较小。专利201010136249.7涉及一种GaN基图形衬底模板制备的方法9，通过旋涂法或提拉法将微球铺设在GaN基模板表面，形成单分子层结构的微球层，再通过化学湿法腐蚀、ICP或RIE干法刻蚀方法转移图形。该方法成本较低，但是其单层小球在实际操作中不易实现且图形间距会因球的大小而固定，无法改变。ICP刻蚀是在电感耦合高能高频电磁场的作用下产生辉光放电，使得具有较高动能的离子可以在电场的影响下轰击材料，起到刻蚀作用，同时轰击吸附表面，使得阻挡刻蚀进一步进行的反应生成物脱附表面，促进基片表面的化学反应及去除基片表面的非挥发性残留物。ICP刻蚀过程中存在复杂的化学过程和物理过程，物理作用将对基片材料和结构产生较大损伤，而化学过程的缺陷是刻蚀各向同性。针对GaN基多量子阱的刻蚀，之前的报道均将ICP刻蚀简单表述成各个参数一次性设定，而未涉及如何减少有源区损伤的刻蚀，本专利技术提供了独特的两步法ICP刻蚀，即先进行高电压短时间大气流偏重物理过程的刻蚀，随后进行低电压长时间小气流偏化学过程的刻蚀。参考文献[I]ZHU Li hong, LIU Bao lin,et al.Study of Optical Characteristics ofInGaN/GaN MQff LED Depended on Growth Temperature.SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS，2008, Vol.29, N0.2:165-169.[2]A.Hangleiter, F.Hitzel, C.Netzel, et al.Suppression of NonradiativeRecombination by V-Shaped Pits in GaInN/GaN Quantum Wells Producesa Large Increase in the Light Emission Efficiency.PHYSICAL REVIEWLETTER, 2005，Vol.95，N0.127402.[3]James H.Rice, et al.Temporal variation in photoluminescence fromsingle InGaN quantum dots[J].APPLIED PHYSICS LETTERS, 2004, Vol.84, N0.20:4110-4112.[4]Dugas, R., A History Of Mechanics, New York:DoverPublications, Inc..1988:pp.255ff,274, 345-346，ISBN 0-486-65632-2[5]D.Zubia and S.D.Hersee, J.Appl.Phys.85, 6492 (1999).[6]Hiroto Sekiguchi, Katsumi Kishino, and Akihiko Kikuchi,Appl.Phys.Lett.96，231104(2010).[7]专利号:201010018325.4表明多孔的GaN基片的制备方法及由所述制备方法得到的GaN基片张荣陈鹏谢自力等[8]T.Fujii, Y.Gao, R.Sharma, E.L.Hu, S.P.DenBaars, and S.Nakamura, Appl.Phys.Lett., Vol.84, (2004).[9]专利号:201010136249.7GaN基图形衬底模板的制备方法张佰君卫静婷饶文涛
技术实现思路
本专利技术的目的在于 ，针对现有的GaN基LED薄膜材料的表面粗化技术存在的不足，提出了一种工艺简单、成本低、损伤较低刻蚀出纳米量级的圆柱阵列引入量子限域效应将有助于提高LED器件发光效率。本专利技术通过金属自组装纳米点作为掩模以及(两步法)ICP刻蚀制作InGaN/GaN多量子阱材料纳米图形结构，以此来导入并进一步增强量子局域效应，并通过表面粗化以减少全反射损失，提高LED量子提取效率。，包括以下步骤:步骤1:取一衬底，衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化镓，衬底的表面为平整面、平面上设有微图形PSS或者纳米图形；步骤2:在衬底依次外延生长GaN缓冲层，η型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和P型GaN,形成初步的GaN基片；衬底依次采用金属有机物化学气相法沉积方法外延生长，其中Ga源、In源和N源分别为三甲基镓、三甲基铟和液氨；量子阱层是交替生长的铟镓氮/氮化镓，量子阱层整个厚度约50nm-200nm，周期数为2_10 ；步骤3:在GaN基片上采用PVD进行蒸镀金属层；其中金属蒸镀材料为N1、Ag、Au或其组合物；步骤4:对蒸镀生长金属层的基片进行高温退火，GaN基片上金属层形成纳米球状金属小颗粒图形；步骤5:以纳米球状金属小颗粒图形做掩模，利用ICP刻蚀工艺，刻蚀GaN基片直至η型GaN层或部分η型GaN层；纳米球状金属小颗粒尺寸为40_200nm，其图形的形状为矩形、圆形、菱形或多边形；以纳米球状金属小颗粒图形层作掩模，采用两步法ICP刻蚀技术，刻蚀基片上P型GaN层、InGaN/GaN量子讲层、部分η型GaN层,形成纳米圆柱图本文档来自技高网...
