CN105679904B - 光泵浦发光器件及单片集成光泵浦发光器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光泵浦发光器件，包括透明的用于氮化物生长的衬底、黄绿红量子阱结构、以及位于所述黄绿红量子阱结构上方的覆盖层，其特征在于：所述衬底一侧置有多个包括但不限于氮化物的单元体，所述单元体具有倾斜侧面，所述黄绿红量子阱结构位于所述单元体的顶部。还提供了一种所述单片集成光泵浦发光器件的制备方法。

Description

光泵浦发光器件及单片集成光泵浦发光器件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光泵浦发光器件，以及单片集成光泵浦发光器件的制备方法。

背景技术

高效节能InGaN/GaN量子阱发光二极管(LED)逐渐取代传统的，高能耗，低发光效率的发光灯泡。但是这类二极管在黄光、绿光和红光波段发光效率低，且颜色不稳定，其原因在于量子阱中发光介质InGaN内部的压应力。这种压应力主要来源于晶格失配，即晶格参数大的InGaN生长在晶格参数小的GaN晶面上。通过压电效应，形成一个纵向电场。这个电场总是将InGaN量子阱的电子与空穴分开，因此它们不能有效复合而发光。这种压应力还有其它副作用：不仅包括在生长过程中降低InGaN量子阱介质中In的含量,而且更突出的问题是造成V-形缺陷。V-型缺陷易于造成短路，即LED失效。尽管有好多努力，包括使用无压电效应的晶向，但还没能研制出性能稳定、高效黄绿光LED，更不用说红光LED。

近年来有一种新的技术正在受到重视，即光泵浦LED。这种技术采用在光电子工业已经广泛使用的光泵浦方式。具体来讲，光泵浦不是使用电场向绿光或黄光InGaN量子阱中注射电子和空穴使其发光，而是用高效可靠的蓝紫光LED发出的光在黄绿光的量子阱中激发电子和空穴，电子和空穴复合，从而产生黄绿光。

这种光泵浦方式有三个重要的优点：首先，整体而言，由电能转换成光能的效率得到了保证；其次，由于电场不是加在黄绿光的量子阱上，其LED失效率低；再者，由于蓝紫光在黄绿光量子阱中激发的电子和空穴数量远低于电场注入的电子和空穴数量，所以LED的颜色比较稳定；最后，通过调整蓝紫光的强度和黄绿光量子阱的数量，从而形成各种颜色的LED。

这类现有技术可分两类：1)黄绿光量子阱和蓝紫光LED在衬底的同一侧，在这一类中，又有两种方式：第一，黄绿光量子阱置于蓝紫光LED P-N结之内，这种结构的问题在于在生长这种结构的过程中，将形成V-型缺陷，质量差，LED容易失效；第二，黄绿光量子阱置于蓝紫光LED P-N结之外，生长在LED最上方p-型材料上，但是这样将无法有效控制在发光的过程中空穴的分布，蓝紫光LED发光效率因此会降低。当然有人提出在LED最上方p-型材料上首先生长n-型材料形成隧道二极管，然后在生长黄绿光量子阱，这样可由n-型材料来控制空穴的均匀性，但是在生长n-型材料的过程中，蓝紫光量子阱或已经变质。2)黄绿光量子阱和蓝紫光LED分别在衬底的两侧，这类技术的其中一个例子是由德国OSRAM提出的，即黄绿光量子阱和蓝紫光分别生长在两个不同的蓝宝石上，然后降低前者衬底的厚度，把它粘到后者的表面上；另一个例子是加州大学圣塔巴巴拉分校提出的，即黄绿光量子阱和蓝紫光LED分别生长在单晶(11-22)GaN衬底的两侧，但是它排除了黄绿光量子阱的一侧使用p-型氮化物材料，也就是排除了使用二极管的内电场降低由压应力和压电效应形成的电场。

现有的光泵浦方式还有待于优化和改善：首先，现有技术使用的是平面对平面的泵浦方式，到达黄绿红光量子阱的蓝紫光的强度不够高，需要提高蓝紫光激发的自由电子和空穴的浓度，保证黄绿红光量子阱有合适的量子效率及发光效率；其次，从目前来看，单晶GaN衬底还很贵重，产量低，无法满足发光工业的需要，所以新型发光器件的设计必须要考虑到使用蓝宝石衬底；但是，由于蓝宝石的热膨胀系数比氮化物的要大得多(大约35％)，即热膨胀失配，在生长降温过程中，在氮化物中将产生一个很大的压应力(300-500兆帕)，所以必须有效降低压应力；再者，为了能够充分吸收蓝紫光转换成黄绿光或红光，量子阱的数量要多，因此铟有机金属源消耗量将成为一个问题。另外，黄绿红光量子阱的设计还必须降低它们内部的、由晶格失配和热膨胀失配造成的压应力，以及降低压应力在量子阱中造成的电场。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种降低压应力、提高发光效率的光泵浦发光器件。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述单片集成光泵浦发光器件的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：一种光泵浦发光器件，包括透明的用于氮化物生长的衬底、黄绿红量子阱结构、以及位于所述黄绿红量子阱结构上方的覆盖层，所述衬底上侧表面设置有多个包括但不限于氮化物的单元体，所述单元体具有倾斜侧面，所述黄绿红量子阱结构位于所述单元体的顶部；其特征在于：所述衬底的下侧表面设置有外延生长的(0001)面蓝紫光LED氮化物结构。

根据本发明的一个方面，所述单元体为锥形体，所述单元体的锥顶截面直径为0.5～50μm，所述单元体的倾斜侧面的底角为89°～20°，所述单元体的高度为500nm～50μm。

根据本发明的另一个方面，所述单元体为带状体，所述单元体的截面为梯形，梯形截面上边为0.5μm～50μm，所述单元体的倾斜侧面的底角为89°～20°，所述单元体的高度为500nm～50μm。

