專利名稱：在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維結(jié)構(gòu)的加工及LED發(fā)光與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于紫外欠曝光和熱流及感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝在GaP表面制備三維類球形結(jié)構(gòu)，并用于實現(xiàn)AlGaInP基LED光提取效率增強的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)因其光電轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，功耗低，無污染等特點，廣泛應(yīng)用于顯示，照明，裝飾等領(lǐng)域。LED的發(fā)光效率主要決定于內(nèi)量子效率和外量子效率兩個方面，其中外量子效率為內(nèi)量子效率與光提取效率的乘積。AlGaInP基紅光LED的內(nèi)量子效率已達到了 95%以上，從內(nèi)量子效率方面入手提高LED發(fā)光效率空間已經(jīng)不是很大。因此，提高光提取率是提高AlGaInP基紅光LED發(fā)光效率的主要途徑。對于AlGaInP基紅光LED，GaP的折射率高達3.4，GaP半導(dǎo)體材料與空氣界面的臨界角約為17°，因此AlGaInP基紅光LED的光提取效率非常的低，這大大限制了 AlGaInP基紅光LED的應(yīng)用。表面粗化是提高LED光提取效率的一種有效方法，表面粗化技術(shù)是將LED表面粗化形成凹凸不平狀，從而大大減少了由于表面全反射而導(dǎo)致無法輻射出LED表面的光比例，提高了 LED的光提取效率。目前的表面粗化結(jié)構(gòu)主要利用濕法腐蝕的方法實現(xiàn)，該方法實現(xiàn)的粗化結(jié)構(gòu)為無規(guī)則的錐形結(jié)構(gòu)，其粗化結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸及周期均不可控。同時由于濕法腐蝕的各向同性，很容易產(chǎn)生鉆蝕和過蝕，導(dǎo)致粗化尺寸和深度受限。另一方面根據(jù)理論模擬計算，對LED光提取效率最有效的粗化結(jié)構(gòu)應(yīng)該是周期性的類球形結(jié)構(gòu)，但由于加工上的困難，目前還沒有直接制備這種結(jié)構(gòu)的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種簡便且高效制備大面積，高占空比，高均勻性和重復(fù)性的GaP類球形結(jié)構(gòu)的方法，是提高AlGaInP基LED光提取效率的有效途徑。為達成所述目的，本發(fā)明提供一種在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，所述制備步驟包括:步驟S1:在需要制備圖形結(jié)構(gòu)的AlGaInP基LED基片上旋涂光刻膠，利用熱板或烘箱對涂覆光刻膠后的樣品進行烘烤，得到覆有光刻膠的樣品；步驟S2:根據(jù)所要制備的圖形尺寸及形狀制備相應(yīng)的掩膜版；步驟S3:利用紫外光刻設(shè)備，并用欠曝光的方法對覆有光刻膠的樣品進行曝光，并將曝光后的樣品進行顯影、定影處理，得到含有光刻膠圖形的樣品；步驟S4:選擇高于光刻膠玻璃化溫度的溫度對含有光刻膠圖形的樣品進行熱流處理，形成三維的類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品；步驟S5:利用干法刻蝕方法，對三維的類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品進行刻蝕，將光刻膠形狀轉(zhuǎn)移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三維類球形結(jié)構(gòu)的樣品；步驟S6:用丙酮溶液或者去膠機去除GaP表面的殘膠，即在AlGaInP基LED的GaP表面得到類球形結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明成功運用紫外欠曝光技術(shù)及熱流致光刻膠流動，首先得到三維類球形狀光刻膠結(jié)構(gòu)，然后通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，控制光刻膠和GaP的刻蝕比，將光刻膠圖形直接轉(zhuǎn)移到GaP表面。