CN103633203B - 悬空氮化物薄膜led器件及其制备方法 - Google Patents

悬空氮化物薄膜led器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种悬空氮化物薄膜LED器件及其制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，包括顶层氮化物器件层和硅衬底层；该方法能够实现高折射率硅衬底层和氮化物器件层的剥离，消除硅衬底层对激发光的吸收，实现悬空氮化物薄膜LED器件；所述顶层氮化物器件层的上表面具有纳米结构，用以改善氮化物的界面状态，提高出光效率；结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除LED器件下方的硅衬底层，得到悬空氮化物薄膜LED器件，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的悬空氮化物薄膜LED器件，降低LED器件的内部损耗，提高出光效率。

Description

悬空氮化物薄膜LED器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及悬空氮化物薄膜LED器件及其制备方法，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
随着氮化物材料生长技术的突破，硅衬底氮化物晶片已经逐步实现技术突破，走向商用市场。发展硅衬底氮化物LED器件，具有广阔的应用空间。
以往的氮化镓LED都是生长在蓝宝石衬底上面，本发明的氮化镓LED是生长在硅衬底上面的。并且和光学微机电器件（MEMS）相结合。实现对光波的调控，同时提高了出光的效率。在氮化物器件层的上表面具有纳米结构，是谐振光栅，用以改善氮化物的界面状态，提高出光效率；
作为LED发光器件，特别是蓝光的发光效率非常重要。但是由于硅材料对于蓝光的吸收作用，所以对硅衬底的剥离问题也是一个关键问题。生长在硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，获得悬空的氮化物薄膜；利用悬空氮化物薄膜背后减薄技术，可以解决顶层氮化物器件的刻蚀难题，通过背后减薄，获得超薄的氮化物薄膜，减小LED器件的内部损耗。此外，氮化物薄膜LED器件，可以转移到其他低折射率衬底上，实现多种器件的集成。
发明内容
本发明提供一种悬空氮化物薄膜LED器件，其结构包含硅材料、氮化镓材料、谐振光栅、LED结构、N-GaN接触层、n-电极（Ti/Al）、量子阱、P-GaN接触层、ITO电流扩展层、p-电极（Ni/Au）、SiO2隔离层、金属反射镜，LED器件制作在硅衬底上的氮化镓层上，硅衬底层上是N-GaN接触层、量子阱，N-GaN接触层上表面是n-电极，n-电极是由Ti/Al组成，P-GaN接触层上表面是ITO电流扩展层，ITO电流扩展层上表面是p-电极，p-电极是由Ni/Au组成，在氮化镓层上，设计了LED发光器件；包括LED结构，谐振光栅纳米结构；在n-电极、p-电极、LED结构、谐振光栅表面覆盖一层SiO2隔离层。本发明的器件实现载体为硅衬底的氮化物晶片，包括顶层氮化物器件层和硅衬底层；硅衬底层上的氮化物器件层，在氮化物层由量子阱，以及在工艺中实现的N-GaN接触层；在量子阱上有P-GaN接触层、P-GaN接触层有ITO电流扩展层；以及在N-GaN接触层、ITO电流扩展层上的n-电极（Ni/Au）和p-电极（Ti/Al）；n-电极（Ti/Al）（6）沉积的金属材料为Ti/Al、p-电极（Ni/Au）（10）沉积的金属材料为Ni/Au、金属反射镜（12）沉积的材料为Ag/Al；该器件生长一层高透射率的电流扩展层薄膜ITO；该器件在氮化物器件层定义并实现LED器件。
本发明的悬空氮化物薄膜LED器件，由于硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度较大，内部损耗严重，加上氮化镓材料和硅材料的晶格不匹配导致应力的作用。硅衬底吸收一部分出射光，特别是蓝光，降低了LED的发光效率，所以本发明提供的技术方法能够实现硅衬底和氮化物器件层的剥离，发展悬空氮化物薄膜LED器件，利用背后减薄技术，减小器件的内部损耗，获得高出光效率的超薄LED器件。
本发明在完成背后硅刻蚀和氮化镓材料的减薄以后，在背后沉积金属反射镜，提升器件的出光效率。
本发明还提出还一种悬空氮化物薄膜LED器件的工艺制备方法，包括如下具体步骤：
步骤（1）：所述硅衬底氮化物晶片首先背后抛光减薄，以便背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤（2）：利用电子束曝光、光刻或自对准技术在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层定义纳米光栅、光子晶体或其他纳米结构；
步骤（3）：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤（2）中的纳米结构转移至顶层氮化物器件层；
步骤（4）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤（5）：生长高透射率电流扩展层薄膜；
步骤（6）：光刻定义电流扩展层区域，并刻蚀获得电流扩展层区域；
步骤（7）：沉积刻蚀掩膜层，光刻定义n-GaN台阶区域；
步骤（8）：蚀刻掩膜层，然后采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；
步骤（9）：去除残余蚀刻掩膜层；
步骤（10）：沉积掩膜层，光刻定义p-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得p-电极区域窗口；
步骤（11）：蒸镀Ni/Au作为p-电极，采用lift-off工艺，实现p-电极，并进行合晶化处理；
步骤（12）：光刻定义n-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得n-电极区域窗口；