进一步地，所述单元体为氮极性，所述单元体的上部具有掺杂Mg的p-型氮化物，Mg的掺杂浓度为2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，所述掺杂Mg的p-型氮化物的厚度不小于10nm，从而可以与其上方的n-型材料形成一个二极管内电场，与压电效应和压应力共同形成的电场方向相反，从而增加黄绿红量子阱的发光效率。

进一步地，所述单元体为镓极性，所述单元体的上部具有n-型掺杂的氮化物，掺杂浓度为2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，所述掺杂的n-型氮化物的厚度不小于10nm，可以与其上方的p-型掺杂的氮化物形成一个二极管内电场，与压电效应和压应力共同形成的电场方向相反，从而增加黄绿红量子阱的发光效率。

进一步地，相邻的所述单元体之间互不连接，所述衬底为蓝宝石，所述衬底的表面在所述单元体之间显露出来，由于生长在蓝宝石上的氮化物总是有压应力，基片总是凸起翘曲，而使得单元体相互不连接后，可以让蓝宝石衬底容易弯曲。

进一步地，所述单元体的侧面和相邻的单元体之间的间隙涂敷有光反射层，从而增加表面光反射率，通过调节光反射层的覆盖率，可以改变发光器件的颜色。

优选的，所述光反射层为金属或介电涂层。

进一步地，所述单元体包括由氮化物组成的分布布拉格反射结构，从而增加黄绿红的输出效率。

优选的，所述黄绿红量子阱结构中量子阱组分为In_yGa_1-yN，其中0.18≤y≤0.7；所述黄绿红量子阱的势垒的组分为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≤a≤y-0.01，0≤b≤0.3，所述黄绿红量子阱的势垒上包括n-型或p-型掺杂层，掺杂浓度至少为1×10⁺¹⁶cm^-3。

进一步地，所述黄绿红量子阱结构的底部包括至少一个厚度不少于5nm的氮化物缓冲层，所述氮化物缓冲层的组分为In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.3，0≤y≤0.3。

优选的，所述覆盖层为最上方量子阱势垒。

进一步地，所述覆盖层包括蓝紫光的薄膜反光结构，所述蓝紫光的薄膜反光结构包括分布布拉格反射结构或金属/介质光过滤器，从而增加蓝紫光的实际使用强度；或者所述覆盖层包括黄绿红光的薄膜反光结构，所述黄绿红光的薄膜反光结构包括分布布拉格反射结构或金属/介质光过滤器，从而利用形成垂直腔面发射激光器(VCSEL)，调整谱线的结构和发光的方向性。

本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种单片集成光泵浦发光器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)提供衬底：提供单面抛光的衬底；

2)提供用于形成单元体的氮化物：在所述衬底抛光的一面提供用于形成单元体的氮化物，并形成氮化物的保护层，从而形成基片；

3)形成单元体：在步骤2)得到的基片上形成蚀刻掩膜，再通过等离子体蚀刻形成具有倾斜侧面的单元体；

4)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中所形成的蚀刻掩膜并形成能作为氮化物生长掩膜的保护层；

5)抛光衬底的另一面：对所述衬底的另一面进行抛光；

6)形成蓝紫光LED氮化物结构：在所述衬底的抛光的另一面上生长蓝紫光LED氮化物结构及保护层；

7)暴露单元体的顶部：使用光刻和等离子体刻蚀技术暴露单元体的顶部；

8)生长黄绿红量子阱结构和覆盖层：在所述单元体顶部生长黄绿红量子阱结构和覆盖层；

9)在所述单元体倾斜的侧面和间隙沉积光反射层；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：在所述蓝紫光LED氮化物结构远离所述衬底(1)的一侧形成蓝紫光LED电极及反光结构；

11)器件封装：把步骤10)后得到的基片切割成小片作为单个发光器件后封装；

所述步骤3)、4)能在步骤6)后进行。

进一步地，在步骤3)中，首先用光刻工艺、电子束蒸和剥离工艺在步骤2)中形成的基片上形成金属蚀刻掩膜；然后用光刻工艺和负性光刻胶，在该金属蚀刻掩膜上形成另外一层相同形状的负性光刻胶作为蚀刻掩膜；再用等离子体蚀刻设备，形成具有倾斜侧面的单元体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：使用了新的光泵浦方式，即面对点泵浦，由此：

1)单元体的侧面是倾斜的，它们可以起到聚光的作用，从而调整黄绿红量子阱的量子效率；

2)单元体侧面是倾斜的，其顶部截面为较小的尺寸，将降低黄绿红量子阱的压应力，从而增加黄绿红量子阱的发光效率；

3)单元体侧面是倾斜的，其顶部截面为较小的尺寸，将降低In有机金属源的损耗，从而降低生产成本；

4)当衬底是蓝宝石时，由于各个单元体底部互相不连接，衬底可以不受限制地弯曲，从而降低另一侧的蓝紫光LED的压应力，保证发光效率；

5)可以利用改变锥底之间的距离和有无金属和介电涂层，从而改变光泵浦LED的颜色。

附图说明

图1是本发明的光泵浦发光器件结构截面示意图；

图2是本发明的单片集成光泵浦发光器件结构截面示意图；

图3是本发明的单片集成光泵浦发光器件的实施例一的截面示意图；

图4是图3的单片集成光泵浦发光器件的电极结构投影示意图；

图5是本发明的单片集成光泵浦发光器件的实施例二的截面示意图；

图6是图5的单片集成光泵浦发光器件的带状单元体投影示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1，一种光泵浦发光器件，包括透明的氮化物生长衬底1，位于衬底1一侧的有倾斜侧面的岛型或带型的多个单元体3，位于单元体3顶部的黄绿红量子阱结构4，位于黄绿红量子阱结构4上方的覆盖层5。

