CN110416372B - 一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向micro‑LED应用的无损微纳结构的制备方法。本发明通过电子束光刻实现微米或纳米级图形的转移和制备，灵活性强，适用于多种微、纳米器件结构的制备；规避了等离子体刻蚀损伤的引入对材料辐射复合效率的降低作用，有利于进一步提高于光电器件的性能；晶格选择性热化学刻相比传统的半导体刻蚀工艺，获得的位点可控的微米或纳米结构侧壁具有高度陡直性和光滑性，不受刻蚀工艺限制，能够获得不同极性面的位点可控的纳米结构；利用热化学刻蚀工艺制备micro‑LED，无刻蚀损伤引入，改善器件性能，同时兼有现有工艺，能够实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法。
背景技术
低维半导体材料，包括零维量子点和一维纳米线及与之相关的纳米结构，具有很高的晶体质量、优异的光学和电学性质，受到广泛应用，例如高效率发光器件、微机电***MEMS传感器、单电子存储器以及单光子发射器件。随着宽禁带半导体材料的开发与应用，新一代绿色环保型固态照明光源GaN基白光LED已经受到科技和产业界越来越多的关注。随着半导体制造业的发展，微米发光二极管(micro-LED)被广泛应用，与传统的照明光源相比，micro-LED照明具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低和易于集成等优点。等离子体干法刻蚀技术是制备micro-LED过程中十分重要的一项工艺，对于微、纳米台面的制备不可或缺，常见有反应离子刻蚀RIE或者等离子耦合反应离子刻蚀ICP-RIE。相比其他干法刻蚀和化学湿法腐蚀，等离子体刻蚀具有良好的刻蚀速率、选择比、刻蚀表面形貌和各项异性。但是在制作LED的过程中，等离子体持续轰击会对被刻蚀材料造成离子损伤，直接影响micro-LED的I-V特性和发光性能。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种面向micro-LED应用的无损微纳结构的制备方法；相比传统的ICP刻蚀，避免了刻蚀损伤的引入，极大地提高了微纳结构的本征晶体质量，并结合传统半导体器件制造工艺制备了具备无损台面的micro-LED，从而提高此类micro-LED器件的发光效率。
本发明的一个目的在于提出一种无刻蚀损伤可控微纳结构的制备方法。
本发明的无刻蚀损伤可控微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
1)选取氮化物半导体外延片，晶格具有分解各向异性，以六方晶格构型稳定存在，其主晶面为极性面，其他的晶面为半极性面或非极性面，对氮化物半导体外延片进行预处理，使得表面洁净；
2)在氮化物半导体外延片上沉积掩膜层，掩膜层采用耐高温材料，掩膜层的材料的分解温度高于氮化物半导体外延片的分解温度；
3)根据所制备的位点可控的微纳结构的要求，设计曝光版图；
4)在掩膜层上旋涂光刻胶，采用图形转移法将设计好的曝光版图转移到光刻胶上；
5)利用等离子体耦合反应离子刻蚀ICP技术，对掩膜层进行干法刻蚀，刻蚀得到图形化掩膜；
6)根据所制备的微纳结构的尺寸、位置和材料的晶格极性，确定热化学刻蚀的温度和压强，在分子束外延MBE的超高真空设备中进行晶格选择性热化学刻蚀；
