CN107731971B - 一种基于光子晶体的垂直结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，芯片包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层、Al单晶金属薄膜层、p－GaN薄膜层、i－AlN薄膜层、n－ZnO层薄膜和单晶光子晶体薄膜层，采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片及其制备方法，特别是一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
目前，LED大多是基于GaN半导体材料的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构，主要以p氧化物/n型ZnO和p型GaN/n型ZnO为主。与p型氧化物相比，p型GaN具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，因此，p型GaN/n型ZnO异质结LED成为主流发展方向。
在LED中ITO被用来充当电极层，提高电流分布的均匀性。然而，ITO也存在较大的电阻，而且它还会在一定程度上降低出光效率。如果在保证或者进一步提高电流分布均匀性和LED性能的前提下，能够取消ITO，那么这对于提高LED的性能、减少工序和降低成本将会产生意义深远的影响。
光子晶体是一种新型的技术，可以有效提高LED器件的出光效率和改善LED的内部热场。此外，垂直结构LED也是改善器件内部电流分布均匀性的有效手段之一。
基于上述考虑，以金属光子晶体取代ITO发展垂直结构LED芯片将会对有效的提高LED的性能，极大地促进LED的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，具有结构简单、光电性能好的优点。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层、Al单晶金属薄膜层、p-GaN薄膜层、i-AlN薄膜层、n-ZnO薄膜层和单晶光子晶体薄膜层。本LED芯片采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。
进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi,其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形,其厚度为150-2000nm。规则排列的图案有利于提高LED器件的出光效率。
进一步，所述Al单晶金属薄膜层厚度为150-2000nm。
进一步，所述p-GaN薄膜层的厚度为150-3500nm,且掺杂有Mg、Ti、C和Si元素，所述p-GaN薄膜层还包括一层8-12nm的Ag纳米层。
进一步，所述i-AlN薄膜层厚度为2-30nm。
进一步，所述n-ZnO薄膜层的厚度为150-500nm，且掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素。
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
A、将Si或者Cu衬底层放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Si或者Cu衬底层表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；
B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层放入真空室，高温700-1200℃退火30-120min，除去Si或者Cu衬底层表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
C、制备Al单晶金属薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层上沉积一层150-2000nm厚的Al单晶金属薄膜层；
D、制备p-GaN薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1000-1200℃使镓原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层上沉积一层150-3500nm厚的p-GaN薄膜层，所述p-GaN薄膜层掺杂有Mg、Ti、C和Si元素；
E、制备i-AlN薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p-GaN薄膜层上沉积一层2-30nm厚的i-AlN薄膜层；
F、制备n-ZnO薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至200-600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i-AlN薄膜层上沉积一层150-500nm厚的n-ZnO薄膜层，所述n-ZnO薄膜层掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素；
G、制备单晶光子晶体薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n-ZnO薄膜层上沉积一层150-2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层；
H、在单晶光子晶体薄膜层上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层形成N电极，获得规则排列的出光窗口；所述ICP刻蚀为感应耦合等离子刻蚀。
I、接着对Al单晶金属薄膜层进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层形成P电极；
J、对Si或者Cu衬底层进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片。
本方法的LED芯片制作工艺简单，生产成本低，制作出的LED芯片结构简单，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，可以有效提高LED器件的出光效率，改善LED的内部热场和电流分布均匀性，光电性能优异。
进一步，步骤D还包括在p-GaN薄膜层生长100-120nm之后，在室温下沉积一层8-12nm的Ag膜，在800-950℃温度下退火30-120s形成Ag纳米层。
进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi。
进一步，步骤H中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。规则排列的出光窗口有利于提高LED器件的出光效率。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片的示意图；
图2是本发明一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片正面俯视图；
图3是本发明一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片正面俯视图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层11、Al单晶金属薄膜层12、p-GaN薄膜层13、i-AlN薄膜层14、n-ZnO薄膜层15和单晶光子晶体薄膜层16。本LED芯片采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。
进一步，所述单晶光子晶体薄膜层16的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi,其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形,其厚度为150-2000nm。规则排列的图案有利于提高LED器件的出光效率。
进一步，所述Al单晶金属薄膜层12厚度为150-2000nm。
进一步，所述p-GaN薄膜层13的厚度为150-3500nm,且掺杂有Mg、Ti、C和Si元素，所述p-GaN薄膜层13还包括一层8-12nm的Ag纳米层17。
进一步，所述i-AlN薄膜层14厚度为2-30nm。