衬底1可选用下述材料中的任意一种但不局限于这些材料：(0001)面蓝宝石(无掺杂-氧化铝单晶)，(0001)面氮化镓(GaN)单晶和(0001)面氮化铝单晶。衬底1可以被故意斜切，从而偏离【0001】方向0～6°，偏离方向可以朝向衬底1的(1-100)面或者(11-20)面，或者在衬底1的(1-100)面和(11-20)面之间。也可以选择非极性或半极性的氮化物以及可以用于生长非极性或半极性的氮化物的蓝宝石衬底。优选的，衬底1的厚度为0.4～5mm，透明度则在385nm～500nm光谱区间，透过率不低于60％。

单元体3包括但不限于氮化物In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤0.3，0≤b≤1)，也可以包括衬底。也可以包括由氮化物组成的分布布拉格反射结构(DBR)作为黄绿红波段的反光结构，从而增加黄绿红的输出效率。侧面倾斜的底角α优选的为89°～20°，而高度h优选的则为500nm～50μm。单元体3包括n-型掺杂材料，掺杂浓度可为1×10⁺¹⁷cm^-3～2×10⁺¹⁹cm^-3；或者，单元体3包括p-型掺杂材料，掺杂浓度可为5×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3。单元体3的侧面和相邻单元体3之间的间隙涂敷有光反射层32，该光反射层32可以是金属、介电材料、或是它们的复合体，光反射层32的厚度优选的为5nm～3μm，而金属材料可选用Ni、Au、Ag、Ti、Al、Ta、W、Cr、Cu、In、Pt、Pd当中的一种或多种，但不局限于这些材料；介电涂层可选用SiO₂，Si_xN和可流动的氧化物等中的一种或多种。通过改变金属或介电涂层的覆盖率，可以调整光泵浦发光器件的颜色。

当单元体3是氮极性材料时，单元体3上部包括p-型掺杂的氮化物薄膜(掺杂浓度：2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3)，厚度不小于10nm。与其上方包括n-型掺杂层(掺杂浓度：5×10⁺¹⁶cm^-3～5×10⁺¹⁹cm^-3)的覆盖层5或黄绿红量子阱结构4，形成一个二极管内电场；该电场与压电效应和压应力共同形成的电场方向相反，这将增加黄绿红量子阱4的发光效率。

当单元体3是镓极性材料时，单元体3上部包括n-型掺杂的氮化物薄膜(掺杂浓度：2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3)，厚度不小于10nm。与其上方包括p-型掺杂层(掺杂浓度：5×10⁺¹⁶cm^-3～5×10⁺¹⁹cm^-3)的覆盖层5或黄绿红量子阱结构4，形成一个二极管内电场；该电场与压电效应和压应力共同形成的电场方向相反，这将增加黄绿红量子阱4的发光效率。

黄绿红量子阱结构4位于单元体3的顶部，它至少包括量子阱数量为1～100，量子阱势垒数量为2～101。由于单元体3的顶部尺寸小，量子阱中由晶格失配造成的压应力得以缓和，从而降低产生位错和V-型缺陷的形成可能性。量子阱的组分为In_yGa_1-yN(0.18≤y≤0.7)；其势垒的组分为In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤y-0.01，0≤b≤0.3)，黄绿红量子阱的势垒上包括n-型或p-型掺杂层，掺杂浓度至少为1×10⁺¹⁶cm^-3。在所有的黄绿红量子阱4及其势垒中In的含量可逐渐增加，Ga的含量可逐渐降低，变化方式可以是阶梯形或者连续型，以降低产生位错和V-型缺陷的形成可能性。优选的，势垒是Si或Ge掺杂的，以提高背景的电子浓度。黄绿红量子阱结构4的底部包括至少一个厚度不少于5nm的氮化物缓冲层，其组分In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.2，0≤y≤0.3。它可以是n-型掺杂或p-型掺杂，但是它不可以吸收泵浦光。它可以缓和黄绿红量子阱的压应力或提供一个更好的表面，适于黄绿红量子阱结构4的生长。

覆盖层5优选的为最上方量子阱势垒；优选的，覆盖层5可包括蓝紫光的薄膜反光结构，该蓝紫光的反光结构包括分布布拉格反射(DBR)结构或金属/介质光过滤器，从而增加蓝紫光的实际使用强度，这样的反光结构可以是氮化物，也可以是其它材料，如TaO₂/SiO₂、Ta₂O₅/SiO₂等。优选的，覆盖层5也可包括黄绿红光的薄膜反光结构，该黄绿红光的反光结构包括分布布拉格反射(DBR)结构或金属/介质光过滤器，从而利用形成垂直腔面发射激光器(VESEL)，调整谱线的结构和发光的方向性，这样的反光结构可以是氮化物，也可以是其它材料，如TaO₂/SiO₂、Ta₂O₅/SiO₂等。

通过使用有倾斜侧面的单元体3，1)单元体3可以使用n-型或p-型材料，从而与其上方氮化物形成一个二极管内电场，施加在黄绿红量子阱结构4中的量子阱上。由于这个电场可以与黄绿红量子阱4内压力造成的电场方向相反，降低黄绿红量子阱压应力造成的电场，从而增加发光效率；2)起到光聚焦作用，从而改善黄绿红量子阱4的光激发发光效率；3)由于单元体3是互不连接的，衬底1可以自由弯曲，从而降低蓝紫光LED氮化物结构2的压应力，因此衬底1可以使用低成本的蓝宝石衬底。

但是，上述光泵浦发光器件必须用其它光源作为泵浦光源，从而发光。例如直接与发光二极管粘接在一起，形成黄绿红发光器件；或直接用蓝光激光管泵浦，产生黄绿红激光。但是这些方法会导致器件体积大和效率低。一种比较好的办法是在形成光泵浦发光器件的过程中与其泵浦光源进行集成，即形成单片集成光泵浦发光器件。

