[发明专利]一种利用紫外软压印制备有序氮化镓纳米柱阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氮化镓基的III氮化物有序纳米柱（孔）阵列的制备方法，特别是涉及利用紫外软压印技术实现大面积低缺陷的纳米柱（孔）阵列结构，以及利用反应离子刻蚀在保证原有周期性结构的基础上控制纳米柱（孔）的直径的方法，弥补了利用纳米压印技术制备纳米结构的单一性，并涉及纳米柱铟镓氮-镓氮量子阱的制备方法，属于纳米材料科学与技术和低维光电器件领域。

背景技术

III族氮化物材料为直接带隙半导体，其带隙覆盖了从红外可见光到紫外波段，是实现固态照明和低功耗显示器的理想材料。固态照明是一个全新的照明领域，它主要以半导体芯片为发光材料，直接将电能转换为光能，转换效率高。LED作为固态照明半导体光源的核心部件，具有能耗低、寿命长、体积小、绿色环保、使用安全、可在各种恶劣环境下工作，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源。随着发光二极管（LED）的不断发展，固态照明技术将逐步取代现有的照明技术，迎来新的照明时代。

发光二极管特别是氮化镓基发光二极管已经开始从低功率向大功率甚至是超大功率器件发展，高效的功率型发光二极管一直受到研究者的关注。目前，常规的发光二极管的有源层结构主要采用InGaN/GaN量子阱结构，由于目前使用的c面生长的量子阱内部存在极化效应，使得电子和空穴的空间波函数交叠减小，量子阱发光峰位产生红移，这被称为量子限制斯托克斯效应；同时，随着注入电流密度的增加，辐射复合效率并没有提高，而非辐射复合增加，如俄歇复合、缺陷复合等，因此，在大注入条件下，发光二极管的效率逐步下降，这被称为“droop效应”。尽管研究者们采用了很多方法，如非极性面生长的量子阱有源层、AlGaN势垒阻挡层、GaN同质外延生长等等，可以部分减弱或消除量子限制斯托克斯效应，但是droop效应依旧十分显著。为了进一步减弱量子限制斯托克斯效应和droop效应，提高发光二极管的发光效率，制备纳米柱（孔）型发光二极管是一种有效的实施方法。这种有序纳米柱（孔）型发光二极管材料结构中有源层结构的应力得到释放，从而降低了有源层内部的内建电场，有利于电子空穴的空间波函数重叠，降低了量子限制斯托克斯效应；同时增加了电子空穴的复合效率，且这种纳米柱（孔）降低了缺陷复合几率，有望克服droop效应。

目前纳米柱（孔）结构的制备方法主要有电子束光刻、纳米小球自组装技术、全息相干光刻、深紫外光刻技术等等，但是这些技术都很难实现大面积低成本地制备有序的纳米柱（孔）阵列结构，而纳米压印技术的出现，使得这一目标的实现成为可能。传统地，利用纳米热压印可以大面积制备氮化镓纳米阵列结构，但是由于在较高压强下进行且使用硬模板，所以对于表面不平整的氮化镓材料而言在大面积制备纳米阵列结构的同时会引入很多缺陷；而使用紫外软压印技术在大面积制备纳米柱（孔）的同时，可以大幅降低缺陷密度，制备出高质量的纳米阵列结构。从目前公开的紫外软压印技术中（参见中国专利CN201110148202.7，CN201110087571.X），尚无使用PMMA和紫外固化胶双层胶结构剥离制备氮化物纳米阵列。而这种制备纳米结构可进行氮化镓图形化衬底（参见中国专利CN201010617750.5），利用光刻、纳米压印技术等对发光二极管进行图形化处理或者引入光子晶体，提高发光二极管的出光效率（参见中国专利CN201110148202.7，CN201110087571.X，CN201110071200.2），尚无利用紫外软压印技术来制备纳米结构发光二极管提高内量子效率的相关专利。纳米压印技术只能用单一模板制备出大面积纳米柱（孔）有序阵列，尚无利用单一模板纳米压印技术得到直径可调的纳米柱（孔）有序阵列。

本发明采用PMMA和紫外固化胶双层胶技术紫外软压印制备大面积、低缺陷的氮化镓纳米柱（孔），并利用RIE技术实现介质层掩膜直径可调的纳米柱（孔）阵列，从而实现直径可调的氮化镓纳米柱（孔），极适合用于制备纳米柱（孔）型发光二极管，实现高效的发光二极管器件。

发明内容