本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管及其制作方法。

背景技術(shù)：

近幾年來(lái)，氮化鎵基的微納米金字塔結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管成為研究的熱門話題之一。在氮化鎵基金字塔結(jié)構(gòu)的半極性或非極性的塔面，可生長(zhǎng)得到低位錯(cuò)密度、低應(yīng)力的InGaN量子阱，從而極大地減小QCSE效應(yīng)，提高器件的出光效率。

柔性LED可以廣泛應(yīng)用于顯示屏，柔性電子書，等其他目前想象不到的應(yīng)用中。無(wú)機(jī)的柔性LED相比于OLEDs，在壽命，亮度，效率等方面有很大優(yōu)勢(shì)。

然而，傳統(tǒng)的氮化鎵基LED是生長(zhǎng)于藍(lán)寶石、硅等非柔性的襯底上，由金線或引腳實(shí)現(xiàn)電學(xué)相連。因此，它們不具有機(jī)械可變形性，這限制了無(wú)機(jī)LED在柔性器件上的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管及其制作方法，相互分立的金字塔陣列為實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)的柔性LED提供了可能性，該方法工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明公開了一種制作柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的方法，包括以下步驟：

步驟1：用激光打孔的方式，制得圖形化藍(lán)寶石襯底，并生長(zhǎng)金字塔陣列；

步驟2：在p型氮化鎵表面生長(zhǎng)一層透明導(dǎo)電層；

步驟3：用絕緣材料填充金字塔陣列之間的空隙，刻蝕并露出金字塔的頂端；

步驟4：石墨烯轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)外延片、石墨烯電極以及PET襯底的相連；

步驟5：激光剝離去除藍(lán)寶石襯底，并在石墨烯表層制作p面歐姆接觸及金屬電極；

步驟6：在n面蒸鍍掩膜，并涂覆2～3μm的涂覆材料；

步驟7：刻蝕掉n面凸起上方的光刻膠或其他材料，并用酸腐蝕掉露出的掩膜；

步驟8：刻蝕u-GaN并用酸洗掉剩余的掩膜；

步驟9：在n面上制作歐姆接觸以及金屬電極，得到柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管。

步驟2中，所述透明導(dǎo)電層為ITO。

步驟3中，所述絕緣材料為PMMA、PDMS或硅膠，采用O₂和CF₄的混合氣體進(jìn)行刻蝕。

步驟4的具體操作為：采用CVD方法在Cu箔上制備單層的石墨烯，并在石墨烯上涂覆PMMA層作為支撐，用FeCl₃溶液腐蝕掉Cu箔，并用清水沖洗；將涂覆PMMA的石墨烯轉(zhuǎn)移到金字塔外延片上，使其平整的覆蓋金字塔的塔面；在水漬未干的情況下，將PET襯底貼附在轉(zhuǎn)移好的石墨烯上層的PMMA面，在80℃下加壓烘烤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)透明導(dǎo)電層的制作和襯底的轉(zhuǎn)移。

步驟5中，采用激光剝離法去除藍(lán)寶石襯底，剝離所需的脈沖功率控制在550mJ/cm²到780mJ/cm²之間，具體數(shù)值受金字塔陣列的密度影響。

步驟5中，p面歐姆接觸及金屬電極材料選用Ni、Ag、Pt、Au、Al或Ti中的一種或幾種。

步驟6中，在n面蒸鍍的掩膜選用二氧化硅或鎳；涂覆材料選用光刻膠、PMMA、PDMS或者硅膠。

步驟7中，以二氧化硅或鎳作為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法，以Cl₂和BeCl₃的混合氣體刻蝕u-GaN。

步驟9中，歐姆接觸以及金屬電極選用的材料為Ni、Ag、Pt、Au、Al或Ti中的一種或幾種。

本發(fā)明還公開了采用上述方法制得的柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的制作柔性金字塔陣列GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的方法，主要包括p面電極的制作、襯底的轉(zhuǎn)移及激光剝離、正面電極的制作三部分，金字塔結(jié)構(gòu)是在激光打孔得到的藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)的，這種方式不僅操作簡(jiǎn)便而且形成3D的孔結(jié)構(gòu)可用于減小位錯(cuò)和應(yīng)力，并且相互分立的金字塔陣列為實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)的柔性LED提供了可能性；通過(guò)沉積透明導(dǎo)電薄膜保證p面金字塔電流分布的均勻性；用絕緣材料填充金字塔之間的空隙，以實(shí)現(xiàn)金字塔的平整化；采用石墨烯(或Ag納米線等新型材料)實(shí)現(xiàn)金字塔之間的電學(xué)相連，同時(shí)將石墨烯轉(zhuǎn)移和襯底轉(zhuǎn)移步驟合二為一，在簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)保證了石墨烯的完整性。本發(fā)明首次將激光剝離技術(shù)應(yīng)用于柔性金字塔器件的制作，避免了化學(xué)腐蝕或機(jī)械剝離方法對(duì)器件產(chǎn)生的傷害，巧妙利用了激光打孔伸生長(zhǎng)的金字塔結(jié)構(gòu)背面的凸起，在無(wú)需掩膜的情況下可實(shí)現(xiàn)局域性光刻，以及量子阱的側(cè)壁保護(hù)以及u-GaN的刻蝕。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的制備流程圖；