由此，参见图2，一种单片集成光泵浦发光器件，在上述光泵浦发光器件的基础上在衬底1另一侧设置蓝紫光LED氮化物结构2，以及蓝紫光LED电极及反光结构6、7、8，蓝紫光LED电极及反光结构的下方还可以具有载体或散热体9。

蓝紫光LED氮化物结构2，其发光波长优选的为375nm～500nm。在此波段内，一般来讲蓝紫光LED氮化物结构2发光波长越短，蓝紫光管把电能转化为光能的效率就越高，在生长黄绿红量子阱结构4的过程中蓝紫光量子阱将更稳定。蓝紫光LED氮化物结构2表面实施了电导增加措施，这些措施包括ITO(氧化铟锡)沉积和形成Ni_xO超薄层(通常为0.5～10nm)，从而调整蓝紫光LED氮化物结构2发光的均匀性。

蓝紫光LED电极及反光结构包括有图案的绝缘层6、n-型导电电极7、p-型导电电极及反光层8，绝缘层6把n-型导电电极7与p-型导电电极及反光层8分隔开，整体位于蓝紫光LED氮化物结构2远离衬底1的一侧。上述的p-型导电电极及反光层8可以从下述材料中选取但并不局限于这些材料：Ni、Au、Ag、Ti、Al、Ta、W、Cr、Cu、In、Pt、Pd、ITO(氧化铟锡)；而绝缘层6的厚度优选的为20nm～3μm，绝缘层6的材料可以从下述材料中选取但并不局限于这些材料：SiO₂、Si_xN或固化的可流动氧化物。

上述的单片集成光泵浦发光器件的制备方法包括如下步骤：

1)提供衬底1：提供一个清洗干净的单面抛光的衬底1，衬底1的材料包括这些材料中的任意一种：(0001)面蓝宝石，(0001)面氮化镓单晶和(0001)面氮化铝单晶；单元体3为氮极性时，衬底1被故意斜切，从而偏离【0001】方向0～6°，偏离方向可以朝向衬底1的(1-100)面或者(11-20)面，或者在朝向衬底1的(1-100)面和(11-20)面之间；衬底1厚度优选的为0.4～5mm，透明度优选的在385nm～500nm光谱区间，透过率不低于60％；在本步骤中，不可使用双面抛光的衬底1，因为抛光的另一面在下述的步骤2)中容易被氮化或被损坏；

2)提供用于形成单元体3的氮化物：在衬底1抛光的一面提供一层用于形成单元体3的氮化物In_aAl_bGa_1-a-b(0≤a≤0.3，0≤b≤1)，并形成其保护层，形成氮化物的方法包括用有机金属气相外延(MOVPE或MOVCD)在衬底1抛光面上生长单元体3所需要的氮化物In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤0.3，0≤b≤1)薄膜；当步骤1)中的衬底1为GaN单晶时，本步骤中包括在GaN的表面层生长单元体3所需要的氮化物结构，例如n-型或p-型氮化物，或分布式布拉格结构，从而形成基片；在这个过程中，不可以生长黄绿红量子阱结构4，因为在下面的过程中它们有可能变质；

3)形成单元体3：使用光刻工艺和等离子体蚀刻在所述基片上形成所需要的单元体3，该单元体3包括氮化物；光刻工艺为使用负性光刻胶和金属膜形成复合的蚀刻掩膜，用于形成单元体3，负性光刻胶厚度为300nm～25μm，而金属膜厚度为30nm～5μm；等离子体蚀刻则包括形成氮化物单元体3，或包括形成由氮化物和衬底材料组成的单元体3。在蚀刻时，为了露出衬底表面，衬底不可避免的要被蚀刻；在等离子体蚀刻中，故意使用富氩等离子体蚀刻，从而增加单元体3的侧面倾斜度；

4)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中形成的蚀刻掩膜，并形成保护层；这个保护层可作为生长黄绿红量子阱结构及其氮化物覆盖层的生长掩膜。

5)抛光衬底1的另一面：对衬底1的另一面进行抛光，到达开盒即用的标准；

6)形成蓝紫光LED氮化物结构2：在步骤5)抛光的衬底1的另一面上生长蓝紫光LED氮化物结构2及其保护层，在步骤2)、4)和本步骤中，保护层包括一种或多种这些材料：SiO₂，Si_xN，或固化的可流动氧化物，厚度为3nm～5μm；

7)暴露单元体3的顶部：使用光刻和等离子体刻蚀技术暴露单元体3的顶部；

8)生长黄绿红量子阱结构4和覆盖层5：在单元体3顶部生长黄绿红量子阱结构4和覆盖层5，生长黄绿红量子阱结构4的方法包括有机金属气相外延(MOVPE)；

9)在单元体3倾斜的侧面和间隙沉积光反射层32：该光反射层32包括使用气相蒸镀、化学气相或旋涂法，形成一层材料或多层材料，其材料可从下列材料中选取但不局限于这些材料：Ni、Au、Ag、Ti、Al、Ta、W、Cr、Cu、In、Pt、Pd、SiO₂、Si_xN；还包括使用光刻工艺，控制光反射层32的覆盖率；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：在蓝紫光LED氮化物结构2远离衬底1的一侧形成蓝紫光LED形成电极及反光结构,包括植入一种绝缘层6，把n-型导电电极7和p-型导电电极及反光层8分隔开。形成n-型导电电极7和p-型导电电极及反光层8可以采用蒸镀法。在形成p-型导电电极及反光层8之前，要植入绝缘层6，其植入方式包括旋涂法，气相沉积和气相蒸镀。然后，使用光刻和蚀刻，暴露p-型电极接触点。最后，气相蒸镀至少一层或多层导电材料，形成p-型导电电极及反光层8。导电材料可从这些材料中选取但不局限于这些材料：Ni、Au、Ag、Ti、Al、Ta、W、Cr、Cu、In、Pt、Pd，ITO；反光材料可从这些材料中选取但不局限于这些材料：Ni、Au、Ti、Al、Ta、W、Cr、Cu、In、Pt、Pd、ITO。

