AlGaN异质结纳米柱阵列发光器件及其制备方法与流程

本发明专利涉及一种algan异质结纳米柱阵列发光器件及其制备方法，属于半导体照明及光电子器件领域。

背景技术：

经过二十多年的发展，以gan材料为基础的高效率、高亮度蓝光led日趋成熟。随着波长进一步缩短，发光进入紫外区。紫外光可与生物分子或化学物质产生较强的作用，可用于气体传感、荧光激发、紫外固化、水净化、空气消毒和各种微生物相关设备。与传统汞灯相比，紫外led更加坚固、结构紧凑，环境友好，寿命长，无需预热，可在纳秒时间内开关，优势显著。通过调节algan材料中的al组分，其发光波长几乎可完全覆盖uva(400nm-320nm)，uvb(320-280nm)和uvc(280-200nm)波段。uva可用于墨水、聚合物薄膜和各种高分子材料的固化成型，也可用于传感探测等。uvb常用于光治疗及植物生长照明等，uvc则可用于水净化、消毒杀菌及化学生物分子的检测、深紫外光刻和高密度光存储等。随着经济发展，公众对健康生活的关注和需求与日俱增。可以预见的是，在应用方面，紫外led的市场潜力很大，近期的市场研究也表明紫外led光源将会迎来迅猛发展。yoledéveloppement公司预测，紫外led的全球市场份额年增长超过28％，到2019年总产值将达到5.2亿美元。

当前成品化的紫外led器件基本集中在uva波段，大部分uvb和uvc器件的输出功率只能到毫瓦级，外量子效率远低于蓝光led，寿命大多小于1000小时。与可见光led相比，基于algan材料的紫外led仍然存在诸多问题。在材料方面，外延生长缺陷密度高、应变失配严重，c面生长的极化效应还会产生量子限制斯塔克(qcse)效应。器件方面，载流子注入和限制困难，内量子效率(iqe)很低，p型层阻值大且欧姆接触特性差，电流难以有效扩展。光抽取方面，缺乏对深紫外光高反射(透射)的电极材料，光的自吸收严重，占据主要地位的tm光也难以通过常规结构耦合到外部空间。

对于平面结构紫外led，量子阱(mqw)中不同al组分外延层间存在晶格失配，会在界面产生极化电荷使能带倾斜，造成有源区复合效率下降，降低了器件iqe并引起发光峰位的移动。纳米柱拥有大的侧壁面积，使得阵列结构有更好的光抽取效率。纳米柱阵列在轴向上相当于波导结构，使得出光有更好的方向性。有序结构有类光子晶体效果，还可实现对光子的调控。同时，薄膜中的应力得以释放，削弱了mqw中的应变诱导qcse效应。由于一维纳米柱结构能更好的限制光场和载流子的输运，大的表面体积比会使低维结构表现出与体材料相异的光学和电学效应。对纳米柱结构进行二次外延，还可制备出核壳结构的纳米柱led器件，能有效增加有源区的面积。采用转移方法对纳米柱结构进行分离，还可与微腔结构、等离激元结合起来，制备出新型微纳紫外光电器件。

目前，已有利用紫外软纳米压印技术(uv-nil)来制备有序gan纳米柱(孔)阵列的方法(参见中国专利cn103383980a)。该方法采用pmma和紫外固化胶双层胶技术的紫外软压印制备大面积、低缺陷的氮化镓纳米柱(孔)，并利用反应离子刻蚀(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)。由于algan薄膜平整性较差、缺陷密度较大，化学性质也与ingan/gan有所不同，尚未见有关制备高al组分的大面积algan纳米柱阵列结构的相关专利文档。

本发明采用pmma、低温sio2阻挡层和紫外固化胶的三层胶技术，采用紫外软压印，克服双层胶的溶渗和algan表面平整性问题，可制备出大面积、低缺陷的algan纳米柱阵列，纳米柱边缘平滑无锯齿，并利用化学修饰和机械分离技术，实现形貌可控、结构可转移的纳米柱结构，适用于制备微纳紫外光电器件。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种algan异质结纳米柱阵列发光器件。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种algan异质结纳米柱阵列发光器件，其结构自下至上依次包括：