7)在图形化掩膜保护下，其下方的III族氮化物不会发生热分解，周围则迅速分解，其形貌从二维向一维过度，并且不同晶格极性的晶面具有不同的分解温度，具有各向异性，晶格极性决定各个晶面表面能不同，在热化学刻蚀温度和压强下，分解温度低于热化学刻蚀温度的晶面率先分解，而分解温度在热化学刻蚀温度附近的晶面分解缓慢，分解温度大于热化学刻蚀温度的晶面几乎不分解，且分解速率各不相同，微观上分解的原子从不同晶面逃逸，最终被MBE的真空泵抽走，宏观上其分解路径受到晶格极性的调控，控制温度和时间，最终获得期望的位点可控的微纳结构，由于没有采用等离子体与半导体材反应刻蚀，规避了刻蚀损伤的引入，且各个晶面严格按照各自路径分解，使获得的纳米线结构具有陡直和光滑的侧壁；
8)刻蚀去掉图形化掩膜。
其中，在步骤1)中，氮化物半导体外延片采用分子束外延MBE或者金属有机物气象外延MOCVD的方法制备，氮化物半导体外延片的衬底采用蓝宝石、硅或者其自支撑衬底。氮化物半导体外延片为III族、II-VI族或III-V族氮化物半导体外延片；如氮化镓GaN、氮化铟InN、氮化铝AlN或者它们的三元合金。
在步骤2)中，掩膜层的材料采用二氧化硅或者氮化硅，沉积方法采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD或者化学气相外延法。
在步骤4)中，利用电子束曝光EBL法或者紫外光刻法，将曝光版图的图形转移到掩膜层上，如需在曝光、显影、定影后保留非曝光区域的光刻胶，则选择正胶，而如果要保留曝光区域的光刻胶则应选择负胶，基于此原则设计曝光版图。
在步骤5)中，利用ICP刻蚀出与所制备位点可控的微纳结构的图形一致的图形化掩膜，此时步骤4)中曝光工艺结束后留下的光刻胶用作ICP工艺的抗刻蚀层，而步骤2)中沉积的掩膜层作为被刻蚀材料，此时选择的刻蚀气体不会对步骤1)所述的氮化物半导体外延片造成刻蚀；形成的图形化掩膜层对其下方半导体材料的表面悬挂键形成保护，使其在高温下不易分解，而图形化掩膜本身为耐高温材料，而未被图形化掩膜覆盖区域的半导体材料在高温下会逐渐分解解离。
在步骤6)中，采用具有超高真空氛围的MBE腔体，避免引入其他杂质，保证所得纳米线质量具有高纯度，选择性热化学刻蚀是指在特定的真空度(压强)和温度下，掩膜层的材料与氮化物半导体外延片的分解温度具有较大差异；分解温度在750～1150℃，压强在1×10-6torr以下，微纳结构为微米和纳米线阵列以及微米和纳米光学微腔中第一种，分解过程可利用残余气体分析仪(Residual Gas Analysis)或反射式高能电子衍射仪(RHEED)进行原位监控以调整分解速率。
本发明的另一个目的在于提供一种面向micro-LED的无损制备方法。
本发明的面向micro-LED的无损制备方法，包括以下步骤：
1)选取氮化物半导体LED外延片，氮化物半导体LED外延片从下至上依次为衬底、N型掺杂层、发光有源区和P型掺杂层，氮化物半导体LED外延片的晶格具有分解各向异性，主晶面为极性面，其他的晶面为半极性面或非极性面，对氮化物半导体LED外延片进行预处理，使得表面洁净；
2)在氮化物半导体外延片上先沉积金属，再沉积掩膜层，掩膜层采用耐高温材料，掩膜层的材料的分解温度高于氮化物半导体外延片的分解温度；
3)根据所制备的micro-LED台面阵列的要求，设计曝光版图；
4)在掩膜层上旋涂光刻胶，采用图形转移法将设计好的曝光版图转移到光刻胶上；
5)根据所micro-LED台面阵列的位置和尺寸，确定刻蚀条件，对掩膜层进行干法刻蚀，获得图形化掩膜；
6)根据所制备的micro-LED台面阵列的尺寸、位置和材料的晶格极性，确定退火温度，在MBE超高真空设备中进行晶格选择性热化学刻蚀；
7)在图形化掩膜的保护下，在图形化掩膜下的氮化物半导体LED外延片不会发生热分解，其周围则迅速分解，形貌从二维向一维过度，通过控制热化学刻蚀的温度和时间，获得期望的micro-LED台面阵列，并规避了引入刻蚀损伤，在热化学刻蚀过程中，将温度调至形成欧姆接触的温度并控制时间，使得沉积的金属与P型掺杂层同时形成P型欧姆接触；
8)刻蚀去掉图形化掩膜；
9)沉积绝缘层；