11)器件封装：把步骤10)后得到的基片切割成小片作为单个发光器件封装，封装采用的方法包括至少一种下列途径：使用支架形成电源连接和热接触，使用电镀铜，或把散热体9粘到反光电极上。

上述步骤3)和4)可在步骤6)之后。

实施例一

参见图3和图4，在本实施例中，衬底1为无掺杂的(0001)蓝宝石衬底，厚度为0.6mm。

蓝紫光LED氮化物结构2包括从上到下依次设置的：I)非故意掺杂GaN 2a，优选的厚度为2μm。其中包括30nm GaN低温成核层；II)掺杂Si的n-型GaN层2b，优选的厚度为2.0μm，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁸cm^-3；III)蓝紫光量子阱2c，包括7对，其组分为In_xGa_1-xN(0.01≤x≤0.30)，优选的为In_0.14Ga_0.86N(2nm)/Si:GaN(7nm)，Si掺杂浓度为1×10⁺¹⁸cm^-3；以及IV)掺杂Mg的p-型氮化物层2d：其组分为Mg:Al_0.25GaN_0.75(10nm)/Mg:GaN，优选的厚度为350nm，Mg掺杂浓度为3×10⁺¹⁹cm^-3。在本实施例中，蓝紫光LED氮化物结构2的发光波长大致在410nm。

在本实施例中，单元体3为岛型的多个锥形体，每个单元体3(锥形体)的锥顶截面直径优选的为0.5～50μm，更优选的为10μm；高度h优选的为500nm～50μm，更优选的为6μm；底角α优选的89°～20°，更优选的为60°；而每个单元体3之间的距离d优选的为10nm～200μm，更优选的为5μm。单元体3顶部200nm有Si掺杂，浓度为3×10⁺¹⁷cm^-3，从而增加背景自由电子浓度。单元体3的侧面及其间隙有Ti(5nm)/Ag(100nm)光反射层32。单元体3顶部截面小的直径可降低顶部氮化物的压应力，另一方面，由于单元体3的侧面是倾斜的，它们可以起到聚焦蓝紫光的作用，这将增加实际光强度，调整在锥形体顶部上的量子阱的发光效率。

此时，在各相邻的单元体3之间，蓝宝石的衬底1的表面显露出来，蓝紫光LED氮化物结构2有由热膨胀失配造成压应力，但是由于单元体3之间相互不连接，可以让衬底1弯曲，从而降低另一侧蓝紫光LED氮化物结构2的压应力。单元体3的上部包括氮化物In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤0.3，0≤b≤1)，优选的为GaN；底部则包括蓝宝石，底部蓝宝石的厚度为1nm～20μm，优选的：200nm。

黄绿红量子阱结构4包括25对In_0.28Ga_0.72N(5nm)/Si:GaN(10nm)量子阱，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁷cm^-3，从而增加背景自由电子浓度。其底部有Si:GaN(10nm)和In_0.1Ga_0.9N(30nm)。这层In_0.1Ga_0.9N有助于降低量子阱中的压应力。

覆盖层5包括Si:GaN(50nm)，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁸cm^-3，从而增加背景自由电子浓度。另有5对SiO₂(65nm)/TiO₂(40nm)作为蓝光的分布布拉格全反射层。

蓝紫光LED电极及反光结构，包括绝缘层6、n-型导电电极7、p-型导电电极及反光层8，其中，p-型导电电极及反光层8包括p-型导电电极81和反光层82。参见图4，为n-型导电电极7和p-型导电电极81的平面投影，其中平台71的面积是为0.5mm×0.5mm，平台71之间间隔的宽度为0.1mm，间隔的深度为1100nm，n-型导电电极7位于平台71之间的间隔中，宽度为0.05mm，置于n-型Si:GaN蚀刻的表面上，n-型导电电极7的结构为：Ti(20nm)/Al(150nm)/Ni(30nm)/Au(100nm)。另外，边界有1mm宽的n-型导电电极7用于电源连接。p-型导电电极81的接触点81位于平台71内，直接置于p-型GaN的表面上。它的形状和大小可用于调整发光的均匀性。p-型导电电极81的结构为：Ni(2nm)/Au(200nm)，直径为0.2mm。绝缘层6分布在n-型导电电极7和p-型导电电极81之间从而将n-型导电电极7和p-型导电电极81分隔开，绝缘层6包括使用等离子体化学气相沉积(PECVD)形成的100nm Si_xN和加热固化后的可流动氧化物(100nm)，反光层82位于绝缘层6和p-型导电电极81下方。其中，反光层82为Ti(5nm)/Ag(100nm)。

散热体9可以是Mo，因为它和氮化物具有相似的热膨胀系数。

在本实施例中，发光器件的制备方法包括如下步骤：

1)提供衬底1：提供2”、0.6mm厚的(0001)蓝宝石的衬底1，该衬底1单面抛光；

2)提供用于形成单元体3的氮化物：使用MOVPE常规的生长过程，生长6μm的GaN，包括顶部200nm Si：GaN(掺杂浓度为3×10⁺¹⁷cm^-3)，并直接在MOVPE系统中生长10nm的Si₃N₄多晶层作为保护层，从而形成基片；

3)形成单元体3：首先用光刻工艺，电子束蒸发和剥离工艺在步骤2)中形成的基片上形成直径为12μm的Ti(30nm)/Ni(150nm)圆盘形金属蚀刻掩膜；然后用光刻工艺和负性光刻胶，在该圆盘形金属蚀刻掩膜上形成另外一层圆形光刻胶作为蚀刻掩膜(大致上7μm厚)；由于光刻胶是负性的，圆盘形光刻胶蚀刻掩膜将有2-3μm的底切，又由于在等离子体蚀刻过程中蚀刻掩膜将被损耗掉，因此这样的底切将增大单元体3的侧面倾斜；接着，用等离子体蚀刻设备，形成形状为锥形体的单元体3；为了增加倾斜度，一般使用较低的基片温度，大的Ar或小的Cl₂气体流量；

