CN107482031B - GaN基微米级LED阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基微米级LED阵列及其制备方法，该器件包括LED阵列单元、覆盖在LED阵列单元上方的隔离层、设置在隔离层上的n‑电极引线区，LED阵列单元中的LED器件的正极相连并与p‑电极引线区连接；LED器件包括从下至上依次设置的n‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p‑GaN层、p‑电极和设置在n‑GaN层上位于InGaN/GaN多量子阱层一侧的n‑电极，所有LED器件的n‑电极连为一体。本发明在p型区和n型区大面积蒸镀金属电极并作为反射镜，抑制光从正面出射，实现背发光；LED器件相互独立，LED阵列单元均可收发，实现超高速MIMO系统收发端；同时，结合GaN基InGaN/GaN多量子阱材料的特点，配合外部电路设计，通过收集外界震动和光源的能量，实现能量采集功能。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种GaN基微米级LED阵列及其制备技术。
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，拓展可见光通信芯片的应用渠道，为解决集成芯片的能耗、 热效应以及多场景应用等问题提供了新的设计思路 。
Ⅲ族氮化物具有较宽的直接带隙，可实现从0.7eV（近红外）到6.2eV（紫外）连续可调，是制备蓝光到紫外光波段发光器件的理想材料。其金属合金氮化物中，InGaN是多量子阱蓝、绿、紫及紫外光LED理想的有源层材料，主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件。
近年来，随着AlN/AlGaN等其他缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀引起的残余应力，高质量的硅衬底InGaN/GaN多量子阱材料日益成熟，具有发光、传输、以及光探测同步进行的特性，为基于LED器件的高开关响应的高开关响应发展而来的可见光通信技术提供了坚实的材料基础，为实现GaN基微米级LED阵列提供了可能。
发明内容
技术问题：本发明提供一种GaN基微米级LED阵列，大面积蒸镀金属电极，抑制光从正面发射，将m×m个相互独立的发光阵列单元作收发端，配合外部电路设计，收集外界震动和光源的能量，分别实现器件背发光、作超高速MIMO系统和能量采集功能。本发明同时提供一种该微米级LED阵列的制备方法。
技术方案：本发明的GaN基微米级LED阵列，包括m×m个LED阵列单元、覆盖在所述m×m个LED阵列单元上方的隔离层、设置在隔离层上的n-电极引线区，每个所述LED阵列单元包括n×n独立的LED器件和一个设置在隔离层上的p-电极引线区，LED阵列单元中的n×n个LED器件的正极相连并与p-电极引线区连接；所述LED器件包括从下至上依次设置的n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p-GaN层、p-电极和设置在n-GaN层上位于InGaN/GaN多量子阱层一侧的n-电极，所有LED器件的n-电极连为一体；所述隔离层将LED器件的n-电极和p-电极隔离开，所述p-电极上侧中心部分从隔离层的缺口中露出，并与p-电极引线区相连，所述n-电极引线区穿过隔离层与n-电极相连。
进一步的，本发明的GaN基微米级LED阵列中，n-电极能实现背发光。
进一步的，本发明的GaN基微米级LED阵列中，隔离层为SiO2层。
进一步的，本发明的GaN基微米级LED阵列中，m×m个LED阵列单元分别作为收发端。
进一步的，本发明的GaN基微米级LED阵列中，p-电极和n-电极均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
进一步的，本发明的GaN基微米级LED阵列中，所述n-GaN层上，大面积蒸镀金属电极作为反射镜，将光从正面反射回去，同时采用深硅刻蚀打开LED阵列单元背后发光的窗口，利用Ⅲ-Ⅴ族刻蚀减薄LED薄膜厚度，减少模式损耗和增加发光表面的粗糙程度，提高LED阵列单元的出光效率，实现背发光的GaN基微米级LED阵列。
本发明的GaN基微米级LED阵列中，通过p-电极引线的设计，相互独立的LED器件分别组成LED阵列单元，每个LED阵列单元包括n×n个LED器件，一共组成m×m个LED阵列单元，并且均可作收发端，使微米级LED阵列作为超高速MIMO系统收发端。
本发明的GaN基微米级LED阵列中，可利用GaN基InGaN/GaN体系材料的特点，通过外部储能电路的设计，将所述GaN基微米级LED阵列用于对外界的震动能量和光能进行采集，实现集照明、信息传输和能量采集于一体的多功能器件。
本发明的制备上述GaN基微米级LED阵列的方法，包括以下步骤：
