CN108428770A - 一种共面波导结构微米led的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种共面波导结构微米LED的制备方法，属于光电子器件面向可见光通信LED领域。本发明首先通过仿真模拟优化芯片排布及电极结构，然后在芯片工艺过程中，通过图形化掩埋及控制电子束蒸发条件，最终在芯片内实现共面波导结构，使得高频信号可馈入阵列内每个LED终端。本发明不但兼容传统LED制作工艺，而且简单可靠，使得高频信号有效馈入，提高了大功率芯片的带宽；同时将芯片与导热基底进行焊接，可大大提升高功率芯片的散热性能，有效提高大功率芯片的可靠性。

Description

一种共面波导结构微米LED的制备方法

技术领域

本发明涉及光电子器件面向可见光通信LED领域，涉及一种具有波导结构的高带宽微米LED的制备方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展,LED正在以迅雷不及掩耳之势取代传统日光灯等光源成为主流室内照明光源。这得益于LED照明器件是一种具有更高效率、更长寿命的绿色照明光源。相对于白炽灯和荧光灯等传统照明光源，大功率白光LED除了发光效率较高之外，还具有可高速调制的特点，因此LED可以在照明的同时实现数据的无线光传输，即Li-Fi。可见光通信技术具有频谱资源丰富、无电磁污染、安全等优点，具有广阔的应用前景，成为了学术界和产业界共同关注的技术热点。

然而目前商用白光LED芯片调制带宽约为10-20MHz，远远实现不了有效通讯信号传输。各国科研工作者探究了不同方法提高LED调制带宽，包括外延优化匹配，等离激元耦合，缩小尺寸至微米LED等；但是微米LED最具技术优势，微米结构有效释放应力，微米LED具有注入电流均匀分布等特点，使其可承载几十KA/cm²电流注入密度，由此带来超过百MHz量级的可调制带宽，并且其droop效应得到了有效的缓解，保障了高亮度高光效的优势。除此之外，微米LED的制作兼容大部分目前传统芯片制作工艺，是有效、可靠、可商业化生产实现照明与可见光通讯方案之一。

然而微米LED作为可见光通讯器件的进程，至今还主要停留在实验室阶段，这主要因为以下几个方面原因：1.微米LED由于尺寸小，单颗LED光功率低，无法实现较远距离光信号有效传递；2.微米LED虽然可以耐受更高的电流密度，但是其散热问题严重制约性能的提高；3.高频信号传输不同于直流供电，LED工作在高频率下，需要对电极进行优化以实现信号无损耗馈入，这也是实现微米LED作为光通讯的一大障碍；解决这一系列问题，是将微米LED运用于可见光通讯进而实现产业化的关键所在。

发明内容

本发明提供一种具有共面波导结构的通讯用微米LED的制备方法，解决阵列LED高频信号馈入问题，以及大功率LED散热问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种共面波导微米LED的制备方法，其特征在于，具体包括：

1)根据功率要求确定阵列中微米LED的尺寸和个数，再通过仿真模拟热分布、电流分布、及高频信号馈入情况，设计出若干个微米LED的排布和电极结构；

2)在外延片上，通过干法刻蚀过程制备出上述LED区域及条状深刻蚀区域；然后沉积N型电极材料，形成大面积环绕N电极；

3)淀积P型金属，形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域,随后光刻、剥离形成N金属焊盘与P金属焊盘，至此形成共面波导结构；

4)在散热基板上沉积与LED区域对应的图形化金属，对准并焊接，实现共面波导微米LED的制备。

进一步步骤2)具体包括：

2-1)外延片蒸镀一层ITO作为电流扩展层；

2-2)外延片上通过光刻，曝光，显影出扇形辐射状排布的微米LED区域；

2-3)通过干法刻蚀过程制备出上述LED区域及条状深刻蚀区域；然后沉积环绕N型电极，控制其厚度使得N电极与LED台面平齐；

2-4)剥离光刻胶后形成大面积环绕N电极。

步骤3)具体包括：

3-1)沉积绝缘层AlN，涂布光刻胶，通过曝光、显影，选择保护区域；湿法腐蚀无光刻胶保护的区域，形成绝缘层；

3-2)蒸发沉积反射金属电极层，厚度与绝缘层平齐，剥离光刻胶后形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域光刻；

3-3)用电子束蒸发沉积焊盘金属层，剥离光刻胶后，形成N金属焊盘与P金属焊盘。

本发明的技术效果如下：

本发明首先通过仿真模拟优化芯片排布及电极结构，然后在芯片工艺过程中，通过图形化掩埋及控制电子束蒸发条件，最终在芯片内实现共面波导结构，使得高频信号可馈入阵列内每个LED终端。再将芯片与导热基底进行焊接，大大提升高功率芯片的散热性能。本发明不但兼容传统LED制作工艺，而且简单可靠；使得高频信号有效馈入，提高了大功率芯片的带宽；且利用良好的散热基板优化器件散热性能，有效提高大功率芯片的可靠性。