圖2為在激光打孔制作的圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的金字塔外延結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為絕緣材料的填充及刻蝕示意圖；

圖4為石墨烯轉(zhuǎn)移及襯底轉(zhuǎn)移示意圖；

圖5為藍(lán)寶石剝離后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為n面刻蝕掩膜制作示意圖；

圖7為n面掩膜刻蝕示意圖；

圖8為u-GaN刻蝕示意圖；

圖9電極制作示意圖；

圖10為藍(lán)寶石剝離后背面SEM圖；其中，(a)為藍(lán)寶石剝離后在放大3000倍的SEM圖；(b)為放大10000倍的SEM圖；

圖11為n面掩膜制作SEM圖。

圖中，1為襯底；11為藍(lán)寶石襯底；12為SiO₂掩膜；2為L(zhǎng)ED金字塔陣列；21為非故意摻雜氮化鎵；22為n型氮化鎵；23為量子阱；24為p型氮化鎵；25為透明導(dǎo)電層；31為PET襯底；32為PMMA層；33為單層石墨烯；34為PDMS層；41為u-GaN刻蝕的掩膜；42為涂覆材料；51為p面電極；52為n面電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明的關(guān)鍵在于電極的制作和襯底的轉(zhuǎn)移，為保證p面電流的均勻性和金字塔p面之間的電學(xué)相連，本發(fā)明采用雙層透明導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，金字塔表面沉積透明導(dǎo)電層保證金字塔電流的均勻性，金字塔平整化后上層覆蓋的透明導(dǎo)電層確保良好的金字塔之間良好的電學(xué)相連。由于金字塔是直接生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底，無(wú)n-GaN連接金字塔的n面。n面電極的制作成為了本發(fā)明的關(guān)鍵，需要實(shí)現(xiàn)局域性的刻蝕以及量子阱的側(cè)壁保護(hù)。

本發(fā)明巧妙地利用了金字塔結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程中形成的凸起，在無(wú)需光刻的情況下即可實(shí)現(xiàn)局域性的刻蝕和側(cè)壁保護(hù)。除此之外，本發(fā)明提出了將石墨烯轉(zhuǎn)移和襯底轉(zhuǎn)移相結(jié)合的工藝，并首次將激光剝離技術(shù)應(yīng)用于柔性金字塔器件的 制作。在本發(fā)明的工藝中，無(wú)需去除石墨烯的PMMA支撐成層，可保證石墨烯轉(zhuǎn)移過(guò)程中的完整性。

本發(fā)明提供一種制作柔性金字塔陣列氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的方法，工藝流程請(qǐng)參閱圖1，具體步驟包括：

步驟1：在SiO₂掩膜12覆蓋的藍(lán)寶石襯底11上通過(guò)激光打孔的方式得到圖形化的襯底1，并在該襯底上生長(zhǎng)氮化鎵基的LED金字塔陣列2(參見(jiàn)圖2)，金字塔陣列外延結(jié)構(gòu)包括2um厚的非故意摻雜氮化鎵21、1um厚的n型氮化鎵22、10組量子阱23和100nm厚的p型氮化鎵24。

步驟2：p型氮化鎵層具有很高的電阻率，為保證金字塔上電流分布的均勻性，在金字塔表面淀積一層100到200nm的透明導(dǎo)電層25(參見(jiàn)圖2)，透明導(dǎo)電層可以是ITO或其他透光率導(dǎo)電率良好的材料。

步驟3：為了填平金字塔之間的空隙，用勻膠機(jī)旋涂一層3um的PDMS或PMMA。對(duì)于PDMS來(lái)說(shuō)，A、B膠的配比為1:10，旋轉(zhuǎn)速率為6000r/min。旋涂后靜置5min，由于PDMS良好的流動(dòng)性，PDMS將會(huì)填滿圓盤之間的空隙。在90℃高溫下烘烤1h，使得PDMS固化。