1）在硅基氮化物晶圆背后对硅衬底层进行减薄抛光；
2）在硅基氮化物晶圆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层上的台阶区域，所述n-GaN层台阶区域包括下台面和上台面；
3）采用反应离子束刻蚀n-GaN层的台阶区域，得到阶梯状台面的LED器件结构；
4）去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n-GaN层；
5）在硅基氮化物晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的LED器件的p-电极窗口区域、位于下台面的LED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，实现p-电极与n-电极，去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
6）在LED器件表面生长材料为SiO2的隔离层；
7）在隔离层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p-电极、n-电极和隔离槽的腐蚀区域；
8）采用湿法刻蚀去除步骤7）中定义的腐蚀区域上的SiO2，然后去除残余光刻胶；
9）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义出p-电极引线区和n-电极引线区，在p-电极蒸镀金作为p-电极引线区，同时在n-电极引线区窗口上镀上同样厚度的金属层，去除残余光刻胶后，将晶圆放入快速退火炉中进行退火，使p-电极和n-电极形成欧姆接触；
10）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义隔离槽和与隔离槽相连的n-GaN支撑臂结构，用反应离子刻蚀将隔离槽刻蚀至硅衬底
11）在硅基氮化物晶圆顶层涂胶保护，在硅基氮化物晶圆的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层；利用背后对准技术，光刻定义出覆盖LED阵列单元的背后刻蚀窗口；
12）将晶圆的外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，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贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；
13）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层进行氮化物减薄处理；
14）去除残余光刻胶，使用机械外力断开支撑臂结构，将GaN基微米级LED阵列转移至外部衬底。
进一步的，本发明制备方法中，所述步骤5）中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在500℃的氮气退火技术实现。
进一步的，本发明制备方法中，所述步骤13）中的氮化物背后减薄刻蚀技术为离子束轰击或反应离子束刻蚀技术。
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。为了防止LED器件p-电极与n-电极之间的相互干扰，在LED器件表面设置了SiO2隔离层。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GaN基微米级LED阵列。
本发明中，m×m个相互独立的LED阵列单元，既可作为LED发出光信号，又可作为光电探测器检测光信号，实现超高速MIMO系统收发端；在n-GaN层上大面积蒸镀金属电极，可以作为抑制光正面出射的反射镜，实现该GaN基微米级LED阵列背发光；结合GaN基InGaN/GaN多量子阱材料的特点，配合外部电路设计，通过收集外界震动和光源的能量，实现能量采集功能。
本发明通过在LED器件上表面生长一层SiO2绝缘层，实现p-电极和n-电极的物理隔离，减小干扰。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的GaN基微米级LED阵列，区别于传统的LED阵列，在p型区和n型区大面积蒸镀金属电极作为反射镜，将光从正面反射回去，可实现该GaN基微米级LED阵列背发光。
本发明的GaN基微米级LED阵列，使用隔离层将各个LED器件的p-电极与n-电极隔离，降低电极之间的相互干扰；
本发明的GaN基微米级LED阵列，通过p-电极引线的设计，可分为m×m个LED阵列单元，每个LED阵列单元均可作收发端，实现超高速MIMO系统收发端。
本发明的GaN基微米级LED阵列，利用GaN基InGaN/GaN体系材料的特点，通过外部储能电路的设计，对外界的震动能量和光能进行采集，实现集照明、信息传输和能量采集于一体的多功能器件。