紫外曝光技術(shù)是一種簡便有效且可大面積制備均勻性重復(fù)性較好圖形結(jié)構(gòu)的微加工技術(shù)，配合熱流致光刻膠在自身表面張力作用下得到光滑表面的三維類球形結(jié)構(gòu)。通過控制不同熱流溫度結(jié)合不同的刻蝕深度就可以在GaP表面得到不同的類球形結(jié)構(gòu)。該方法是一種簡單且高效制備大面積，高占空比，高均勻性和重復(fù)性的三維類球形結(jié)構(gòu)的方法。且與現(xiàn)有LED工藝兼容，可以在LED工業(yè)化生產(chǎn)上得到應(yīng)用，容易形成產(chǎn)業(yè)化。


圖1.本發(fā)明實施例采用紫外欠曝光技術(shù)配合熱流及干法刻蝕在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2a-圖2h本發(fā)明制備的類球形結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。圖3.是依照本發(fā)明實施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的凹球結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片。圖4.是依照本發(fā)明實施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的碗形體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。實施例1:如圖1示出本發(fā)明實施例采用紫外欠曝光技術(shù)、熱流技術(shù)及干法刻蝕工藝在鋁鎵銦磷(AlGaInP)基發(fā)光二極管(LED)的磷化鎵(GaP)表面制備類球形結(jié)構(gòu)的流程，包括以下步驟:步驟1:樣品清洗:對要制備圖形結(jié)構(gòu)的AlGaInP基LED基片進行清洗，然后對清洗干凈的LED基底進行烘烤處理以去除LED基底表面的水分。烘烤可以選擇在1200C _150°C的熱板上烘烤10分鐘-30分鐘；步驟2:光刻膠的涂覆:將步驟I清洗好的LED基片放入涂膠機里，采用旋涂的方式進行光刻膠的涂覆，根據(jù)曝光類型的不同選取不同的光刻膠，光刻膠旋涂結(jié)束后，利用熱板或烘箱對涂覆光刻膠后的樣品進行烘烤，得到覆有光刻膠的樣品；烘烤的溫度由光刻膠的類型決定。選取的光刻膠可以是正型膠也可以是負型膠，旋涂速度為lOOOrpm-eOOOrpm。步驟3:光刻掩模版的制備:根據(jù)所要制備的圖形尺寸及形狀制備相應(yīng)的掩膜版；步驟4:光刻膠圖形的制備:利用紫外光刻機，用欠曝光的方法對步驟2的涂覆光刻膠后的樣品進行曝光，然后將曝光后的樣品后進行顯影、定影，最后用干燥氮氣將曝光后的樣品吹干即可得到光刻膠圖形的樣品。步驟5:對步驟4得到的光刻膠圖形的樣品進行熱流處理:選擇高于光刻膠玻璃化溫度的溫度對樣品進行熱流處理，光刻膠在重力和表面張力的作用下流動從而呈現(xiàn)出三維的類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品；步驟6:采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法對GaP進行刻蝕，調(diào)節(jié)刻蝕參數(shù)，將光刻膠形狀轉(zhuǎn)移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三維類球形結(jié)構(gòu)的樣品；步驟7:將步驟6得到的樣品用丙酮或去膠機去除GaP表面的殘膠即可在AlGaInP基LED的GaP表面上得到大面積，高占空比，高均勻性的類球形結(jié)構(gòu)；所述光刻膠是紫外光刻膠，在紫外光照下敏感，能實現(xiàn)圖案曝光。對掩模版的類型、掩模版尺寸、掩模版圖形的尺寸、掩模版形狀及陣列排布沒有限制。所述欠曝光方法的曝光劑量是小于使光刻膠完全曝透的劑量，從而得到邊壁不陡直的光刻膠圖形。在上述的技術(shù)方案中，步驟I中所述的清洗是采用丙酮、酒精、超純水三步超聲清洗，每步各清洗3分鐘 5分鐘。在上述的技術(shù)方案中，步驟3所使用的掩模版可以是明場掩膜也可以是暗場掩膜，掩模圖形尺寸從毫米到4英寸，圖形陣列可以選擇四方陣列或者六方陣列等。在上述的技術(shù)方案中，步驟4所用的欠曝光方法的曝光劑量低于正常曝光劑量，約為正常曝光劑量的二分之一到三分之一之間。