10)在需要形成N型电极处光刻开窗，沉积金属，快速热退火形成N型电极同时形成N型欧姆接触；
11)在需要形成P型电极处光刻开窗，沉积金属形成P型电极，并且在P型电极与N型电极之间沉积金属形成互联电极；
12)对氮化物半导体LED外延片的背面进行表面粗化。
其中，在步骤1)中，氮化物半导体LED外延片采用氮化镓基氮化物半导体外延片；根据应用需求选择氮化物半导体LED外延片的发光波长为300nm～500nm可调。
在步骤2)中，采用电子束蒸发法或者磁控溅射法在P型掺杂层上沉积金属，再沉积耐高温的掩膜材料，耐高温的掩膜材料采用SiN或者SiO2。
在步骤3)中，设计的图形为PIN型micro-LED台面。
在步骤4)中，图形化转移法采用紫外光刻或者是电子束曝光EBL，选择负性光刻胶，在显影定影后台面区域依旧保留光刻胶，其他区域则为步骤2)中沉积的耐高温材料。
在步骤5)中，利用步骤4)中显影定影后留下的光刻胶作为抗刻蚀层，使用ICP进行刻蚀，去除台面区域外的金属和掩膜层，实现图形的一次转移，此过程刻蚀气体未对氮化物半导体LED外延片造成刻蚀。
在步骤6)中，利用晶格的极性驱动的晶体表面能各向异性调控热化学刻蚀过程，基本规律为：在热化学刻蚀温度和压强下，主晶面分解较慢，半极性面或非极性面分解速率较快。
在步骤8)中，在利用选择性热化学刻蚀获得micro-LED台面阵列的过程中，在形成欧姆接触温度下，沉积的金属与P型掺杂层形成P型欧姆接触，此过程与利用快速退火炉形成欧姆接触的原理一致。
在步骤9)中，绝缘层为二氧化硅、氮化硅或者氮化铝材料，沉积方法为电子束蒸发或者磁控溅射。
在步骤10)中，沉积N型电极的金属采用电子束蒸发法或者磁控溅射法。
在步骤11)中，沉积P型电极的金属和互联电极采用电子束蒸发法或者磁控溅射法，。
在步骤10)和步骤11)中，光刻开窗是指利用光刻选择出开孔区域，再利用干法刻蚀或者化学腐蚀的方法暴露出窗口。
在步骤12)中，利用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法粗化氮化物半导体LED外延片的背面，以提高micro-LED的出光效率。
本发明的优点：
本发明通过电子束光刻实现微米或纳米纳米级图形的转移和制备，灵活性强，适用于多种微、纳米器件结构的制备；规避了等离子体刻蚀损伤的引入对材料辐射复合效率的降低作用，有利于进一步提高于光电器件的性能；晶格选择性热化学刻相比传统的半导体刻蚀工艺，获得的位点可控的微米或纳米结构侧壁具有高度陡直性和光滑性，不受刻蚀工艺限制，能够获得不同极性面的位点可控的纳米结构；利用热化学刻蚀工艺制备micro-LED，无刻蚀损伤引入，改善器件性能，同时兼有现有工艺，能够实现批量生产。
附图说明
图1为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例一得到的在(0001)面GaN上外延氮化硅后得到的氮化物半导体外延片的结构示意图；
图2为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例一中利用电子束曝光后的局部示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图3为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例一中利用ICP刻蚀氮化硅掩膜层后的局部示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图4为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例一中热化学刻蚀过程的示意图，C为非极性面GaN原子的分解方向，B为极性面GaN原子的分解方向；