一衬底；

一生长在衬底上的gan缓冲层；

一生长在gan缓冲层上的aln插入层；

一生长在aln插入层上的alxga1-xn层；

并刻蚀形成贯穿alxga1-xn层、aln插入层，深至gan缓冲层的纳米柱阵列；

其特征在于：所述纳米柱阵列中，alxga1-xn层的直径小于aln插入层的直径。

优选的，所述衬底为蓝宝石衬底，所述x范围：0.1≤x≤0.8，gan缓冲层的厚度为2μm，aln插入层厚度为30nm，algan层的厚度范围在300nm-1.5μm。

优选的，所述纳米柱阵列的直径为250～350nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小30-80nm，周期为600～700nm，高度为350nm-1.6μm。

本发明还公开了上述algan异质结纳米柱阵列发光器件的制备方法，其步骤包括：

1)对algan异质结基片进行清洗和吹干，在基片表面生长一层介质层，介质层采用具有高介电常数的致密绝缘材料；

2)将pmma胶旋涂在介质层表面，形成pmma层，在pmma层表面生长阻挡层，再在阻挡层表面旋涂紫外固化胶；

3)利用uv-nil技术，使用软模板在紫外固化胶上形成全面积的有序纳米孔阵列；

4)利用rie技术，通入o2刻蚀残余的紫外固化胶，至阻挡层暴露；

5)利用rie技术，通入chf3刻蚀阻挡层，至pmma层暴露；

6)利用rie技术，通入o2对pmma层进行刻蚀，将纳米孔阵列结构转移至pmma层；

7)采用pvd技术，在样品表面蒸镀一层金属膜层，用于后续的剥离工艺；

8)经过剥离工艺，将纳米孔阵列结构变为纳米柱结构，并转移至金属膜层，去除金属膜层表面的pmma胶；

9)采用rie技术，通入chf3和o2的混合气体刻蚀介质层，使金属膜层的纳米柱阵列转移至介质层；

10)采用icp技术，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀algan层、aln插入层和gan缓冲层，形成贯穿algan层、aln插入层，深至gan缓冲层的纳米柱阵列；

11)将样品置入无机酸溶液去除残余的金属层和介质层；

12)将样品置入碱溶液中水浴加热，去除刻蚀损伤，对纳米柱进行修饰，使alxga1-xn层的直径小于aln插入层的直径，形成类核壳结构纳米柱。

所述纳米柱结构的高度可通过刻蚀时间来调节，直径和侧壁可通过无机酸碱溶液的浓度、温度和时间来修饰，纳米柱可通过机械分离来转移。

优选的，所述介质层选用sio2或si3n4，阻挡层选用低温sio2，金属膜层选用金属ni,其中低温sio2是指在约300℃条件下生长的sio2。

优选的，生长的介质层厚度为30～300nm，阻挡层厚度为20～60nm，金属膜层厚度为10～50nm，pmma胶厚度为200～600nm，紫外固化胶厚度为30～300nm。

本专利所述的纳米柱阵列alxga1-xn层的直径小于aln插入层的直径，形成类核壳结构，有利于紫外光发射器件的光提取。与中国专利cn103383980a所述的制备ingan/gan纳米柱阵列结构相比较，其纳米柱为直筒式的，上下直径一致。阻挡层的设置，是为刻蚀紫外纳米压印图形化并刻蚀成algan纳米柱所用，有利于纳米压印胶的剥离。

本发明利用纳米柱结构，释放异质外延薄膜中的应力，提高器件发光效率；通过改变阵列结构参数，调控光场分布，提高紫外光的抽取效率。采用优化的三层胶紫外软压印技术，可克服algan外延片表面粗糙带来的缺陷，压印图形边缘平滑无锯齿，可实现大面积制备，且纳米柱阵列形状、直径大小可调，结构可转移。本发明方法制得的algan纳米柱阵列能与原设计模板保持一致。对该结构进行二次外延，可制备出核壳结构的纳米柱led器件。纳米柱结构可转移，能与微腔结构、等离激元结合，制备新型微纳紫外光电器件。