进一步，所述n-ZnO薄膜层15的厚度为150-500nm，且掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素。
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
A、将Si或者Cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Si或者Cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干，注意不能使用高纯N2等离子体；
B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层11放入真空室，高温700-1200℃退火30-120min，除去Si或者Cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
C、制备Al单晶金属薄膜层12：将Si或者Cu衬底层11加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，注意不能使用高纯N2等离子体，将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层11上沉积一层150-2000nm厚的Al单晶金属薄膜层12；
D、制备p-GaN薄膜层13：将Si或者Cu衬底层11加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1000-1200℃使镓原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层12上沉积一层150-3500nm厚的p-GaN薄膜层13，所述p-GaN薄膜层13掺杂有Mg、Ti、C和Si元素；
E、制备i-AlN薄膜层14：将Si或者Cu衬底层11加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p-GaN薄膜层13上沉积一层2-30nm厚的i-AlN薄膜层14；
F、制备n-ZnO薄膜层15：将Si或者Cu衬底层11加热至200-600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i-AlN薄膜层14上沉积一层150-500nm厚的n-ZnO薄膜层15，所述n-ZnO薄膜层15掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素；
G、制备单晶光子晶体薄膜层16：将Si或者Cu衬底层11加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n-ZnO薄膜层15上沉积一层150-2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；
H、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成N电极，获得规则排列的出光窗口；
I、接着对Al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层12形成P电极；
J、对Si或者Cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片。
本方法的LED芯片制作工艺简单，生产成本低，制作出的LED芯片结构简单，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，可以有效提高LED器件的出光效率，改善LED的内部热场和电流分布均匀性，光电性能优异。
进一步，步骤D还包括在p-GaN薄膜层13生长100-120nm之后，在室温下沉积一层8-12nm的Ag膜，在800-950℃温度下退火30-120s形成Ag纳米层17。
进一步，所述单晶光子晶体薄膜层16的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi。
进一步，步骤H中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。规则排列的出光窗口有利于提高LED器件的出光效率。
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
A、将Si或者Cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Si或者Cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；
B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层11放入真空室，高温700-1200℃退火30-120min，除去Si或者Cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
C、制备Al单晶金属薄膜层12：将Si或者Cu衬底层11加热至850℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯N2，将Al源加热到1100℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层11上沉积一层1500nm厚的Al单晶金属薄膜层12；
D、制备p-GaN薄膜层13：将Si或者Cu衬底层11加热至700℃，充入1sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1050℃使镓原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层12上沉积一层2500nm厚的p-GaN薄膜层13，所述p-GaN薄膜层13掺杂有Mg、Ti、C和Si元素；在p-GaN薄膜层13生长100nm之后，在室温下沉积一层10nm的Ag膜，在800℃温度下退火60s形成Ag纳米层17；
E、制备i-AlN薄膜层14：将Si或者Cu衬底层11加热至850℃，充入1sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p-GaN薄膜层13上沉积一层20nm厚的i-AlN薄膜层14；
F、制备n-ZnO薄膜层15：将Si或者Cu衬底层11加热至500℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i-AlN薄膜层14上沉积一层300nm厚的n-ZnO薄膜层15，所述n-ZnO薄膜层15掺杂有Al元素；
G、制备单晶光子晶体薄膜层16：将Si或者Cu衬底层11加热至800℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n-ZnO薄膜层15上沉积一层500nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；
H、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成N电极，获得规则排列的出光窗口；所述ICP刻蚀为感应耦合等离子刻蚀；
I、接着对Al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层12形成P电极；
J、对Si或者Cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片。
参照图1，本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构LED芯片，包括由下至上依次排列的导热性能好的Si或者Cu衬底层11、Al单晶金属薄膜层12(P电极)、p-GaN薄膜层13、i-AlN薄膜层14、n-ZnO薄膜层15和单晶光子晶体薄膜层16(N电极)。
参照图2，为本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构LED芯片正面俯视图，正面是大面积的N电极金属，中间绝大部分是规则排列的方形光子晶体图案。
实施例2
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
A、将Si或者Cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Si或者Cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；
