[发明专利]一种孔状GaN基光子晶体LED的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件制备领域，具体涉及一种结合纳米压印技术和硬质模板制备氮化镓（GaN）基孔状表面光子晶体LED的方法。

背景技术

氮化镓基发光二极管(GaN-LED)自发明以来，因其具有的低功耗、高亮度、使用寿命长、安全性高等突出的特点而广泛应用于光电子领域，如液晶显示器(LCD)的背光照明、交通灯、汽车尾灯、一般照明和室外单色、全色显示设备等等。但是，由于GaN-LED有源层的半导体材料与空气间的高折射率差带来的全反射，使得GaN（折射率n=2.5）基LED，只有约4%光能从外延片表面逃逸出来，发光效率很低。提高LED的出光效率一直是近年研究的热点。

1987年E.Yablonovitch提出光子晶体(Photonic Crystal，PC)，其具有周期性分布的高低折射率电介质的特殊结构，使得其可用来增强自发辐射或提高固态光源的出光效率。光子晶体应用到LED，由于其特有的光子禁带效应，一方面可以使落入到禁带的导波模式直接被耦合成为辐射模式，穿透LED而进入空气；另一方面，如果发光频率位于光子晶体禁带之上，光子晶体可以通过布拉格散射使这些模式耦合成为辐射模式，达到提升LED出光效率的目的。因此，光子晶体LED的制备对提升LED的出光效率具有重要的意义。

纳米压印作为一种制备光子晶体的方法，与传统的光学光刻和电子术光刻技术相比较，具有低成本、高分辨、合适大规模工业生产的特点。纳米压印技术（Nanoimprint Lithography，NIL）是华裔科学家美国普林斯顿大学Stephen Y. Chou（周郁）在1995年发明的一种直接利用机械接触挤压，使被压印材料在模板和基底之间发生再分布形成所需图形的技术。

纳米压印的模板可以分为两类，一是以Si、SiO₂、Ni、石英玻璃为代表的硬模板，另一类是以聚二甲基硅氧烷PDMS、IPS为代表的软模板。软模板材料本身具有弹性，压印的时候能更好的贴近样品表面，而且适合一些曲面的压印，但是软模板有一个很明显的缺点，压印的时候容易使图形产生变形，直接导致刻蚀后的图形失真，如附图1所示，图a，b分别为柱状IPS软模板压印GaN-LED表面压印胶后的表面和截面SEM图。从图a，b可以看到，表面的压印胶发生了变形，原本圆形的孔状变成了椭圆形，如果继续刻蚀，将直接导致转移的光子晶体变形，影响效果。而硬模板材料刚性较好，模板本身有一定的强度，表面图形在压印时变形小，有利于高精度的图形转移。对于光子晶体LED而言，图案的缺陷和失真都可能引起难以预料的后果，而且有资料显示，孔状表面光子晶体LED其出光效率要优于柱状表面光子晶体LED的，因此，硬模板压印更有利于实现GaN-LED表面高精度的孔状光子晶体的制备。

对于GaN-LED，由于生长工艺技术的限制，通常情况下，其外延片的表面一般不会是很平整的，GaN外延片30~50um范围内的粗糙度可达到3~7um（Tangyou Sun and Zhimou Xu,J.Nanosci.Nanotechnol.12,1–5,(2012)）。如图2所示，为GaN外延片的结构示意图。此种情况下，利用传统纳米压印工艺步骤：匀胶、压印、去残胶、刻蚀，在表面进行光子晶体的转移过程中，由于表面起伏使得压印后的残胶厚度高低不一致，高低残胶刻蚀速率不一致，而且通常压印胶与GaN材料的刻蚀选择比较小，最终可能导致转移的目标图案深度层次不齐甚至是丢失，得到较差的光子晶体。如附图3，4所示，图3为压印后刻蚀残胶时间较短，此时残胶较厚的位置并未刻蚀到GaN表面，刻蚀GaN后必然导致有些位置图形的丢失，而图4为压印后刻蚀残胶时间相对较长的情况，此时由于长时间的残胶刻蚀必然使得GaN表面凸起位置的掩模胶消耗过多，导致后期刻蚀GaN时掩模不够，最后得到深度不一的光子晶体，影响LED出光效果。