4)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中的蚀刻掩膜，电子束蒸镀200nm SiO₂作为保护膜；

5)抛光衬底1的另一面：对衬底1的另一面进行抛光，达到开盒即用的标准；

6)形成蓝紫光LED氮化物结构2：使用MOVPE常规的生长过程，在步骤5)抛光的衬底1的另一面上生长蓝光LED氮化物结构2及其保护层，保护层优选的为Si₃N₄；

7)暴露单元体3的顶部：使用光刻工艺和等离子体蚀刻，使单元体3锥顶的氮化物平面显露出来；

8)生长黄绿红量子阱结构4和覆盖层5：在单元体3锥顶生长黄绿红量子阱4和覆盖层5，黄绿红量子阱4的生长温度大致为720°左右；

9)在单元体3倾斜的侧面和间隙沉积光反射层32：将步骤8)后的基片浸入5％HF溶液中，去掉所有的保护层；然后用光刻工艺、剥离工艺或电子束蒸发在单元体3的侧面及其间隙沉积光反射层32，优选的为Ti(5nm)/Ag(200nm)光反射层，然后用电子束蒸镀4对SiO₂(65nm)/TiO₂(40nm)分布布拉格结构作为蓝光全反射层；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：用光刻胶作为等离子体蚀刻掩膜，等离子体蚀刻形成平台71，然后去掉剩余的光刻胶；用光刻工艺、剥离工艺或电子束蒸发形成n-型导电电极7，其结构为Ti(20nm)/Al(150nm)/Ni(30nm)/Au(100nm)，并用高温胶带遮盖住n-型导电电极7比较宽的边界；然后形成p-型导电电极及反光层8：首先用等离子体化学气相沉积(PECVD)形成100nm Si_xN和旋涂、固化可流动氧化物100nm，形成绝缘层6；其次，用副光刻胶作为等离子体蚀刻掩膜，等离子体蚀刻除去p-型电极接触点811上Si_xN和固化的可流动氧化物，用电子束蒸发或剥离工艺形成p-型导电电极81Ni(2nm)/Ag(200nm)；然后，用电子束蒸镀形成Ti(5nm)/Ag(100nm)反光层82；最后除去n-型导电电极7上的高温胶带；

11)器件封装：把步骤10)得到的基片切割成小片作为单个发光器件封装，封装方法采用支架把散热体9(散热体9的材料包括金刚石，Cu，Al，Mo等)直接接触Ag薄膜的表面，或者用高温粘接剂直接固定在Ag薄膜上。

实施例二

参见图5和图6，在本实施例中，衬底1为无掺杂的斜切的(0001)蓝宝石衬底，厚度为0.6mm，斜切旋转轴是【1-100】，斜切角度是1.2°。在形成单元体所需氮极性GaN的生长过程中，斜切有助于减少六边形表面缺陷。

蓝紫光LED氮化物结构2包括从上到下依次设置的:I)非故意掺杂GaN 2a，优选的厚度为2μm,包括GaN低温成核层(30nm)；II)掺杂Si的n-型GaN层2b，优选的厚度为2.0μm，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁸cm^-3；III)蓝紫光量子阱2c，包括7对，其组分In_0.14Ga_0.86N(2nm)/Si:GaN(7nm)，Si掺杂浓度为1×10⁺¹⁸cm^-3；以及IV)掺杂Mg的P-型氮化物层2d：其组分为Mg:Al_0.25GaN_0.75(10nm)/Mg:GaN，优选的厚度为350nm，Mg掺杂浓度为3×10⁺¹⁹cm^-3。在本实施例中，蓝紫光LED氮化物结构2的发光波长大致在410nm。

蓝紫光LED电极及反光结构，与实施例一的相同，平台71的面积是为0.5mm×0.5mm，平台71之间间隔的宽度为0.1mm，间隔的深度为1100nm，n-型导电电极7位于平台71之间的间隔中，宽度为0.05mm，边界有1mm宽的n-型导电电极7用于电源连接，p-型导电电极81的接触点811位于平台71内。

其中，绝缘层6包括100nm PECVD Si_xN和加热固化后的可流动氧化物(100nm)，把n-型电极区7和p-型电极区8分隔开；n-型导电电极7的结构为：Ti(20nm)/Al(150nm)/Ni(30nm)/Au(100nm)；p-型导电电极81的结构为：Ni(2nm)/Au(200nm)，直径为0.2mm；反光层82为Ti(5nm)/Ag(100nm)。

单元体3的形状与实施例一不同，在本实施例中，为带状单元体，图6是单元体3的平面投影，单元体3圆环的中心与衬底1的中心相吻合，单元体3的截面为梯形，梯形截面上边优选的为0.5μm～50μm，更优选的为8μm；高度h优选的500nm～50μm，更优选的为4μm；底角α优选的为89°～20°，更优选的为45°；单元体3底之间的距离d优选的为10nm～200μm，更优选的为5μm。

单元体3为氮极性的，其上部有掺杂Mg的p-型氮化物31，Mg的掺杂浓度优选的为2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，更优选的为3×10⁺¹⁹cm^-3，厚度不小于10nm，优选的为200nm，从而自由空穴的浓度可达3-8×10⁺¹⁷cm^-3。单元体3的侧面及其间隙有Ti(5nm)/Ag(100nm)光反射层32。当单元体3为镓极性时，则单元体3的上部具有n-型掺杂的氮化物31，掺杂浓度为2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，掺杂的n-型氮化物的厚度不小于10nm，可以与其上方的p-型掺杂的氮化物形成一个二极管内电场，与压电效应和压内力共同形成的电场方向相反，从而增加黄绿红量子阱的发光效率。实施例一中的单元体3的上部也可以包括上述p-型或n-型掺杂的氮化物。