【技术保护点】
ICP刻蚀GaN基多量子阱制备纳米阵列图形的方法，其特征是包括以下步骤：步骤1：取一衬底，衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化镓，衬底的表面为平整面、平面上设有微图形PSS或者纳米图形；步骤2：在衬底依次外延生长GaN缓冲层，n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和P型GaN,形成初步的GaN基片；衬底依次采用金属有机物化学气相法沉积方法外延生长，其中Ga源、In源和N源分别为三甲基镓、三甲基铟和液氨；量子阱层是交替生长的铟镓氮/氮化镓，量子阱层整个厚度约50nm?200nm，周期数为2?10；步骤3：在GaN基片上采用PVD进行蒸镀金属层；其中金属蒸镀材料为Ni、Ag、Au或其组合物；步骤4：对蒸镀生长金属层的基片进行高温退火，GaN基片上金属层形成纳米球状金属小颗粒图形；步骤5：以纳米球状金属小颗粒图形做掩模，利用ICP刻蚀工艺，刻蚀GaN基片直至n型GaN层或部分n型GaN层；纳米球状金属小颗粒尺寸为40?200nm，其图形的形状为矩形、圆形、菱形或多边形；以纳米球状金属小颗粒图形层作掩模，采用两步法ICP刻蚀技术，刻蚀基片上p型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、部分n型GaN层，形成纳米圆柱图形结构；步骤6：用配比酸类溶液清洗刻蚀后图形结构,去除图形结构表面的金属颗粒。...
【技术特征摘要】
1.1CP刻蚀GaN基多量子阱制备纳米阵列图形的方法，其特征是包括以下步骤: 步骤1:取一衬底，衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化镓，衬底的表面为平整面、平面上设有微图形PSS或者纳米图形； 步骤2:在衬底依次外延生长GaN缓冲层，η型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和P型GaN,形成初步的GaN基片；衬底依次采用金属有机物化学气相法沉积方法外延生长，其中Ga源、In源和N源分别为三甲基镓、三甲基铟和液氨；量子阱层是交替生长的铟镓氮/氮化镓，量子阱层整个厚度约50nm-200nm，周期数为2_10 ； 步骤3:在GaN基片上采用PVD进行蒸镀金属层；其中金属蒸镀材料为N1、Ag、Au或其组合物； 步骤4:对蒸镀生长金属层的基片进行高温退火，GaN基片上金属层形成纳米球状金属小颗粒图形； 步骤5:以纳米球状金属小颗粒图形做掩模，利用ICP刻蚀工艺，刻蚀GaN基片直至η型GaN层或部分η型GaN层；纳米球状金属小颗粒尺寸为40_200nm，其图形的形状为矩形、圆形、菱形或多边形； 以纳米球状金属小颗粒图形层作掩模，采用两步法ICP刻蚀技术，刻蚀基片上P型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、部分η型GaN层，形成纳米圆柱图形结构； 步骤6:用配比酸类溶液清洗刻蚀后图形结构，去除图形结构表面的金属颗粒。2.按权利要求1所述的ICP刻蚀GaN基多量子阱制备纳米柱图形的方法，其特征是ICP刻蚀工艺为两步法ICP干法刻蚀工艺，分别经过高电压短时间大气流和低...
【专利技术属性】
技术研发人员：张荣，智婷，陶涛，谢自力，万图图，叶展圻，刘斌，修向前，李毅，韩平，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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