本发明的GaN基微米级LED阵列，其制备技术可以与硅加工技术兼容，可实现面向可见光通信的平面光子器件。
附图说明
图1 是本发明GaN基微米级LED阵列的一个单元的结构示意图；
图2 是本发明GaN基微米级LED阵列的俯视图；
图3是本发明GaN基微米级LED阵列的工艺流程图。
图中有:1-n-GaN层；2- n-电极；3-隔离层；4-p-电极引线区；5- InGaN/GaN多量子阱层；6- p-GaN层；7-p-电极；8-n-电极引线区。
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、图3给出了本发明的GaN基微米级LED阵列的结构示意图。该LED阵列包括m×m个LED阵列单元、覆盖在所述m×m个LED阵列单元上方的隔离层3、设置在隔离层3上的n-电极引线区8，每个所述LED阵列单元包括n×n独立的LED器件和一个设置在隔离层3上的p-电极引线区4，LED阵列单元中的n×n个LED器件的正极相连并与p-电极引线区4连接；所述LED器件包括从下至上依次设置的n-GaN层1、InGaN/GaN多量子阱层5、p-GaN层6、p-电极7和设置在n-GaN层1上位于InGaN/GaN多量子阱层5一侧的n-电极2，所有LED器件的n-电极2连为一体；所述隔离层3将LED器件的n-电极2和p-电极7隔离开，所述p-电极7上侧中心部分从隔离层3的缺口中露出，并与p-电极引线区4相连，所述n-电极引线区8穿过隔离层3与n-电极2相连。
本发明的GaN基微米级LED阵列，所述LED器件在硅衬底InGaN/GaN多量子阱体系材料的氮化物层上实现。
本发明的另一个优选实施例中，LED器件的p-电极7和n-电极2均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为镍-金合金Ni/Au。
本发明制备上述GaN基微米级LED阵列的方法，包括以下步骤：
1）在硅基氮化物晶圆背后对硅衬底层进行减薄抛光；
2）在硅基氮化物晶圆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层1上的台阶区域，所述n-GaN层1台阶区域包括下台面和上台面；
3）采用反应离子束刻蚀n-GaN层1的台阶区域，得到阶梯状台面的LED器件结构；
4）去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-GaN层6、InGaN/GaN多量子阱层5、和n-GaN层1；
5）在硅基氮化物晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的LED器件的p-电极7窗口区域、位于下台面的LED器件的n-电极2窗口区域，然后在所述p-电极7窗口区域与n-电极2窗口区域分别蒸镀Ni/Au，实现p-电极7与n-电极2，去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
6）在LED器件表面生长材料SiO2的隔离层3；
7）在隔离层3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p-电极、n-电极和隔离槽的腐蚀区域；
8）采用湿法刻蚀去除步骤7）中定义的腐蚀区域上的SiO2，然后去除残余光刻胶；
9）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义出p-电极引线区域和n-电极引线区，在p-电极7蒸镀金作为p-电极引线区4，同时在n-电极引线区8窗口上镀上同样厚度的金属层，去除残余光刻胶后，将晶圆放入快速退火炉中进行退火，使p-电极和n-电极形成欧姆接触；
10）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义隔离槽和与隔离槽相连的n-GaN支撑臂结构，用反应离子刻蚀将隔离槽刻蚀至硅衬底；
11）在硅基氮化物晶圆顶层涂胶保护，在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，光刻定义出覆盖LED阵列单元的背后刻蚀窗口；
12）将外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，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贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；
13）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层1进行氮化物减薄处理；
14）去除残余光刻胶，使用机械外力断开支撑臂并将GaN基微米级LED阵列转移至外部衬底。