在上述的技術(shù)方案中，步驟5熱流溫度為略高于光刻膠玻璃化溫度即可。例如S1813膠的玻璃化溫度為110°C，熱流溫度可以選擇115°C _140°C，熱流時間可以選擇0.5分鐘-10分鐘。在上述的技術(shù)方案中，步驟6選擇的刻蝕參數(shù)應(yīng)以光刻膠和GaP的刻蝕比在1:1左右為最佳，刻蝕深度根據(jù)需要進行選擇，一般情況下隨著刻蝕深度的增加，轉(zhuǎn)移圖形的占空比會變大，最大可以達到100%。在上述的技術(shù)方案中，步驟7是為了去除殘膠，以不影響后續(xù)測試為標(biāo)準(zhǔn)，在丙酮中浸泡或者用去膠機去除殘膠即可。在上述的技術(shù)方案中，所述三維類球形結(jié)構(gòu)是凸球結(jié)構(gòu)、凹球結(jié)構(gòu)、碗形體結(jié)構(gòu)、錐狀體結(jié)構(gòu)中的一種。圖2a_圖2h給出了三維類球形結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，其中圖2a示出為凸球結(jié)構(gòu)，圖2b示出為凹球結(jié)構(gòu)，圖2c示出為碗型體結(jié)構(gòu)I,圖2d示出為碗型體結(jié)構(gòu)II,圖2e示出為錐狀體結(jié)構(gòu)I,圖2f示出為錐狀體結(jié)構(gòu)II,圖2g示出為錐狀體結(jié)構(gòu)III,圖2h示出為錐狀體結(jié)構(gòu)IV。實施例2:采用明場掩膜，利用紫外欠曝光技術(shù)及熱流制備三維凹球形的光刻膠結(jié)構(gòu)，并利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕將三維凹球形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到了 AlGaInP基LED的GaP表面，具體實施方法如下:步驟1:將要制作結(jié)構(gòu)的AlGaInP基LED基片進行清洗，采用丙酮、酒精、二次去離子水三步超聲清洗，每步各清洗5分鐘，然后在120°C的熱板上烘烤30分鐘。步驟2:在清洗后的AlGaInP基LED基片上旋涂紫外光刻膠S1813，旋涂厚度為1.5iim，旋涂后樣品在115°C的熱板上烘烤2分鐘。步驟3:利用MA6型紫外光刻機,采用直徑為3iim、周期4iim的六方圓斑陣列的明場掩模版，采用硬接觸模式，曝光劑量為55毫焦/平方厘米(mj/cm2)，曝光后，用MF319顯影液顯影40秒，去離子水定影10秒后用氮氣槍吹干。步驟4:將曝光、顯影后的樣品在120°C的熱板上熱流2分鐘，利于S1813膠流動形成凹球結(jié)構(gòu)步驟5:將步驟4的樣品用感應(yīng)耦合離子體刻蝕設(shè)備進行刻蝕，刻蝕氣體及流量為氯氣(Cl2):6sccm,気氣(Ar):51sccm,刻蝕壓強:7.0毫托(mTorr),功率:射頻(RF):300瓦(W)，感應(yīng)耦合等離子體(ICP):700W，刻蝕時間為5分鐘。步驟6:將刻蝕后的樣品放入丙酮溶液中去除殘留的光刻膠，在AlGaInP基LED的GaP表面得到凹球形結(jié)構(gòu)，如圖3所示為依照本發(fā)明實施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的凹球結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片。實施例3:采用暗場掩膜，利用紫外欠曝光技術(shù)及熱流制備三維碗形的光刻膠結(jié)構(gòu)，并利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕將碗形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到了 AlGaInP基LED的GaP表面，具體實施方法如下:步驟1:將要制作結(jié)構(gòu)的AlGaInP基LED基片進行清洗，采用丙酮、酒精、二次去離子水三步超聲清洗，每步各清洗5分鐘，然后在150°C的熱板上烘烤20分鐘。步驟2:在清洗后的AlGaInP基LED基片上旋涂紫外光刻膠S1813，旋涂厚度為I U m，旋涂后樣品在115°C的熱板上烘烤2分鐘。步驟3:利用MA6型紫外光刻機,采用直徑為3 U m、周期4 ii m的六方圓斑陣列的暗場掩模版，采用硬接觸模式，曝光劑量為60mJ/cm2，曝光后，用MF319顯影液顯影40秒，去離子水定影10秒后用氮氣槍吹干。