B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层11放入真空室，高温1200℃退火60min，除去Si或者Cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
C、制备Al单晶金属薄膜层12：将Si或者Cu衬底层11加热至850℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯N2，将Al源加热到1100℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层11上沉积一层2000nm厚的Al单晶金属薄膜层12；
D、制备p-GaN薄膜层13：将Si或者Cu衬底层11加热至750℃，充入1sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1050℃使镓原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层12上沉积一层2500nm厚的p-GaN薄膜层13，所述p-GaN薄膜层13掺杂有Mg元素；在p-GaN薄膜层13生长100nm之后，在室温下沉积一层8nm的Ag膜，在850℃温度下退火30s形成Ag纳米层17；
E、制备i-AlN薄膜层14：将Si或者Cu衬底层11加热至850℃，充入1sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p-GaN薄膜层13上沉积一层20nm厚的i-AlN薄膜层14；
F、制备n-ZnO薄膜层15：将Si或者Cu衬底层11加热至500℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i-AlN薄膜层14上沉积一层300nm厚的n-ZnO薄膜层15，所述n-ZnO薄膜层15掺杂有Al；
G、制备单晶光子晶体薄膜层16：将Si或者Cu衬底层11加热至800℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n-ZnO薄膜层15上沉积一层500nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；
H、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成N电极，获得规则排列的出光窗口；所述ICP刻蚀为感应耦合等离子刻蚀。
I、接着对Al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层12形成P电极；
J、对Si或者Cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片。
参照图3，为本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构LED芯片正面俯视图，正面是大面积的N电极金属，中间绝大部分是规则排列的圆形光子晶体图案。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将Si或者Cu衬底层(11)放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Si或者Cu衬底层(11)表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；
B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层(11)放入真空室，高温700-1200℃退火30-120min，除去Si或者Cu衬底层(11)表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
C、制备Al单晶金属薄膜层(12)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层(11)上沉积一层150-2000nm厚的Al单晶金属薄膜层(12)；
D、制备p-GaN薄膜层(13)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1000-1200℃使镓原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层(12)上沉积一层150-3500nm厚的p-GaN薄膜层(13)，所述p-GaN薄膜层(13)掺杂有Mg、Ti、C和Si元素；
E、制备i-AlN薄膜层(14)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至700-900℃，充入0.5-2sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p-GaN薄膜层(13)上沉积一层2-30nm厚的i-AlN薄膜层(14)；
F、制备n-ZnO薄膜层(15)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至200-600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i-AlN薄膜层(14)上沉积一层150-500nm厚的n-ZnO薄膜层(15)，所述n-ZnO薄膜层(15)掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素；
G、制备单晶光子晶体薄膜层(16)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至700-1000℃，高真空条件下，充入0.5-2sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n-ZnO薄膜层(15)上沉积一层150-2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层(16)；
H、在单晶光子晶体薄膜层(16)上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层(16)形成N电极，获得规则排列的出光窗口；
I、接着对Al单晶金属薄膜层(12)进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层(12)形成P电极；
J、对Si或者Cu衬底层(11)进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片；
其中：
步骤D还包括在p-GaN薄膜层(13)生长100-120nm之后，在室温下沉积一层8-12nm的Ag膜，在800-950℃温度下退火30-120s形成Ag纳米层(17)；
所述单晶光子晶体薄膜层(16)的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi；
步骤H中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。
2.一种使用权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法制作得到的基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层(11)、Al单晶金属薄膜层(12)、p-GaN薄膜层(13)、i-AlN薄膜层(14)、n-ZnO薄膜层(15)和单晶光子晶体薄膜层(16)；所述单晶光子晶体薄膜层(16)的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi,其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形,其厚度为150-2000nm；所述Al单晶金属薄膜层(12)厚度为150-2000nm；所述p-GaN薄膜层(13)的厚度为150-3500nm,且掺杂有Mg、Ti、C和Si元素，所述p-GaN薄膜层(13)还包括一层8-12nm的Ag纳米层(17)；所述i-AlN薄膜层(14)厚度为2-30nm；所述n-ZnO薄膜层(15)的厚度为150-500nm，且掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素。
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