步骤（13）：蒸镀Ti/Al作为n-电极，采用lift-off工艺，实现n-电极，并进行合金化处理；
步骤（14）：LED器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除LED器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜LED器件；
步骤（15）：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物；
步骤（16）：背后沉积金属反射镜；
步骤（17）： 去除残余光刻胶，获得超薄氮化物薄膜LED器件。
本发明有益之处在于：
1. 本发明是生长在硅材料上的氮化镓LED器件，不是蓝宝石衬底，通过背后减薄工艺解决了硅材料和氮化镓材料的晶格不匹配问题，解决了应力释放的问题。
2. 本发明在氮化镓器件层设计了谐振光栅，可以对光波长进行选择，可以满足不同的需要。
3. 本发明为了提高LED器件的发光效率，为了解决硅材料的可见光的吸收散射问题。提出了新的工艺方法， 背后工艺，通过光刻技术以及深硅刻蚀技术，刻蚀完硅衬底材料，继续通过Ⅲ-Ⅴ族刻蚀对氮化镓材料进行刻蚀，继而使得谐振光栅能够完全悬空。
4. 在完成背后硅刻蚀和氮化镓材料的减薄以后，在背后沉积金属反射镜，提升器件的出光效率。
附图说明
图1为硅衬底悬空氮化物薄膜LED器件侧面示意图。
附图标记说明：1-硅材料；2-氮化镓材料；12-金属反射镜。
图2为硅衬底悬空氮化物薄膜LED器件正面俯视图。
附图标记说明：2-氮化镓材料；3-谐振光栅；4- LED结构。
图3为硅衬底悬空氮化物薄膜LED器件结构示意图。
附图标记说明：1-硅材料；5- N-GaN接触层；6- n-电极（Ti/Al）；7-量子阱；8- P-GaN接触层；9- ITO电流扩展层；10- p-电极（Ni/Au）；11-SiO2隔离层。
图4为硅衬底悬空氮化物薄膜LED器件制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：实施例一
如图1、2、3所示，本发明提供一种悬空氮化物薄膜LED器件，其包含硅材料1、氮化镓材料2、谐振光栅3、LED结构4、N-GaN接触层5、n-电极（Ti/Al）6、量子阱7、P-GaN接触层8、ITO电流扩展层9、p-电极（Ni/Au）10、SiO2隔离层11、金属反射镜12，LED器件4制作在硅衬底上1的氮化镓层2上，硅衬底层1上是N-GaN接触层5、量子阱7，N-GaN接触层5上表面是n-电极6，n-电极6是由Ti/Al组成，P-GaN接触层8上表面是ITO电流扩展层9，ITO电流扩展层9上表面是p-电极10，p-电极10是由Ni/Au组成，在氮化镓层2上，设计了LED发光器件；包括LED结构4，谐振光栅3纳米结构；在n-电极6、p-电极10、LED结构4、谐振光栅3表面覆盖一层SiO2隔离层。
该LED器件是制作在硅衬底上的氮化镓层，需要在N-GaN接触层、P-GaN接触层上沉积n-电极、p-电极，n-电极是由Ti/Al组成，p-电极是由Ni/Au。在氮化镓层上，设计了LED发光器件。包括LED结构，谐振光栅纳米结构。在n-电极、p-电极、LED结构、谐振光栅表面覆盖一层SiO2隔离层。
在氮化镓材料上设计谐振光栅，可以对光波长进行选择。但是谐振光栅完全刻蚀完。由于硅材料对光波的吸收作用，需要对硅材料进行剥离。本发明提出背后工艺，通过光刻技术、深硅刻蚀技术以及Ⅲ-Ⅴ族刻蚀技术。使器件层完全悬空。从而解决以上两个问题。
实施例二
如图3所示，本发明还提供了一种悬空氮化物薄膜LED器件的工艺制备方法，其包括如下具体步骤：
步骤（1）：所述硅衬底氮化物晶片首先背后抛光减薄，以便背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤（2）：利用电子束曝光、光刻或自对准技术在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层定义纳米光栅、光子晶体或其他纳米结构；
步骤（3）：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤（2）中的纳米结构转移至顶层氮化物器件层；
步骤（4）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤（5）：生长高透射率电流扩展层薄膜；
步骤（6）：光刻定义电流扩展层区域，并刻蚀获得电流扩展层区域；
步骤（7）：沉积刻蚀掩膜层，光刻定义n-GaN台阶区域；
步骤（8）：蚀刻掩膜层，然后采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；
步骤（9）：去除残余蚀刻掩膜层；
步骤（10）：沉积掩膜层，光刻定义p-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得p-电极区域窗口；
步骤（11）：蒸镀Ni/Au作为p-电极，采用lift-off工艺，实现p-电极，并进行合晶化处理；
步骤（12）：光刻定义n-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得n-电极区域窗口；
步骤（13）：蒸镀Ti/Al作为n-电极，采用lift-off工艺，实现n-电极，并进行合金化处理；
步骤（14）：LED器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除LED器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜LED器件；
步骤（15）：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物；
步骤（16）：背后沉积金属反射镜；
步骤（17）： 去除残余光刻胶，获得超薄氮化物薄膜LED器件。

