【材料】应用Talbot效应胶体光刻技术制备多纳米结构的氮化物LED- 大数跨境

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2017-08-26

导读：中南大学、中科院半导体研究所、南方科技大学等单位的研究人员合作报道了一种高效制备GaN纳米结构的胶体光刻技术。

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GaN纳米结构由于其独特的物理特性广泛用于构建纳米器件，例如受益于量子尺寸效应，纳米线GaN激光器的阈值要远低于常规的薄膜结构。而二维的GaN纳米孔洞结构由于具有可以释放材料应力的优势，已被证实可以用来构建灵活、可拉伸和弯曲的装置。然而常规的自下而上制备GaN纳米线的方法，如固-液-气催化法、选区外延生长法都存在设备复杂且昂贵、工艺繁琐等缺点。纳米球胶体光刻技术由于具有工艺成本低、光刻尺寸可控等优势，已多次报道应用于制备GaN纳米结构，然而该技术依然存在重复性差、图案结构单一等缺陷。

近日，中南大学、中科院半导体研究所、南方科技大学等单位的研究人员合作报道了一种高效制备GaN纳米结构的胶体光刻技术。该技术利用Talbot效应造成不同深度位置成像图案差异的原理，用金属纳米孔阵列作为掩膜版，旋涂不同厚度的介质膜（HSQ）作为spacer层，控制掩模版同光刻胶之间的距离，通过进一步光刻、金属（Ni）掩模沉积、干刻（ICP）工艺获得包括纳米柱、纳米洞、纳米环等多重GaN基LED纳米结构。该工作缩减了常规胶体光刻技术的步骤，极大地提高了制备图案的多样性。

Talbot效应是指单色平面波照射到周期性光栅时，从光栅后的某些特定距离（Talbot长度Z_t的整数倍）可以观察到周期性的光栅自成像。根据有限差分时域（FDTD）模拟计算得知，对于半个周期或更短周期的距离，纳米孔状的周期光栅在单色光的照射下会呈现出反像及其他的一些子像。首先，他们通过纳米聚苯乙烯（PS）球自组装、转移，纳米PS球尺寸缩减，金属铬沉积和纳米PS球剥离等多步工艺制备了可循环利用的金属纳米孔阵列掩膜版。随后，在图形转移过程中，他们通过旋涂的方法控制聚硅氧烷基旋涂胶（HSQ）的厚度，实现了掩膜版与光刻胶间距的可控性；受Talbot效应的影响，他们在不同厚度旋涂胶的外延衬底上紫外曝光实现了多种光刻图案。最后，通过蒸镀钝化金属作为干刻掩模及ICP光刻获得了纳米柱状、空洞状、六方环状、反纳米环状等多种不同结构的纳米LED。

这种新型的光刻技术不但使纳米结构制备更加灵活与简便，而且提高了LED的性能。通过进一步的荧光测试，他们发现这些纳米结构LED的光提取率相对常规的薄膜LED得到了较大的提高。

相关成果发表在Nanoscale 上，第一作者为汪炼成，中国科学院大学、中国科学院半导体研究所物理电子学博士，中南大学特聘教授，博士生导师。通讯作者为半导体研究所的伊晓燕和刘志强研究员。合作者包括加利福利亚大学的李鸿渐博士、美国西北大学的张逸韵博士等。该项目受到国家自然科学基金和973项目的资助。

该论文作者为：Liancheng Wang, Zhiqiang Liu, Zhi Li, Yiyun Zhang, Hongjian Li, Xiaoyan Yi, Junxi Wang, Guohong Wang and Jinmin Li

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