黄绿红量子阱结构4包括生长在p-GaN顶上的15对In_0.28Ga_0.72N(5nm)/GaN(10nm)和另外10对In_0.28Ga_0.72N(4nm)/Si:GaN(7nm)，Si掺杂浓度为8×10⁺¹⁷cm^-3。其底部有GaN(10nm)。

覆盖层5为Si:GaN覆盖层，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁹cm^-3，厚度30nm。这样，Si:GaN和黄绿红量子阱的Si:GaN势垒与单元体3上的Mg:GaN就形成了一个二极管，它的内电场将抵消压应力通过压电效应形成的电场，从而增加发光效率。

本实施例中的发光器件的制备方法包括如下步骤：

1)提供衬底1：得到2”、斜切1.2°、0.6毫米厚的(0001)蓝宝石的衬底1，该衬底1单面抛光，斜切旋转轴是【1-100】；

2)提供用于形成单元体3的氮极性氮化物：使用MOVPE常规的生长过程，首先对衬底1进行高温氮化处理，然后生长4μm氮极性的GaN；其中包括在其顶部的200nm Mg掺杂的p-GaN；最后直接在MOVPE系统中生长20nm的Si₃N₄多晶层作为保护层，从而形成基片；

3)形成单元体3：首先用光刻工艺、剥离工艺或电子束蒸发在步骤2)中形成的基片上形成宽为9μm的Ti(30nm)/Ni(150nm)圆环形金属蚀刻掩膜；然后用光刻工艺和负性光刻胶，在圆环形金属蚀刻掩膜上形成另外一层圆环形光刻胶作为蚀刻掩膜(大致上6到10μm厚)，由于光刻胶是负性的，圆环形光刻胶蚀刻掩膜将有2-5μm的底切。因为在等离子体蚀刻过程中蚀刻掩膜将被损耗掉，所以这样的底切将增大单元体3的侧面倾斜度；接着，用等离子体蚀刻设备，形成单元体3；为了增加倾斜度，一般使用较低的基片温度，大的Ar气或小的Cl₂气体流量；

4)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中的蚀刻掩膜，用PECVD形成200nm Si_xN作为保护膜；

5)抛光衬底1的另一面：对衬底1的另一面进行抛光，达到开盒即用的标准；

6)形成蓝紫光LED氮化物结构2：使用MOVPE常规的生长过程，生长镓极性的蓝紫光LED氮化物结构2及其保护层，保护层优选的为Si₃N₄保护膜；

7)暴露单元体3的顶部：使用光刻工艺和等离子体蚀刻，使单元体3圆环顶的氮化物显露出来；

8)生长黄绿红量子阱结构4和覆盖层5：在单元体3圆环的顶部，首先生长10nmGaN，优化单元体的表面，其次生长15对In_0.28Ga_0.72N(5nm)/GaN(10nm)，再生长10对In_0.28Ga_0.72N(5nm)/Si:GaN(7nm)，Si的掺杂浓度为8×10⁺¹⁷cm^-3，从而形成黄绿红量子阱4；然后再生长黄绿红量子阱4的30nm Si:GaN覆盖层，Si掺杂浓度为3×10⁺¹⁹cm^-3；

9)在单元体3倾斜的侧面和间隙沉积光反射层32：将步骤8)后的基片浸入5％HF溶液中，去掉所有的保护层；然后用光刻工艺、剥离工艺或电子束蒸发在单元体3的侧面及其间隙沉积光反射层32，优选的为Ti(5nm)/Ag(200nm)光反射层32；然后旋涂、固化可流动氧化物作为保护层；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：用光刻胶作为等离子体蚀刻掩膜，等离子体蚀刻形成平台71(图4)，然后去掉剩余的光刻胶；用光刻工艺、剥离工艺或电子束蒸发形成n-型导电电极7，并用高温胶带遮盖住n-型导电电极7比较宽的边界；接着形成p-型导电电极及反光层8：首先用PECVD沉积100nm Si_xN和旋涂、固化可流动氧化物(100nm)作为绝缘层6，将p-型导电电极及反光层8与n-型导电电极7分隔开；其次，用负光刻胶作为等离子体蚀刻掩膜，等离子体蚀刻除去p-型导电电极81的接触点811上Si_xN和固化的可流动氧化物，并用电子束蒸发或剥离工艺形成p-型导电电极81，Ni(2nm)/Au(200nm)；除去光胶，用电子束蒸发形成Ti(5nm)/Ag(100nm)反光层82；最后除去n-型导电电极7上的高温胶带；

11)器件封装：把步骤10)得到的基片切割成小片作为单个发光器件封装，封装方法采用支架把散热体9(包括金刚石，Cu，Al，Mo等材料)直接接触Ag薄膜的表面，或者用高温粘接剂直接固定在Ag薄膜上。

Claims (15)

1.一种单片集成光泵浦发光器件，包括透明的用于氮化物生长的衬底(1)、黄绿红量子阱结构(4)、以及位于所述黄绿红量子阱结构(4)上方的覆盖层(5)，所述衬底(1)上侧表面设置有多个包括但不限于氮化物的单元体(3)，所述单元体(3)具有倾斜侧面，所述黄绿红量子阱结构(4)位于所述单元体(3)的顶部；其特征在于：所述衬底(1)的下侧表面设置有外延生长的(0001)面蓝紫光LED氮化物结构(2)，所述泵浦光源蓝紫光LED氮化物结构(2)和包括黄绿红量子阱结构(4)的单元体(3)置于所述衬底(1)的上下两侧表面，所述泵浦光源蓝紫光LED氮化物结构(2)包括p-型导电电极(81)和反光结构(82)。