图5为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例一中热化学刻蚀后得到的纳米线阵列的局部示意图，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图6为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例二中沉积氮化硅掩膜层后的示意图；
图7为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例二中得到具有AlGaN圆环回音壁微腔结构的局部示意图，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中沿A-A’线的剖面图；
图8为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中得到具有氮化物半导体LED外延片以及金属和掩膜层的示意图，；
图9为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中得到具有图形化掩膜的局部示意图；
图10为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中热化学刻蚀后得到的micro-LED台面阵列的结构示意图；
图11为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中制备N型电极后的示意图；
图12为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中制备P型电极以及互联电极后的示意图；
图13为根据本发明的无刻蚀损伤可控纳米结构的制备方法的实施例三中表面粗化后的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
本实施例中，氮化物半导体外延片采用GaN外延片；掩膜层的材料为氮化硅；纳米结构的图形采用周期性的柱状二维点阵，图形转移方法采用电子束曝光；热化学刻蚀过程在超高真空腔室中进行，热刻蚀过程采用反射式高能电子衍射仪RHEED进行原位监控。
本实施例的无刻蚀损伤GaN位点可控的纳米结构的制备方法，包括以下步骤：
1)选取以蓝宝石为基底的氮化镓外延片：
纤锌矿GaN沿[0001]方向分解速率大于沿
和
方向的分解速率，选择(0001)面GaN作为衬底，使得
和
方向在衬底面内，有利于热分解形成金属极性位点可控的纳米结构。对氮化镓外延片进行预处理，使衬底表面洁净。
2)沉积氮化硅掩膜层：
根据热化学刻蚀机制，选择氮化硅作为掩膜材料，利用电子束蒸发技术沉积氮化硅外延1-3。由于氮化硅在真空中的分解温度远高于氮化镓外延层1-2，因此可以利用氮化硅做掩膜保护其下方的氮化镓外延层1-2不会热分解，而周围的氮化镓外延层1-2依照晶格选择性热分解调控效应逐渐分解，达到热化学刻蚀的效果。
3)根据无刻蚀损伤GaN位点可控的纳米结构的要求，设计曝光版图。
4)旋涂负性电子束光刻胶，利用电子束曝光技术将图形转移至氮化硅掩膜上，图形为圆柱状等间距排布的二维点阵，相邻两点之间的距离为T＝3um、直径D＝500nm，，显影定影后效果如图2所示，其中1-1为蓝宝石基底，1-2为氮化镓外延层，1-3为氮化硅外延，1-4为电子束光刻胶。
5)刻蚀掩膜层，获得图形化掩膜：
利用光刻胶作为掩膜对氮化硅进行刻蚀，获得氮化硅图形化阵列，如图3所示，其中1-1为蓝宝石基底，1-2为氮化镓外延层，1-3为氮化硅外延。并对图形化掩膜衬底进行预处理，使图形化掩膜衬底的表面洁净：
