CN107195733A - 基于机械剥离的毫米级可转移led器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械剥离的毫米级可转移LED器件及其制备方法，该器件包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n‑GaN层、与所述n‑GaN层相连的n‑GaN臂、与所述n‑GaN臂相连的p‑n结量子阱器件。本发明采用传统的半导体加工工艺首次实现了基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，该器件可用于通信、照明、显示以及传感领域。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种基于机械剥离的毫米级可转移LED器件及其制备技术。
背景技术
可见光通信芯片采用光子而不是电子进行信息的传输，将通信频谱资源拓展到可见光领域，利用集成光子器件将可见光频谱细化，提升通信系统的信息传输速度和频谱利用率。
目前就InGaN/GaN多量子阱材料而言，转移的方法主要有：激光剥离、机械剥离两种。激光剥离是利用激光直接将LED晶圆的衬底去除后，将LED转移至其它衬底，这种方法使用方便、简单，常用于蓝宝石衬底，但易造成LED损伤，影响其阈值电压和出光效率。机械剥离首先需要在初始衬底上生长一层易于剥离的牺牲层，在牺牲层上生长LED结构，在外力的作用下通过易剥离的牺牲层将LED结构转移，这种方法能减少对LED结构的损伤，提升LED的性能。牺牲层的生长有多种形式，第一种是在初始衬底上直接生长；第二种是在原有衬底的基础上，先生长出缓冲层，通过使用化学腐蚀的方法，形成牺牲层结构。牺牲层的使用固然能解决衬底转移，但是其生长过程复杂，与传统工艺兼容性差，不能实现器件的量产。
发明内容
技术问题：本发明提供一种基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，该器件尺寸到达了毫米量级，只需要机械外力施压就可从晶元中剥离出来并转移到其它衬底上，该器件在转移后仍可保持结构性能完整。本发明同时提供一种该器件的制备方法。
技术方案：本发明的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n-GaN层、设置在所述n-GaN层上的p-n结量子阱器件，所述n-GaN层下方设置有贯穿硅衬底层、外延缓冲层至n-GaN层中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空；n-GaN层上设置p-n结量子阱器件的区域与边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与边缘连接，在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在下台面上的n-电极、从下至上依次连接设置在所述上台面上的InGaN/GaN多量子阱上、p-GaN层、p-电极；所述p-电极包括位于p-n结量子阱器件中心圆形的带电区、位于边缘的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
进一步的，本发明器件中，n-GaN臂上设置有微孔。
进一步的，本发明器件中，所述p-n结量子阱器件的尺寸为毫米量级。
本发明中，n-GaN臂施加机械外力致断，可将p-n结量子阱器件剥离下来而不会影响p-n结量子阱器件的完整性。剥离下来的p-n结量子阱器件，具备可转移性以及可见光通信能力。
本发明的制备上述基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的方法，包括以下步骤：
步骤（1）对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）进行清洁后减薄抛光处理；
步骤（2）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤（4）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极（7）与n-电极（5），在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤（5）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤（6）去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到设置有n-GaN臂的隔离槽；
步骤（7）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤（8）将外延缓冲层（2）作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层（1）贯穿刻蚀至外延缓冲层（2）的下表面；
步骤（9）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层（2）和n-GaN层（3）进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的悬空薄膜；
步骤（10）去除残余光刻胶，获得基于机械剥离的毫米级可转移LED器件。
进一步的，本发明制备方法中，步骤（6）中的n-GaN臂上设置有微孔。
进一步的，本发明制备方法中，步骤（4）中的退火需时5分钟。
本发明通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED器件转移到顶层氮化物器件层，并且在周围形成隔离槽和n-GaN臂。利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层和外延缓冲层，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得基于机械剥离的毫米级可转移LED器件。
本发明中，经过转移的LED器件既可作为LED光源，又可作为光电探测器。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，有别于传统的机械剥离方式，不需要牺牲层，降低了材料制备以及器件加工的成本和难度。
本发明的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，相对于传统的微米级可见光通信器件，能够实现尺寸在毫米量级的器件的转移，拓宽了芯片的应用领域。
本发明的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，相对已有的可转移芯片在剥离后难以转移到其他衬底材料上的缺点，可以转移到包括柔性衬底在内的各种衬底上，实现柔性可穿戴。
附图说明
图 1 是本发明基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的结构示意图。
图 2 是本发明基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的俯视图。
图 3 是本发明基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的制造流程图。
图 4 是本发明基于机械剥离的毫米级可转移LED器件转移后的实物图。
图中有：1－硅衬底层；2－外延缓冲层；3－n-GaN；4－n-GaN臂；5－n-电极；6－InGaN/GaN多量子阱；7－p-GaN层；8－p-电极；9－隔离槽。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
