[发明专利]一种基于纳米压印制备GaN基光子晶体LED的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件制备领域，具体涉及一种GaN基光子晶体LED的方法。

背景技术

传统发光二极管的内量子效率与外量子效率之间存在显著的差距，标准的可见光发光二极管的内量子效率接近100％，而外量子效率不足5％。这是因为LED的有缘层发出来的光子在P型层与空气的界面产生全反射，而且临界角比较小(θ≈23°)，使得大多数光子无法射出。为了让更多的光逃逸出来，获得高效率的出光，人们发展了光子晶体技术。

光子晶体结构的引入除了能够引入光子禁带，使部分频率的自发发射光被抑制，提高器件的外部效率外，当器件发光频率位于光子晶体禁带之上，即辐射模区域时，由于光子晶体的作用，可使在平板结构的发光器件中属于传输模的部分模式转化为光子晶体发光器件中的辐射模，从而使更多的光模辐射到空气中。

纳米压印技术(NIL)的原理比较简单，通过将刻有目标图形的掩模板压印到相应的衬底上——通常是很薄的一层聚合物膜，实现图形转移后，然后通过热或者UV光照的方法使转移的图形固化，以完成微纳加工的光刻步骤。

利用纳米压印技术在GaN外延片制备光子晶体LED，其主要着眼点在于高光效以及低成本两个方面，通过纳米压印技术克服常用全息曝光、电子束光刻(EBL)等技术制作大面积光子晶体时所遇到的技术难题，摸索出一种高光效、高精度、大面积、低成本光子晶体的制作方法，并以此提高我国照明用LED的出光效率，提升器件性能，推动其产业化进程。

传统GaN外延片表面是不平整的，通过扫描电镜(SEM)测试，检测出传统GaN外延片在100um左右的粗糙度超过50nm，如图1所示，采用传统的纳米压印工艺在其表面制备光子晶体如图2所示，效果不好，制备的光子晶体图案较差，其形状类似于表面粗化，虽有提高LED出光效率的作用，但效果不明显。原因是紫外胶在转移图案过程中，由于表面不平整，不同高度的紫外胶的刻蚀速率不同，易引起除去残胶不完全，而且紫外胶与GaN材料的刻蚀选择比小，最终导致转移的目标图案发生形变。因此压印的表面粗糙度越大，经过复制转移得到光子晶体图案质量越差，对LED出光效率显著地提高是不利的。同时以SiO₂/Cr为掩膜层，提高了GaN的刻蚀比，降低GaN的刻蚀损伤，使光子晶体的有效孔深更大，对LED的出光效率的提高是十分有利的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种基于纳米压印制备GaN基光子晶体LED的方法，利用纳米压印紫外胶(STU2)层和蒸镀SiO₂/Cr层相结合的作用，解决了非平整表面纳米压印技术瓶颈，同时以SiO₂/Cr为掩膜降低了GaN刻蚀损伤的问题，可以制备出比较规整、高质量的光子晶体LED，使LED出光效率得到显著地提高。

本发明制备GaN基光子晶体LED的方法步骤如下：

(1)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在蓝宝石衬底上依次外延生长N-GaN层、多量子阱有源区和P-GaN层，形成GaN基LED材料外延结构片；

(2)纳米压印硬模板的防粘处理；

(3)利用热压印制备具有与硬模板互补图案的软模板；

(4)在洁净的GaN基外延片上分别蒸镀掩膜层和纳米压印紫外胶(STU2)层，形成片A；

(5)利用所制备的软模板紫外压印上述片A，并进行脱模，形成具有光子晶体的图案片B；

(6)利用耦合等离子(ICP)或反应离子束(RIE)进行刻蚀片B，形成片C；

将片C依次进行去胶、腐蚀、清洗、烘干、蒸镀、减薄、制作ODR、封装等工艺即得所述的光子晶体LED。

所述步骤(4)中，所述的掩膜层为SiO₂层Cr或层，其中蒸镀金属Cr的厚度控制在10nm～20nm；蒸镀SiO₂的厚度控制在60nm～100nm。

本发明首先在洁净的GaN基外延片上蒸镀SiO₂/Cr层和匀紫外胶层，降低了压印表面的粗糙度，使压印图案更加规整；以SiO₂/Cr作为掩膜层，可以减少GaN的刻蚀损伤，降低漏电的影响程度。利用纳米压印技术制备GaN基光子晶体LED，其出光效率得到显著地提高，而且生产效率高，适合于工业大规模生产。

附图说明

图1为传统GaN基外延片的结构示意图。

图2为在非平整的GaN外延片上进行传统的纳米压印工艺，得到光子晶体扫描电子显微镜(SEM)图。

图3为以SiO₂为掩膜蚀刻过程中的扫描电子显微镜(SEM)图。