首先，用化学方法清洗图形化衬底，去除残余的电子束光刻胶，使用三氯乙烯、丙酮、酒精轻微超声，使得图形化掩膜衬底的表面清洁；然后，将图形化掩膜衬底送至MBE***，升温到约500℃，烘烤10～30min，去除表面残余有机物和水蒸气；
6)根据阵列纳米线的直径和长度，确定热化学刻蚀的温度区间：
根据晶格极性驱动热分解规律及超高真空腔室压强-温度对氮化物材料分解温度的影响机制，确定合适的分解区温度-压强区间，在MBE设备中氮化镓金属极性面的分解温度区间为650～720℃，N极性面则为750℃～850℃。在温度区间内极性面分解速率约为Vpolarity＝12nm/min，非极性面分解速率约为Vnon-polarity＝2nm/min，分解过程如图4所示，其中1-1为蓝宝石基底，1-2为氮化镓外延层，1-3为氮化硅外延，C为非极性面氮化镓原子的分解方向，B为极性面氮化镓原子的分解方向。
7)在图形化掩膜保护下，其下方的III族氮化物不会发生热分解，周围则迅速分解，其形貌从二维向一维过度，并且不同晶格极性的晶面具有不同的分解温度，具有各向异性，晶格极性决定各个晶面表面能不同，在热化学刻蚀温度和压强下，分解温度低于热化学刻蚀温度的晶面率先分解，而分解温度在热化学刻蚀温度附近的晶面分解缓慢，分解温度大于热化学刻蚀温度的晶面几乎不分解，且分解速率各不相同，微观上分解的原子从不同晶面逃逸，最终被MBE的真空泵抽走，宏观上其分解路径受到晶格极性的调控，控制温度和时间，最终获得期望的位点可控的纳米结构，由于没有采用等离子体与半导体材反应刻蚀，规避了刻蚀损伤的引入，且各个晶面严格按照各自路径分解，使获得的纳米线结构具有陡直和光滑的侧壁。
8)去除掩膜：
在选择性热化学刻蚀工艺结束后，将样品从MBE腔体中取出，在位点可控的纳米结构顶部还留有掩膜层，在HF水溶液或者HF缓冲溶液BOE中浸泡3min将其去除，同时使所得样品表面洁净，所得氮化镓纳米线为金属极性，因此呈现六方对称金字塔尖状形貌，如图5所示，其中1-1为蓝宝石基底，1-5为制备完成的无刻蚀损伤的氮化镓纳米线阵列。
本方法制备的氮化镓可控阵列纳米线具有优良的表面形貌和晶体质量，扫描电子显微镜SEM测试表明纳米线侧壁陡直、光滑，纳米线沿[0001]方向的分解速率明显高于
方向，透射电子显微镜表明分解侧壁无刻蚀损伤，晶体质量优异。
实施例二
本实施例中无刻蚀损伤回音壁微腔LED，如图6所示，首先采用MOCVD或者MBE在蓝宝石基底1-1上生长In(Ga)/GaN多量子阱LED结构2-2，再在LED结构上再外延3um Al(Ga)N层2-3，接着沉积用于热分解刻蚀的氮化硅掩膜2-4，最后旋涂负性紫外光刻胶2-5。
本实施例的无刻蚀损伤回音壁微腔LED制备方法，包括以下步骤：
1)制备LED结构样品：
使用MOCVD或者MBE方法在蓝宝石衬底上依次外延GaN、InGaN/GaN多量子阱、GaN盖层，根据发光波长调整多量子阱层InGaN阱层In组分及其和GaN垒层的厚度。
2)外延回音壁层和氮化硅掩膜层：
根据上述设计的LED的发光波段以及模式选择，设计Al组分在0～0.3的Al(Ga)N作为回音壁材料，同时这层AlGaN还能作为电子阻挡层进一步提高多量子阱的发光效率。工艺流程如下，首先采用MBE或者MOCVD方法AlGaN；接着，根据热化学刻蚀机制，选择氮化硅作为掩膜材料。由于氮化硅在真空中的分解温度远高AlGaN，利用氮化硅做掩膜可以保护其下方的Al(Ga)N回音壁层不会热分解，而周围的氮Al(Ga)N材料沿晶格选择性热分解调控效应逐渐分解，达到热化学刻蚀的效果。对沉积了氮化硅和Al(Ga)N LED样品进行预处理，使衬底表面洁净。
3)根据回音壁微腔结构的要求，设计图形，利用紫外光刻技术将图形转移至氮化硅掩膜上，图形为回音壁同心环状，回音壁腔体内径d＝1um，外径D＝1.1um，壁厚W＝D-d＝100nm、回音壁腔体周期T＝1um。