附图说明

图1为实施例1中步骤1)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图2为实施例1中步骤2)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图3为实施例1中步骤3)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图4为实施例1中步骤4)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图5为实施例1中步骤5)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图6为实施例1中步骤6)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图7为实施例1中步骤7)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图8为实施例1中步骤8)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图9为实施例1中步骤9)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图10为实施例1中步骤10)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图11为实施例1中步骤11)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图12为实施例1中步骤12)得到的algan纳米柱阵列结构示意图。

图13为algan纳米柱阵列结构的俯视结构示意图。

图14为实施例1中algan纳米柱阵列结构的平面扫描电子显微图像。

图15为实施例1中algan纳米柱阵列结构的截面扫描电子显微图像。

图16为实施例2中algan纳米柱阵列结构的截面扫描电子显微图像。

图17为实施例3中algan纳米柱阵列结构的截面扫描电子显微图像。

图18为实施例4中algan纳米柱阵列结构的截面扫描电子显微图像。

图19为实施例5中algan纳米柱阵列结构的截面扫描电子显微图像。

图20为实施例6中algan纳米柱阵列结构转移后的扫描电子显微图像。

图21为实施例6中algan纳米柱阵列结构转移后的透射电子显微图像。

图22为实施例1中algan纳米柱阵列结构的阴极荧光发光谱。

图23为实施例2中algan纳米柱阵列结构的阴极荧光发光谱。

图24为实施例3中algan纳米柱阵列结构的阴极荧光发光谱。

图25为实施例4中algan纳米柱阵列结构的阴极荧光发光谱。

图26为实施例5中algan纳米柱阵列结构的阴极荧光发光谱。

图27为实施例4中algan平面结构的远场分布模拟图。

图28为实施例4中algan纳米柱阵列结构的远场分布模拟图。

图29为实施例5中algan平面结构的远场分布模拟图。

图30为实施例5中algan纳米柱阵列结构的远场分布模拟图。

图中1-蓝宝石衬底，2-gan缓冲层，3-aln插入层，4-algan层，5-介质层，6-pmma胶，7-插入层，8-紫外固化胶，9-金属膜层。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

实施例1

如图1-10中所示，本algan纳米柱阵列结构的制备方法，其步骤包括：

1)选择x为0.1的gan/aln/algan外延基片，gan缓冲层的厚度为2μm，aln插入层厚度为30nm，algan层的厚度为300nm-0.1μm，用丙酮、异丙醇和去离子水中清洗后，在洁净室用高纯氮气吹干，采用等离子体增强化学汽相沉积法在其表面生长一层高温sio2层，厚度为300nm；

2)将200nm厚的pmma胶旋涂在sio2层表面，然后采用等离子体增强化学汽相沉积法在pmma表面生长一层低温sio2阻挡层，厚度为30nm，再在阻挡层表面旋涂30nm厚的紫外固化胶；

3)利用uv-nil技术，将事先制备好并做过防粘处理的软模板与紫外固化胶层表面紧密接触，在紫外灯下充分曝光使紫外固化胶固化，随后脱模，使软模板与器件表面分开，在器件表面的紫外固化胶层上形成全面积的有序纳米孔阵列，纳米孔阵列直径为250nm，周期为650nm；

4)利用rie技术，通入o2刻蚀紫外固化胶的残余层，直至低温sio2阻挡层，刻蚀条件为：o2流量为10±2sccm，功率40w，压强3pa，刻蚀时间90s；

5)以紫外固化胶为掩膜，利用rie技术，通入chf3对低温阻挡层进行刻蚀，刻蚀条件为：chf3流量为30±5sccm，功率60w，压强3pa，刻蚀时间6min；

6)利用rie技术，通入o2对pmma层进行刻蚀，将纳米孔阵列结构转移至pmma层，刻蚀条件为：o2流量为10±2sccm，功率40w，压强3pa，刻蚀时间2min；