步驟4:將曝光、顯影后的樣品在120°C的熱板上熱流I分鐘，利于S1813膠流動形成碗形結(jié)構(gòu)步驟5:將步驟4的樣品用感應(yīng)耦合離子刻蝕設(shè)備進行刻蝕，刻蝕氣體及流量為Cl2:8sccm, Ar:45sccm,刻蝕壓強:7.0mTorr,功率:RF:300ff, ICP:500ff,刻蝕時間為 8 分鐘。步驟6:將刻蝕后的樣品放入丙酮溶液中去除殘留的光刻膠，在AlGaInP基LED的GaP表面得到碗形體結(jié)構(gòu)，如圖4所示為依照本發(fā)明實施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的碗形體結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)指出的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，所述制備步驟包括: 步驟S1:在需要制備圖形結(jié)構(gòu)的AlGaInP基LED基片上旋涂光刻膠，利用熱板或烘箱對涂覆光刻膠后的樣品進行烘烤，得到覆有光刻膠的樣品； 步驟S2:根據(jù)所要制備的圖形尺寸及形狀制備相應(yīng)的掩膜版； 步驟S3:利用紫外光刻設(shè)備，并用欠曝光的方法對覆有光刻膠的樣品進行曝光，并將曝光后的樣品進行顯影、定影處理，得到含有光刻膠圖形的樣品； 步驟S4:選擇高于光刻膠玻璃化溫度的溫度對含有光刻膠圖形的樣品進行熱流處理，形成三維的類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品； 步驟S5:利用干法刻蝕方法，對三維的類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品進行刻蝕，將光刻膠形狀轉(zhuǎn)移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三維類球形結(jié)構(gòu)的樣品； 步驟S6:用丙酮溶液或者去膠機去除GaP表面的殘膠，即在AlGaInP基LED的GaP表面得到類球形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述光刻膠是紫外光刻膠，在紫外光照下敏感，能實現(xiàn)圖案曝光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，對掩模版的類型、掩模版尺寸、掩模版圖形的尺寸、掩模版形狀及陣列排布沒有限制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述欠曝光方法的曝光劑量是小于使光刻膠完全曝透的劑量，從而得到邊壁不陡直的光刻膠圖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，熱流溫度為高于光刻膠玻璃化溫度，熱流時間以形成平滑的圓弧形結(jié)構(gòu)為宜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述干法刻蝕是采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述三維類球形結(jié)構(gòu)是凸球結(jié)構(gòu)、凹球結(jié)構(gòu)、碗型體結(jié)構(gòu)、錐形體結(jié)構(gòu)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明是一種在AlGaInP基LED的GaP表面制備類球形結(jié)構(gòu)的方法，其步驟包括在AlGaInP基LED的GaP表面旋涂光刻膠，利用熱板或烘箱對其進行烘烤；根據(jù)所要制備的圖形尺寸及形狀制備掩膜版；利用紫外光刻設(shè)備，采用欠曝光對樣品進行曝光并顯影；選擇合適的溫度對曝光后的樣品進行熱流處理，形成類球形形狀的光刻膠結(jié)構(gòu)樣品；將光刻膠結(jié)構(gòu)樣品用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備進行刻蝕，從而將光刻膠形狀轉(zhuǎn)移到GaP表面；用丙酮溶液或者去膠機去除樣品表面的殘膠即得到增強AlGaInP基LED光提取效率的GaP類球形結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L33/00GK103107252SQ20131006148
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者楊海方, 尹紅星, 顧長志, 劉哲, 夏曉翔 申請人:中國科學(xué)院物理研究所