本发明创新点及优势包括：

a)实现芯片级共面波导，利于高频信号馈入芯片端；

b)芯片排布有利于散热及电流扩展之外，采用半扇形均匀分布在三个半径不同的圆上，以利于后期光聚焦远距离光传输。

c)在散热基板上实现芯片互联，工艺难度降低、可靠性增加，并且阵列微米LED使得发光功率成倍增加，突破了单颗芯片功率不足的问题；

d)采用精准共晶焊工艺，提高该大功率芯片散热能力。

附图说明

图1～图9是六阵列共面波导结构微米LED芯片的俯视示意图；

其中：1-台面；2-n-GaN层；3-光刻胶；4-阵列隔离区；5-N电极；6-反射电极区域；7-AlN区域；8-N金属焊盘；9-P金属焊盘；10-散热基板上AlN；11-散热基板上金属焊盘。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

首先，根据最终功率要求确定阵列中单个微米LED的面积与LED总数量，其中单个LED面积为888um²，LED总数量为36个。通过仿真模拟热分布、电流分布、及高频信号馈入情况，然后根据模拟效果，优化并设计出由隔离区域划分的六个LED台面区，以及电极结构。

在蓝宝石衬底LED外延片经过酸洗、有机清洗、去离子水冲洗至表面无沾污、无氧化层并烘干后，蒸镀一层ITO作为电流扩展层；

匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，形成若干辐射状分布扇形台面阵列光刻图形，所有扇形台面面积相同；

利用ICP干法刻蚀，刻蚀掉未被光刻胶保护的区域至结构层形成若干台面，如图1所示；

匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，形成阵列间的隔离区域，如图2所示为具有6个相关隔离的LED阵列单元；

等离子体深刻蚀未被光刻胶保护的区域至结构层上表面形成阵列隔离区，隔离区的个数和尺寸也是由模拟结果决定；

匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，光刻胶保护台面及深刻蚀隔离区域，如图3；

控制电子束蒸发沉积N型金属电极层Cr/Pt/Au厚度使得N型金属层与台面高度平齐,剥离光刻胶后形成大面积环绕N电极，如图4所示；

利用化学气相沉积绝缘层AlN；匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，光刻胶选择保护区域，如图5所示；

湿法腐蚀无光刻胶保护的区域，形成绝缘结构层；

控制电子束蒸发沉积反射金属电极层Ni/Ag/Ni/Cr/Pt/Au厚度使得该电极与绝缘层平齐，剥离光刻胶后形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域，如图6所示；

匀胶机涂布光刻胶，使用焊盘光刻版通过曝光、显影，形成如图状光刻胶，如图7所示；

用电子束蒸发沉积焊盘金属层AuSn，剥离光刻胶后，形成N金属焊盘与P金属焊盘，至此形成共面波导结构，如图8所示；

减薄抛光背面蓝宝石，形成LED芯片；

散热基板利用化学气相沉积绝缘层AlN；

金属化沉积焊盘金属层AuSn，与LED芯片上金属焊盘结构对应，如图9所示；

将LED芯片与散热基板对准并焊接，实现共面波导微米LED的制备。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种共面波导微米LED的制备方法，其特征在于，具体包括：

1)根据功率要求确定阵列中微米LED的尺寸和个数，再通过仿真模拟热分布、电流分布、及高频信号馈入情况，设计出若干个微米LED的排布和电极结构；

2)在外延片上，通过干法刻蚀过程制备出上述LED区域及条状深刻蚀区域；然后沉积N型电极材料，形成大面积环绕N电极；

3)淀积P型金属，形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域,随后光刻、剥离形成N金属焊盘与P金属焊盘，至此形成共面波导结构；

4)在散热基板上沉积与LED区域对应的图形化金属，对准并焊接，实现共面波导微米LED的制备。

2.如权利要求1所述的共面波导微米LED的制备方法，其特征在于，步骤2)具体为：

2-1)外延片蒸镀一层ITO作为电流扩展层；

2-2)外延片上通过光刻，曝光，显影出扇形辐射状排布的微米LED区域；

2-3)通过干法刻蚀过程制备出上述LED区域及条状深刻蚀区域；然后沉积环绕N型电极，控制其厚度使得N电极与LED台面平齐；

2-4)剥离光刻胶后形成大面积环绕N电极。

3.如权利要求1所述的共面波导微米LED的制备方法，其特征在于，步骤3)具体为：

3-1)沉积绝缘层AlN，涂布光刻胶，通过曝光、显影，选择保护区域；湿法腐蚀无光刻胶保护的区域，形成绝缘层；

3-2)蒸发沉积反射金属电极层，厚度与绝缘层平齐，剥离光刻胶后形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域光刻；

3-3)用电子束蒸发沉积焊盘金属层，剥离光刻胶后，形成N金属焊盘与P金属焊盘。