2.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)为锥形体，所述单元体(3)的锥顶截面直径为0.5～50μm，所述单元体(3)的倾斜侧面的底角(α)为89°～20°，所述单元体(3)的高度(h)为500nm～50μm。

3.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)为带状体，所述单元体(3)的截面为梯形，梯形截面上边为0.5μm～50μm，所述单元体(3)的倾斜侧面的底角(α)为89°～20°，所述单元体(3)的高度(h)为500nm～50μm。

4.如权利要求1～3中任一项所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)为氮极性，所述单元体(3)的上部具有掺杂Mg的p-型氮化物(31)，Mg的掺杂浓度为2×10⁺¹⁷cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，所述掺杂Mg的p-型氮化物(31)的厚度不小于10nm。

5.如权利要求1～3中任一项所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)为镓极性，所述单元体(3)的上部具有n-型掺杂的氮化物(31)，掺杂浓度为2×10^{+ 17}cm^-3～8×10⁺¹⁹cm^-3，所述n-型掺杂的氮化物(31)的厚度不小于10nm。

6.如权利要求2或3所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：相邻的所述单元体(3)之间互不连接，所述衬底(1)为蓝宝石，所述衬底(1)的表面在所述单元体(3)之间显露出来。

7.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)的侧面和相邻的单元体(3)之间的间隙涂敷有光反射层(32)，所述光反射层(32)为金属或介电涂层。

8.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述单元体(3)包括由氮化物组成的分布布拉格反射结构。

9.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述黄绿红量子阱结构(4)组分为In_yGa_1-yN，其中0.18≤y≤0.7；所述黄绿红量子阱结构(4)的势垒的组分为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≤a≤y-0.01，0≤b≤0.3，所述黄绿红量子阱结构(4)的势垒上包括n-型或p-型掺杂层，掺杂浓度至少为1×10⁺¹⁶cm^-3。

10.如权利要求9所述的单片集成光泵浦发光器件，所述黄绿红量子阱结构(4)的底部包括至少一个厚度不少于5nm的氮化物缓冲层，所述氮化物缓冲层的组分为In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.2，0≤y≤0.3。

11.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述覆盖层(5)为最上方量子阱势垒。

12.如权利要求1所述的单片集成光泵浦发光器件，其特征在于：所述覆盖层(5)包括蓝紫光的薄膜反光结构，所述蓝紫光的薄膜反光结构包括分布布拉格反射结构或金属/介质光过滤器；和/或所述覆盖层(5)包括黄绿红光的薄膜反光结构，所述黄绿红光的薄膜反光结构包括分布布拉格反射结构或金属/介质光过滤器。

13.一种单片集成光泵浦发光器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)提供衬底(1)：提供单面抛光的衬底(1)；

2)提供用于形成单元体(3)的氮化物：在所述衬底(1)抛光的一面提供用于形成单元体(3)的氮化物，并形成保护层，从而形成基片；

3)形成单元体(3)：在步骤2)得到的基片上形成蚀刻掩膜，再通过等离子体蚀刻形成具有倾斜侧面的单元体(3)；

4)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中所形成的蚀刻掩膜，并形成能作为氮化物生长掩膜的保护层；

5)抛光衬底(1)的另一面：对所述衬底(1)的另一面进行抛光；

6)形成蓝紫光LED氮化物结构(2)：在所述衬底(1)的抛光的另一面上生长蓝紫光LED氮化物结构(2)及保护层；

7)暴露单元体(3)的顶部：使用光刻和等离子体刻蚀技术暴露单元体(3)的顶部；

8)生长黄绿红量子阱(4)和覆盖层(5)：在所述单元体(3)顶部生长黄绿红量子阱(4)和覆盖层(5)；

9)在所述单元体(3)倾斜的侧面和间隙沉积光反射层(32)；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：在所述蓝紫光LED氮化物结构(2)远离所述衬底(1)的一侧形成蓝紫光LED电极及反光结构；

11)器件封装：把步骤10)后得到的基片切割成小片作为单个发光器件后封装。

14.如权利要求13所述的单片集成光泵浦发光器件的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，首先用光刻工艺、电子束蒸发和剥离工艺在步骤2)中形成的基片上形成金属蚀刻掩膜；然后用光刻工艺和负性光刻胶，在该金属蚀刻掩膜上形成另外一层相同形状的负性光刻胶作为蚀刻掩膜；再用等离子体蚀刻设备，形成具有倾斜侧面的单元体(3)。

15.一种单片集成光泵浦发光器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)提供衬底(1)：提供单面抛光的衬底(1)；

2)提供用于形成单元体(3)的氮化物：在所述衬底(1)抛光的一面提供用于形成单元体(3)的氮化物，并形成保护层，从而形成基片；

3)抛光衬底(1)的另一面：对所述衬底(1)的另一面进行抛光；

4)形成蓝紫光LED氮化物结构(2)：在所述衬底(1)的抛光的另一面上生长蓝紫光LED氮化物结构(2)及保护层；

5)形成单元体(3)：在步骤2)得到的基片上形成蚀刻掩膜，再通过等离子体蚀刻形成具有倾斜侧面的单元体(3)；

6)清理蚀刻掩膜：清理步骤3)中所形成的蚀刻掩膜，并形成能作为氮化物生长掩膜的保护层；

7)暴露单元体(3)的顶部：使用光刻和等离子体刻蚀技术暴露单元体(3)的顶部；

8)生长黄绿红量子阱(4)和覆盖层(5)：在所述单元体(3)顶部生长黄绿红量子阱(4)和覆盖层(5)；

9)在所述单元体(3)倾斜的侧面和间隙沉积光反射层(32)；

10)形成蓝紫光LED电极及反光结构：在所述蓝紫光LED氮化物结构(2)远离所述衬底(1)的一侧形成蓝紫光LED电极及反光结构；

11)器件封装：把步骤10)后得到的基片切割成小片作为单个发光器件后封装。

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