4)旋涂负性紫外光刻胶，刻蚀掩膜层，获得图形化掩膜：
在显影定影后，利用残余光刻胶作为掩膜对氮化硅进行ICP刻蚀，获得与回音壁结构曝光图形一致的氮图形化掩膜。对图形化掩膜衬底进行预处理，使图形化掩膜衬底的表面洁净：
首先，用化学方法清洗图形化衬底，使得图形化掩膜衬底的表面清洁；然后，将图形化掩膜衬底升温至约500℃，烘烤10～30min。
5)根据回音壁微腔结构的结构参数，确定热化学刻蚀的温度区间：
根据晶格极性驱动热分解规律及超高真空腔室压强-温度对氮化物材料分解温度的影响机制，确定合适的分解区温度-压强区间，在MBE设备中，AlGaN的金属极性面分解温度区间为850～920℃，N极性面则为950℃～1000℃。在温度区间内极性面分解速率约为Vpolarity＝10nm/min，非极性面分解速率约为Vnon-polarity＝3nm/min。
6)在选择性热化学刻蚀工艺结束后，将样品从MBE腔体中取出，使用HF水溶液或者HF缓冲溶液BOE去除残留的氮化硅掩膜，最终结构如图7所示，其中1-1为蓝宝石基底，2-2为In(Ga)/GaN多量子阱LED结构，2-6为AlGaN回音壁微腔，D为AlGaN回音壁微腔的外径，d为AlGaN回音壁微腔的内径。
7)在图形化掩膜保护下，其下方的III族氮化物不会发生热分解，周围则迅速分解，其形貌从二维向一维过度，并且不同晶格极性的晶面具有不同的分解温度，具有各向异性，晶格极性决定各个晶面表面能不同，在热化学刻蚀温度和压强下，分解温度低于热化学刻蚀温度的晶面率先分解，而分解温度在热化学刻蚀温度附近的晶面分解缓慢，分解温度大于热化学刻蚀温度的晶面几乎不分解，且分解速率各不相同，微观上分解的原子从不同晶面逃逸，最终被MBE的真空泵抽走，宏观上其分解路径受到晶格极性的调控，控制温度和时间，最终获得期望的位点可控的纳米结构，由于没有采用等离子体与半导体材反应刻蚀，规避了刻蚀损伤的引入，且各个晶面严格按照各自路径分解，使获得的纳米线结构具有陡直和光滑的侧壁。
8)刻蚀去掉图形化掩膜。
本方法获得的回音壁微腔结构具有陡直、光滑的侧壁，没有引入刻蚀损伤，具有较高的晶体质量，扫描电子显微镜SEM测试表明纳米线侧壁陡直、光滑，透射电子显微镜表明分解侧壁无刻蚀损伤，晶体质量优异。
实施例三
本实施例中，提供一种面向GaN基micro-LED的无损制备方法，包括以下步骤：
1)制备高质量氮化镓基LED外延片：
如图8所示，首先，使用MOCVD或者MBE方法在蓝宝石基底1-1上依次生长N型GaN外延3-2、InGaN/GaN多量子阱层3-3、P型GaN层3-4。
2)然后，采用电子束蒸发技术沉积金属层3-5和氮化硅掩膜层3-6，最后旋涂负性紫外光刻胶3-7。
3)：根据micro-LED台面阵列要求，设计曝光版图。
4)采用紫外光刻技术将设计好的版图转移到已沉积SiN掩膜层上，旋涂负性紫外光刻胶，显影定影后利用残余光刻胶作为掩膜。
5)采用等离子体干法刻蚀技术获得具有掩膜台面的样品，获得图形化衬底。图形为具有等间距的圆柱形阵列，圆台直径D＝2um,周期T＝5um，使用丙酮去除光刻胶获得掩膜台面，如图9所示，其中1-1为蓝宝石基底，3-2为N型GaN外延，3-3为InGaN/GaN多量子阱层，3-4为P型GaN层，3-5为金属层，3-8为刻蚀获得的氮化硅掩膜台面。对具有掩膜台面的样品进行预处理，使洁样品表面洁净：
首先，用化学方法清洗图形化衬底，使得图形化掩膜衬底的表面清洁；然后，将图形化掩膜衬底升温至约300℃，烘烤10～30min。
6)根据micro-LED台面的直径和长度，确定热化学刻蚀的温度区间：
在MBE腔体中进行热分解刻蚀，选择温度区间在680～800℃。
