CN108807621A - 照明通信共用的二维光子晶体led倒装芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片及其制备方法，制备方法包括提供透明衬底的外延片、在所述透明衬底的外延片上制备空气孔光子晶体结构、在所述空气孔光子晶体结构中填充SOG绝缘介质、用填充好绝缘介质的外延片进行普通倒装芯片制备工艺，形成二维光子晶体LED倒装芯片。本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法可以有效的提高LED芯片的调制带宽和出光效率，同时有效避免外延片带来的质量问题，而照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片具有散热效果好、出光效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信和照明领域，具体涉及照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片及其制备方法。
背景技术
随着互联网、物联网、人工智能等技术的快速发展，移动通信业务急剧上升，可用于通信的频谱资源几近枯竭。可见光通信作为射频通信、毫米波通信的另一种选择，具有对人体无辐射危害、环保安全、保密性好等优点，是一项极具潜力的通信技术。近十年来，GaN基LED因其高效的出光效率和能量转换效率在照明和通信领域备受关注。GaN基LED是目前主流的商用照明光源，其内量子效率已接近100%，出光效率接近80%，但是其调制带宽仅3-50MHz，远远不能满足可见光通信光源的要求。提升LED本身的带宽将使可见光通信系统获得质的飞跃。Yin等制备空气孔光子晶体LED正装芯片，20mA注入电流下，带宽达到347MHz（DOI: 10.1109/JLT.2016.2634005）。但是正装结构有诸多缺点，如散热不佳，增大了光衰的可能性，减少芯片寿命，降低器件可靠性；电极挡光，减少芯片出光；电流拥挤，进一步降低光效等。倒装结构拥有较多优势，适合用于可见光通信。目前，将光子晶体与倒装结构相结合提高LED芯片发光效率和调制带宽的制备方法比较稀缺。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片及其制备方法，可以有效的提高LED芯片的调制带宽和出光效率，同时有效避免外延片带来的质量问题，而照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片具有散热效果好、出光效率高的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片，包括二维光子晶体结构、透明衬底、外延片、反射镜、保护层、钝化层和电极，所述二维光子晶体结构设置在与反射镜相接处的透明衬底的外延片内部，所述外延片包括N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，所述透明衬底与N型氮化镓层接触连接，所述N型氮化镓层与有源层接触连接，所述有源层与P型氮化镓层接触连接，所述保护层与P型氮化镓层接触连接，所述钝化层覆盖在外延片的上方，所述电极包括N电极和P电极，所述N电极穿过钝化层和保护层与N型氮化镓层接触，所述P电极穿过钝化层与P型氮化镓层接触，所述反射镜设置在P型氮化镓层与P电极之间。
进一步地，所述二维光子晶体结构的占空比为0.1～0.9，所述二维光子晶体结构采用纳米压印、电子束光刻、PS小球、SiO2小球或AAO模板方法制备。
进一步地，所述透明衬底为蓝宝石或SiC透明衬底；所述有源层为InGaN/GaN多量子阱层。
进一步地，所述电极为Au、Cr、Ni、Ag、Ti、Al、Pt、Pd中的一种或者多种及其合金；所述钝化层为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2或SOG等绝缘介质材料；所述反射镜为银镜、DBR中的一种或者多种组合。
照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提供透明衬底的外延片。
步骤2、在所述透明衬底的外延片上制备空气孔光子晶体结构。
步骤3、在所述空气孔光子晶体结构中填充SOG绝缘介质。
步骤4、用填充好绝缘介质的外延片进行普通倒装芯片制备工艺，形成二维光子晶体LED倒装芯片。
进一步地，所述步骤2中包括以下步骤：
步骤21、在外延片的P型氮化镓层表面制备一层掩膜。
步骤22、在掩膜表面旋涂纳米压印胶。
步骤23、使用压印设备将纳米压印模板上的纳米图案转移至纳米压印胶上。
进一步地，所述步骤3中包括以下步骤：