7)采用物理汽相沉积法在样品表面生长一层ni金属膜层，厚度为30nm，用于后续的剥离工艺；

8)采用浸泡丙酮剥离，将纳米孔阵列结构变为纳米柱结构，转移至金属膜层，并采用光刻胶去胶液或者使用反应离子刻蚀技术，去除金属膜层纳米柱阵列表面的pmma胶；

9)采用rie技术，通入chf3和o2的混合气体刻蚀sio2层，使ni金属膜层的纳米柱阵列转移至sio2层，反应离子刻蚀条件：反应刻蚀气体的流量chf3:35sccm；o2:5sccm，功率100w，压强3pa，刻蚀时间15min；

10)采用icp技术，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀铝镓氮层、氮化铝插入层和氮化镓缓冲层，形成贯穿铝镓氮层、氮化铝插入层，深至氮化镓缓冲层的纳米柱阵列，刻蚀参数：cl2和ar流量分别为25±10sccm和5±3sccm，腔体气压：10±5mtorr，dc偏压：300±60v，rf功率50±30w，icp功率：200±100w，频率13.56mhz，刻蚀时间：9min；

11)将样品放置在稀硝酸溶液和氢氟酸溶液中去除残余的金属层和介质层；

12)将样品放置在浓度为2mol/l的koh溶液中90℃水浴加热5min去除刻蚀损伤，对纳米柱进行修饰，使alxga1-xn层的直径小于aln插入层的直径；

制得的algan纳米柱阵列的直径为250nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小30nm，周期为650nm，高度为350nm-0.15μm，其结构如图14-15中所示，其阴极荧光发光谱如图22中所示。

实施例2

该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于选择gan/aln/algan外延基片的al组分x为0.18，algan外延层的厚度为1～1.5μm，icp的刻蚀时间为10min，相应的无机碱溶液的修饰时间为4min。

制得的algan纳米柱阵列结构如图16中所示，其阴极荧光发光谱如图23中所示，纳米柱阵列的直径为350nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小80nm，周期为700nm，高度为1.1～1.6μm。

实施例3

该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于选择gan/aln/algan外延基片的al组分x为0.3，algan外延层的厚度为0.5～1μm，icp的刻蚀时间为12min，相应的无机碱溶液的修饰时间为2min。

制得的algan纳米柱阵列的直径为300nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小50nm，周期为600nm，高度为0.6-1.1μm，其结构如图17中所示，其阴极荧光发光谱如图24中所示。

实施例4

该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于选择gan/aln/algan外延基片的al组分x为0.5，algan外延层的厚度为0.3～0.6μm，icp的刻蚀时间为9min，相应的无机碱溶液的修饰时间为2min。

制得的algan纳米柱阵列的直径为250nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小40nm，周期为600nm，高度为0.35～0.7μm，其结构如图18中所示，其阴极荧光发光谱如图25中所示，。其平面结构模拟的远场分布如图27中所示，纳米柱阵列结构模拟的远场分布如图28中所示。

实施例5

该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于选择gan/aln/algan外延基片的al组分x为0.8，algan外延层的厚度为0.1～0.5μm，icp的刻蚀时间为10min，相应的无机碱溶液的修饰时间为1min。

制得的algan纳米柱阵列的直径为320nm，alxga1-xn层的直径比aln插入层的直径小60nm，周期为600～700nm，高度为0.15nm-0.6μm，其结构如图19中所示，其阴极发光谱如图26中所示。其平面结构模拟的远场分布如图29中所示，纳米柱阵列结构模拟的远场分布如图30中所示。

实施例6

该实施例步骤与实施例4基本一致，其区别在于对制备的阵列结构进行机械分离，然后置入去离子水溶液，100w超声10min后，取溶液滴至硅片表面，置于热台烘干。

制得的algan纳米柱结构如图20中所示，高分辨透射电子显微镜图像如图21中所示，其阴极发光谱如图25中所示。