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GaN基微米级LED阵列，其特征在于，该LED阵列包括m×m个LED阵列单元、覆盖在所述m×m个LED阵列单元上方的隔离层（3）、设置在隔离层（3）上的n-电极引线区（8），每个所述LED阵列单元包括n×n独立的LED器件和一个设置在隔离层（3）上的p-电极引线区（4），LED阵列单元中的n×n个LED器件的正极相连并与p-电极引线区（4）连接，所述m×m个LED阵列单元分别作为收发端；所述LED器件包括从下至上依次设置的n-GaN层（1）、InGaN/GaN多量子阱层（5）、p-GaN层（6）、p-电极（7）和设置在n-GaN层（1）上位于InGaN/GaN多量子阱层（5）一侧的n-电极（2），所有LED器件的n-电极（2）连为一体；所述隔离层（3）将LED器件的n-电极（2）和p-电极（7）隔离开，所述p-电极（7）上侧中心部分从隔离层（3）的缺口中露出，并与p-电极引线区（4）相连，所述n-电极引线区（8）穿过隔离层（3）与n-电极（2）相连，能实现所述GaN基微米级LED阵列背发光。
2.根据权利要求1所述的GaN基微米级LED阵列，其特征在于，所述隔离层（3）为SiO2层。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基微米级LED阵列，其特征在于，所述p-电极（7）和n-电极（2）均为Ni/Au电极，即沉积的金属材料为Ni/Au。
4.一种制备权利要求1、2或3所述GaN基微米级LED阵列的背后加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）在硅基氮化物晶圆背后对硅衬底层进行减薄抛光；
2）在硅基氮化物晶圆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层（1）上的台阶区域，所述n-GaN层（1）台阶区域包括下台面和上台面；
3）采用反应离子束刻蚀n-GaN层（1）台阶区域，得到阶梯状台面的LED器件结构；
4）去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-GaN层（6）、InGaN/GaN多量子阱（5）、和n-GaN层（1）；
5）在硅基氮化物晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的LED器件的p-电极（7）窗口区域、位于下台面的LED器件的n-电极（2）窗口区域，然后在所述p-电极（7）窗口区域与n-电极（2）窗口区域分别蒸镀Ni/Au，实现p-电极（7）与n-电极（2），去除残余光刻胶后，即得到LED器件；
6）在LED器件上方生长材质为SiO2的隔离层（3）；
7）在隔离层（3）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p-电极（7）、n-电极（2）和隔离槽的腐蚀区域；
8）采用湿法刻蚀去除所述步骤7）中定义的腐蚀区域上的SiO2，然后去除残余光刻胶；
9）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义出p-电极引线区（4）和n-电极引线区（8），在p-电极（7）蒸镀金作为p-电极引线区（4），同时在n-电极引线区（8）窗口上镀上同样厚度的金属层，去除残余光刻胶后，将晶圆放入快速退火炉中进行退火，使p-电极（7）和n-电极（2）形成欧姆接触；
10）在晶圆上表面旋涂一层光刻胶，用光刻定义隔离槽和与隔离槽相连的n-GaN支撑臂结构，用反应离子刻蚀将隔离槽刻蚀至硅衬底；
11）在硅基氮化物晶圆顶层涂胶保护，在硅基氮化物晶圆的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，光刻定义出覆盖所有LED阵列单元的背后刻蚀窗口；
12）将晶圆的外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，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贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；
13）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层（1）进行氮化物减薄处理；
14）去除残余光刻胶，使用机械外力断开支撑臂结构，将GaN基微米级LED阵列转移至外部衬底。
5.根据权利要求4所述的制备GaN基微米级LED阵列的背后加工方法，其特征在于，所述步骤5）中的蒸镀Ni/Au，采用剥离工艺和温度控制在500℃的氮气氛围退火技术实现。
6.根据权利要求4或5所述的制备GaN基微米级LED阵列的背后加工方法，其特征在于，所述步骤13）中的氮化物背后减薄刻蚀技术为离子束轰击技术或反应离子束刻蚀技术。
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