[发明专利]一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种面向micro‑LED应用的无损微纳结构的制备方法。本发明通过电子束光刻实现微米或纳米级图形的转移和制备，灵活性强，适用于多种微、纳米器件结构的制备；规避了等离子体刻蚀损伤的引入对材料辐射复合效率的降低作用，有利于进一步提高于光电器件的性能；晶格选择性热化学刻相比传统的半导体刻蚀工艺，获得的位点可控的微米或纳米结构侧壁具有高度陡直性和光滑性，不受刻蚀工艺限制，能够获得不同极性面的位点可控的纳米结构；利用热化学刻蚀工艺制备micro‑LED，无刻蚀损伤引入，改善器件性能，同时兼有现有工艺，能够实现批量生产。

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法。

背景技术

低维半导体材料，包括零维量子点和一维纳米线及与之相关的纳米结构，具有很高的晶体质量、优异的光学和电学性质，受到广泛应用，例如高效率发光器件、微机电系统MEMS传感器、单电子存储器以及单光子发射器件。随着宽禁带半导体材料的开发与应用，新一代绿色环保型固态照明光源GaN基白光LED已经受到科技和产业界越来越多的关注。随着半导体制造业的发展，微米发光二极管(micro-LED)被广泛应用，与传统的照明光源相比，micro-LED照明具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低和易于集成等优点。等离子体干法刻蚀技术是制备micro-LED过程中十分重要的一项工艺，对于微、纳米台面的制备不可或缺，常见有反应离子刻蚀RIE或者等离子耦合反应离子刻蚀ICP-RIE。相比其他干法刻蚀和化学湿法腐蚀，等离子体刻蚀具有良好的刻蚀速率、选择比、刻蚀表面形貌和各项异性。但是在制作LED的过程中，等离子体持续轰击会对被刻蚀材料造成离子损伤，直接影响micro-LED的I-V特性和发光性能。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法；相比传统的ICP刻蚀，避免了刻蚀损伤的引入，极大地提高了微纳结构的本征晶体质量，并结合传统半导体器件制造工艺制备了具备无损台面的micro-LED，从而提高此类micro-LED器件的发光效率。

本发明的一个目的在于提出一种无刻蚀损伤可控微纳结构的制备方法。

本发明的无刻蚀损伤可控微纳结构的制备方法，包括以下步骤：

1)选取氮化物半导体外延片，晶格具有分解各向异性，以六方晶格构型稳定存在，其主晶面为极性面，其他的晶面为半极性面或非极性面，对氮化物半导体外延片进行预处理，使得表面洁净；

2)在氮化物半导体外延片上沉积掩膜层，掩膜层采用耐高温材料，掩膜层的材料的分解温度高于氮化物半导体外延片的分解温度；

3)根据所制备的位点可控的微纳结构的要求，设计曝光版图；

4)在掩膜层上旋涂光刻胶，采用图形转移法将设计好的曝光版图转移到光刻胶上；

5)利用等离子体耦合反应离子刻蚀ICP技术，对掩膜层进行干法刻蚀，刻蚀得到图形化掩膜；

6)根据所制备的微纳结构的尺寸、位置和材料的晶格极性，确定热化学刻蚀的温度和压强，在分子束外延MBE的超高真空设备中进行晶格选择性热化学刻蚀；

7)在图形化掩膜保护下，其下方的III族氮化物不会发生热分解，周围则迅速分解，其形貌从二维向一维过度，并且不同晶格极性的晶面具有不同的分解温度，具有各向异性，晶格极性决定各个晶面表面能不同，在热化学刻蚀温度和压强下，分解温度低于热化学刻蚀温度的晶面率先分解，而分解温度在热化学刻蚀温度附近的晶面分解缓慢，分解温度大于热化学刻蚀温度的晶面几乎不分解，且分解速率各不相同，微观上分解的原子从不同晶面逃逸，最终被MBE的真空泵抽走，宏观上其分解路径受到晶格极性的调控，控制温度和时间，最终获得期望的位点可控的微纳结构，由于没有采用等离子体与半导体材反应刻蚀，规避了刻蚀损伤的引入，且各个晶面严格按照各自路径分解，使获得的纳米线结构具有陡直和光滑的侧壁；