7)在图形化掩膜的保护下，在图形化掩膜下的氮化物半导体LED外延片不会发生热分解，其周围则迅速分解，形貌从二维向一维过度，通过控制热化学刻蚀的温度和时间，获得期望的micro-LED台面阵列，并规避了引入刻蚀损伤，在热化学刻蚀过程中，将温度调至形成欧姆接触的温度并控制时间，使得沉积的金属与P型掺杂层同时形成P型欧姆接触。
8)从MBE中取出样品后，利用ICP刻蚀选择性刻去残留的氮化硅掩膜，此过程对非氮化硅材料无影响，最终效果如图10所示，其中1-1为蓝宝石基底，3-2为N型GaN外延，3-3为InGaN/GaN多量子阱层，3-4为P型GaN层，3-5为金属层；
9)沉积绝缘层；
10)首先，利用紫外光刻在N型GaN非台面区域开孔。接着，利用磁控溅射沉积金属。然后，使用光刻胶溶剂剥离光刻胶，仅在窗口处留下金属。再在氮气氛围的退火炉中进行快速热退火形成欧姆接触，获得N型电极，如图11所示，其中1-1为蓝宝石基底，3-2为N型GaN外延，3-3为InGaN/GaN多量子阱层，3-4为P型GaN层，3-5为金属层，3-9为N型电极；
11)沉积氧化硅绝缘层、制作P、N互联电极：
利用电子束蒸发技术在已获得的台面样品上沉积绝缘层二氧化硅，在P型电极处利用等离子体刻蚀或湿法腐蚀开孔，然后采用磁控溅射蒸镀金属连接P型与N型电极，如图12所示，其中1-1为蓝宝石基底，3-2为N型GaN外延，3-3为InGaN/GaN多量子阱层，3-4为P型GaN层，3-5为金属层，3-9为N型电极，3-11为二氧化硅绝缘层，3-12为P、N互联电极。
12)表面粗化：
在N型GaN背面进行减薄、粗化，进一步提高出光效率，最终结构如图13所示，其中1-1为蓝宝石基底，3-2为N型GaN外延，3-3为InGaN/GaN多量子阱层，3-4为P型GaN层，3-5为金属层，3-9为N型电极，3-11为二氧化硅绝缘层，3-12为P、N互联电极，3-13为粗化后的基底背部。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种无刻蚀损伤可控微纳结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)选取氮化物半导体外延片，晶格具有分解各向异性，以六方晶格构型稳定存在，其主晶面为极性面，其他的晶面为半极性面或非极性面，对氮化物半导体外延片进行预处理，使得表面洁净；
2)在氮化物半导体外延片上沉积掩膜层，掩膜层采用耐高温材料，掩膜层的材料的分解温度高于氮化物半导体外延片的分解温度；
3)根据所制备的位点可控的微纳结构的要求，设计曝光版图；
4)在掩膜层上旋涂光刻胶，采用图形转移法将设计好的曝光版图转移到光刻胶上；
5)利用等离子体耦合反应离子刻蚀ICP技术，对掩膜层进行干法刻蚀，刻蚀得到图形化掩膜；
6)根据所制备的微纳结构的尺寸、位置和材料的晶格极性，确定热化学刻蚀的温度和压强，在分子束外延MBE的超高真空设备中进行晶格选择性热化学刻蚀；
7)在图形化掩膜保护下，其下方的III族氮化物不会发生热分解，周围则迅速分解，其形貌从二维向一维过度，并且不同晶格极性的晶面具有不同的分解温度，具有各向异性，晶格极性决定各个晶面表面能不同，在热化学刻蚀温度和压强下，分解温度低于热化学刻蚀温度的晶面率先分解，而分解温度在热化学刻蚀温度附近的晶面分解缓慢，分解温度大于热化学刻蚀温度的晶面几乎不分解，且分解速率各不相同，微观上分解的原子从不同晶面逃逸，最终被MBE的真空泵抽走，宏观上其分解路径受到晶格极性的调控，控制温度和时间，最终获得期望的位点可控的微纳结构，由于没有采用等离子体与半导体材反应刻蚀，规避了刻蚀损伤的引入，且各个晶面严格按照各自路径分解，使获得的纳米线结构具有陡直和光滑的侧壁；