图1、图2给出了本发明的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的结构示意图，该器件以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层1、设置在所述硅衬底层1上的外延缓冲层 2、设置在所述外延缓冲层2上的n-GaN层3、设置在所述n-GaN层3上的p-n结量子阱器件，所述n-GaN层3下方设置有贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2至n-GaN层3中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空；n-GaN层3上设置p-n结量子阱器件的区域与边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与边缘连接，所述p-n结量子阱器件包括设置在n-GaN层3上的n-电极5和InGaN/GaN多量子阱6、从下至上依次连接设置在所述InGaN/GaN多量子阱6上的p-GaN层7、p-电极8，在所述n-GaN层3上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN多量子阱6、p-GaN层7、p-电极8从下至上依次连接设置在上台面上，所述n-电极5设置在下台面上；所述p-电极8包括位于p-n结量子阱器件中心圆形的带电区、位于边缘的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极5包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
进一步的，本发明所述p-n结量子阱器件在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的氮化物层上实现，且周围刻有隔离槽，通过n-GaN臂固定于氮化物层上。
本发明所述的可转移的p-n结量子阱器件的尺寸可达到毫米量级。
本发明所述的n-GaN臂在施加机械外力致断后，可将p-n结量子阱器件剥离下来而不会影响p-n结量子阱器件的完整性。
本发明所述的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，剥离下来的p-n结量子阱器件，具备可转移性以及信号的接收和传输能力。
本发明的制备上述基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的方法，包括以下步骤：
步骤（1）对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）进行清洁后减薄抛光处理；
步骤（2）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤（4）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极（7）与n-电极（5），在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤（5）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤（6）去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到设置有n-GaN臂的隔离槽；
步骤（7）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤（8）将外延缓冲层（2）作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层（1）贯穿刻蚀至外延缓冲层（2）的下表面；
步骤（9）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层（2）和n-GaN层（3）进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的悬空薄膜；
步骤（10）去除残余光刻胶，获得基于机械剥离的毫米级可转移LED器件。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，其特征在于，该器件以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层（1）、设置在所述硅衬底层（1）上的外延缓冲层（2）、设置在所述外延缓冲层（2）上的n-GaN层（3）、设置在所述n-GaN层（3）上的p-n结量子阱器件，所述n-GaN层（3）下方设置有贯穿硅衬底层（1）、外延缓冲层（2）至n-GaN层（3）中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空；n-GaN层（3）上设置p-n结量子阱器件的区域与边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂（4）将该区域与边缘连接，在所述n-GaN层（3）上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在下台面上的n-电极（5）、从下至上依次连接设置在所述上台面上的InGaN/GaN多量子阱（6）、p-GaN层（7）、p-电极（8）；所述p-电极（8）包括位于p-n结量子阱器件中心圆形的带电区、位于边缘的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极（5）包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
2.根据权利要求1所述的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，其特征在于，所述n-GaN臂（4）上设置有微孔。
3.根据权利要求1或2所述的基于机械剥离的毫米级可转移LED器件，其特征在于，所述p-n结量子阱器件的尺寸为毫米量级。
4.一种制备权利要求1、2或3所述基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤（1）对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）进行清洁后减薄抛光处理；
步骤（2）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤（4）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极（7）与n-电极（5），在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤（5）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出设置有n-GaN臂的隔离槽区域；
步骤（6）去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到设置有n-GaN臂的隔离槽；
步骤（7）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤（8）将外延缓冲层（2）作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层（1）贯穿刻蚀至外延缓冲层（2）的下表面；
步骤（9）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层（2）和n-GaN层（3）进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的悬空薄膜；
步骤（10）去除残余光刻胶，获得基于机械剥离的毫米级可转移LED器件。
5.根据权利要求4所述的制备基于机械剥离的毫米级可转移LED器件的方法，其特征在于，所述步骤（6）中的n-GaN臂上设置有微孔。
6.根据权利要求4或5所述的制备基于悬空p-n结量子阱的光致晶体管的方法，其特征在于，所述步骤（4）中的退火需时5分钟。
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