Claims (1)

1.一种悬空氮化物薄膜LED器件的工艺制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：硅衬底氮化物晶片首先背后抛光减薄，以便背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤(2)：利用电子束曝光、光刻或自对准技术在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层定义纳米光栅、光子晶体或其他纳米结构；
步骤(3)：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤(2)中的纳米结构转移至顶层氮化物器件层；
步骤(4)：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤(5)：生长高透射率电流扩展层薄膜；
步骤(6)：光刻定义电流扩展层区域，并刻蚀获得电流扩展层区域；
步骤(7)：沉积刻蚀掩膜层，光刻定义n-GaN台阶区域；
步骤(8)：蚀刻掩膜层，然后采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；
步骤(9)：去除残余蚀刻掩膜层；
步骤(10)：沉积掩膜层，光刻定义p-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得p-电极区域窗口；
步骤(11)：蒸镀Ni/Au作为p-电极，采用lift-off工艺，实现p-电极，并进行合晶化处理；
步骤(12)：光刻定义n-电极区域，并蚀刻掩膜层，获得n-电极区域窗口；
步骤(13)：蒸镀Ti/Al作为n-电极，采用lift-off工艺，实现n-电极，并进行合金化处理；
步骤(14)：LED器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除LED器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜LED器件；
步骤(15)：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物；
步骤(16)：背后沉积金属反射镜；
步骤(17)：去除残余光刻胶，获得超薄氮化物薄膜LED器件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105185878B (zh) * 2015-08-18 2017-08-22 厦门市三安光电科技有限公司 一种场发射的氮化物发光二极管
CN105445854B (zh) 2015-11-06 2018-09-25 南京邮电大学 硅衬底悬空led光波导集成光子器件及其制备方法
CN105742383B (zh) * 2016-02-25 2017-07-07 南京邮电大学 悬空p‑n结量子阱器件和光波导单片集成系统及其制备方法
CN105633194B (zh) * 2016-03-09 2017-12-29 南京邮电大学 基于悬空p‑n结量子阱的光致晶体管及其制备方法
FR3059828B1 (fr) * 2016-12-02 2019-05-31 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif optoelectronique a diode electroluminescente a extraction augmentee
CN110165027A (zh) * 2019-06-04 2019-08-23 广东省半导体产业技术研究院 半导体发光器件及其制作方法
CN110212078B (zh) * 2019-06-14 2020-10-27 厦门大学 一种电注入微盘谐振腔发光器件及其制备方法
CN110660657A (zh) * 2019-09-30 2020-01-07 福建北电新材料科技有限公司 一种衬底片表面残余应力释放的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102583215A (zh) * 2011-12-26 2012-07-18 南京邮电大学 基于硅衬底氮化物的悬空纳米光子器件及其制备方法
CN102646772A (zh) * 2012-05-11 2012-08-22 东南大学 一种具有背镀结构的发光二极管
CN102800771A (zh) * 2012-09-07 2012-11-28 电子科技大学 发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法
CN103035496A (zh) * 2012-12-11 2013-04-10 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102583215A (zh) * 2011-12-26 2012-07-18 南京邮电大学 基于硅衬底氮化物的悬空纳米光子器件及其制备方法
CN102646772A (zh) * 2012-05-11 2012-08-22 东南大学 一种具有背镀结构的发光二极管
CN102800771A (zh) * 2012-09-07 2012-11-28 电子科技大学 发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法
CN103035496A (zh) * 2012-12-11 2013-04-10 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用

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