步驟4：接下來(lái)的PDMS(或PMMA)刻蝕工藝是實(shí)現(xiàn)良好的p面電極制作的關(guān)鍵，參照?qǐng)D3。需要精確控制PDMS層34刻蝕的深度和均勻性。PDMS可以用O₂和CF₄的混合氣體進(jìn)行刻蝕，當(dāng)O₂與CF₄氣體的比率為1:3時(shí)，刻蝕速率最高。PDMS刻蝕的速率和粗糙度也與ICP工作的射頻功率及氣體壓強(qiáng)有關(guān)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，當(dāng)?shù)入x子體功率為350W，壓強(qiáng)為6.5Pa時(shí)，刻蝕速率為100nm/min。刻蝕的粗糙度可以保證在百納米以下。通過(guò)對(duì)氧等離子刻蝕工藝的調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)均勻的PDMS刻蝕，保證只有金字塔頂面露出。

步驟5：石墨烯轉(zhuǎn)移，參見(jiàn)圖4，采用CVD方法在Cu箔上制備單層的石墨烯33，并在石墨烯上涂覆PMMA層32作為支撐。用FeCl₃溶液腐蝕掉Cu箔，并用清水沖洗。將得到的涂覆PMMA的石墨烯直接轉(zhuǎn)移到金字塔外延片 上，使其平整的覆蓋金字塔的塔面。在水漬未干的情況下，將PET襯底31同時(shí)貼附在轉(zhuǎn)移好的石墨烯上層的PMMA面，以實(shí)現(xiàn)襯底的轉(zhuǎn)移。為保證良好的機(jī)械結(jié)合，PET襯底上也可涂覆半固化的PDMS，并將轉(zhuǎn)移后的外延片及襯底加壓加熱30min。

步驟6：通過(guò)激光剝離的方式，將步驟5中的藍(lán)寶石襯底11剝離(參照?qǐng)D5及圖10，其中，(a)為藍(lán)寶石剝離后在放大3000倍的SEM圖；(b)為放大10000倍的SEM圖)，剝離所需的脈沖功率控制在550mJ/cm₂到780mJ/cm₂之間，具體數(shù)值受金字塔陣列的密度影響；并在非芯片區(qū)域的石墨烯表層蒸鍍p電極，電極材料可選用Ni、Ag、Pt、Au、Al或Ti，或及其組合。P面電極51也可在最后與n面電極52一起蒸鍍。

步驟7：步驟6中露出的金字塔背面u-GaN有1到2um的凸起，如圖5及圖11所示。先蒸鍍500nm二氧化硅、鎳或其他金屬41作為u-GaN刻蝕的掩膜，參見(jiàn)圖6。

步驟8：在步驟7得到的器件表面涂覆一層2到3um的光刻膠、PMMA、PDMS或者硅膠等涂覆材料42，由于重力作用，GaN凸起上方的涂覆材料厚度較薄，其他非凸起區(qū)域PDMS較厚，參見(jiàn)圖6。

步驟9：通過(guò)控制曝光時(shí)間，能量可控制曝光的深度，以保證只有凸起上方的光刻膠曝光完全；或通過(guò)控制等離子體刻蝕的功率、壓強(qiáng)以及氣體流量，可精確的控制刻蝕速率和刻蝕深度，以保證只有凸起上方的其他涂覆材料被刻蝕完?？涛g后器件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。露出的凸起上方的二氧化硅可用氫氟酸去除，鎳可用硝酸去除。

步驟10：以二氧化硅或鎳作為掩膜，用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，Cl2和BeCl3的混合氣體刻蝕u-GaN刻蝕2um左右的u-GaN層，參照?qǐng)D8。

步驟11：蒸鍍n型電極52的材料可選Ni、Ag、Pt、Au、Al或Ti，或及其組合，最終的器件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

綜上所述，金字塔結(jié)構(gòu)是在激光打孔得到的藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)的，不僅操作簡(jiǎn)便而且形成3D的孔結(jié)構(gòu)可用于減小位錯(cuò)和應(yīng)力，并且相互分立的金字塔陣列為實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)的柔性LED提供了可能性；通過(guò)沉積透明導(dǎo)電薄膜保證p面金字塔電流分布的均勻性；用絕緣材料填充金字塔之間的空隙，以實(shí)現(xiàn)金字塔的平整化；采用石墨烯等新型材料實(shí)現(xiàn)金字塔之間的電學(xué)相連，同時(shí)將石墨烯轉(zhuǎn)移和襯底轉(zhuǎn)移步驟合二為一，在簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)保證了石墨烯的完整性；巧妙利用了激光打孔伸生長(zhǎng)的金字塔結(jié)構(gòu)背面的凸起，在無(wú)需掩膜的情況下可實(shí)現(xiàn)局域性光刻，以及量子阱的側(cè)壁保護(hù)以及u-GaN的刻蝕。