8)刻蚀去掉图形化掩膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，氮化物半导体外延片采用分子束外延MBE或者金属有机物气象外延MOCVD的方法制备，氮化物半导体外延片的衬底采用蓝宝石、硅或者其自支撑衬底；氮化物半导体外延片为III族、II-VI族或III-V族氮化物半导体外延片。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，利用电子束曝光EBL法或者紫外光刻法，将曝光版图的图形转移到掩膜层上，如果需在曝光、显影、定影后保留非曝光区域的光刻胶，则选择正胶；而如果要保留曝光区域的光刻胶，则应选择负胶。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，采用具有超高真空氛围的MBE腔体，分解温度在750～1150℃，压强在1×10-6以下。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，分解过程利用残余气体分析仪或反射式高能电子衍射仪进行原位监控以调整分解速率。
6.一种面向micro-LED的无损制备方法，其特征在于，所述无损制备方法包括以下步骤：
1)选取氮化物半导体LED外延片，氮化物半导体LED外延片从下至上依次为衬底、N型掺杂层、发光有源区和P型掺杂层，氮化物半导体LED外延片的晶格具有分解各向异性，主晶面为极性面，其他的晶面为半极性面或非极性面，对氮化物半导体LED外延片进行预处理，使得表面洁净；
2)在氮化物半导体外延片上先沉积金属，再沉积掩膜层，掩膜层采用耐高温材料，掩膜层的材料的分解温度高于氮化物半导体外延片的分解温度；
3)根据所制备的micro-LED台面阵列的要求，设计曝光版图；
4)在掩膜层上旋涂光刻胶，采用图形转移法将设计好的曝光版图转移到光刻胶上；
5)根据所micro-LED台面阵列的位置和尺寸，确定刻蚀条件，对掩膜层进行干法刻蚀，获得图形化掩膜；
6)根据所制备的micro-LED台面阵列的尺寸、位置和材料的晶格极性，确定退火温度，在MBE超高真空设备中进行晶格选择性热化学刻蚀；
7)在图形化掩膜的保护下，在图形化掩膜下的氮化物半导体LED外延片不会发生热分解，其周围则迅速分解，形貌从二维向一维过度，通过控制热化学刻蚀的温度和时间，获得期望的micro-LED台面阵列，并规避了引入刻蚀损伤，在热化学刻蚀过程中，将温度调至形成欧姆接触的温度并控制时间，使得沉积的金属与P型掺杂层同时形成P型欧姆接触；
8)刻蚀去掉图形化掩膜；
9)沉积绝缘层；
10)在需要形成N型电极处光刻开窗，沉积金属，快速热退火形成N型电极同时形成N型欧姆接触；
11)在需要形成P型电极处光刻开窗，沉积金属形成P型电极，并且在P型电极与N型电极之间沉积金属形成互联电极；
12)对氮化物半导体LED外延片的背面进行表面粗化。
7.如权利要求6所述的无损制备方法，其特征在于，在步骤1)中，氮化物半导体LED外延片采用氮化镓基氮化物半导体外延片；根据应用需求选择氮化物半导体LED外延片的发光波长为300nm～500nm可调。
8.如权利要求6所述的无损制备方法，其特征在于，在步骤3)中，设计的图形为PIN型micro-LED台面。
9.如权利要求6所述的无损制备方法，其特征在于，在步骤5)中，利用步骤4)中显影定影后留下的光刻胶作为抗刻蚀层，使用ICP进行刻蚀，去除台面区域外的金属和掩膜层，实现图形的一次转移，此过程刻蚀气体未对氮化物半导体LED外延片造成刻蚀。
10.如权利要求6所述的无损制备方法，其特征在于，在步骤6)中，利用晶格的极性驱动的晶体表面能各向异性调控热化学刻蚀过程，基本规律为：在热化学刻蚀温度和压强下，主晶面分解较慢，半极性面或非极性面分解速率较快。
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