步骤31、使用ICP-RIE设备干法刻蚀纳米压印胶和掩膜，使纳米图案转移至掩膜。
步骤32、使用ICP-RIE设备干法刻蚀掩膜和外延片，使纳米图案转移到外延片。
步骤33、清洗外延片后旋涂SOG绝缘介质材料并做退火处理。
步骤34、使用ICP-RIE设备干法刻蚀SOG绝缘介质至P型氮化镓层表面。
进一步地，所述纳米图案为周期性的纳米凸点或纳米凹点。
进一步地，所述掩膜为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2、SOG、ITO、ZnO、Au、Ag、Ni、Al、Cr或Ti。
与现有技术比较，本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，可以有效的提高LED芯片的调制带宽和出光效率，同时有效避免外延片带来的质量问题，而照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片具有散热效果好、出光效率高的优点。
附图说明
图1为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法流程图。
图2A～2N为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法各步骤示意图。
图3为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的空气孔光子晶体LED表面的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2N所示，为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的结构示意图，包括二维光子晶体结构、透明衬底101、外延片、反射镜109、保护层110、钝化层111和电极112，所述二维光子晶体结构设置在与反射镜109相接处的透明衬底的外延片内部，所述外延片包括N型氮化镓层102、有源层103和P型氮化镓层104，所述透明衬底101与N型氮化镓层102接触连接，所述N型氮化镓层102与有源层103接触连接，所述有源层103与P型氮化镓层104接触连接，所述保护层110与P型氮化镓层104接触连接，所述钝化层111覆盖在外延片的上方，所述电极112包括N电极和P电极，所述N电极穿过钝化层111和保护层110与N型氮化镓层102接触，所述P电极穿过钝化层与P型氮化镓层104接触，所述反射镜109设置在P型氮化镓层104与P电极之间。
优选的，所述二维光子晶体结构的占空比为0.1～0.9，所述二维光子晶体结构的占空比为0.1～0.9，所述二维光子晶体结构采用纳米压印或电子束光刻或PS小球或SiO2小球或AAO模板方法制备。
优选的，所述透明衬底101为蓝宝石或SiC透明衬底；所述有源层103为InGaN/GaN多量子阱层。
优选的，所述电极112为Au、Cr、Ni、Ag、Ti、Al、Pt、Pd中的一种或者多种及其合金；所述钝化层111为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2或SOG的绝缘介质材料；所述反射镜109为银镜、DBR中的一种或者多种组合。
如图1所示，为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法流程图，包括以下步骤：
步骤1、提供透明衬底的外延片，如图2A。
步骤2、在所述透明衬底的外延片上制备空气孔光子晶体结构。
步骤3、在所述空气孔光子晶体结构中填充SOG绝缘介质。
步骤4、用填充好绝缘介质的外延片进行普通倒装芯片制备工艺，形成二维光子晶体LED倒装芯片。
如图2A～2N所示，为本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法各步骤示意图，所述步骤2中包括以下步骤：
步骤21、在外延片的P型氮化镓层104表面制备一层掩膜105，如图2B。
步骤22、在掩膜105表面旋涂纳米压印胶106，如图2C。
步骤23、使用压印设备将纳米压印模板107（硬模板或软模板）上的纳米图案转移至纳米压印胶106上，形成空气孔光子晶体结构，如图2D。
优选的，所述步骤3中包括以下步骤：
步骤31、使用ICP-RIE设备干法刻蚀纳米压印胶106和掩膜105，如图2E。
步骤32、使用ICP-RIE设备干法刻蚀掩膜105和外延片，如图2F，空气孔光子晶体结构转移至外延片上的表面形貌如图3所示。
步骤33、清洗外延片后旋涂SOG绝缘介质108并做退火处理，使之填充紧实，如图2G。
步骤34、使用ICP-RIE设备干法刻蚀SOG绝缘介质108至P型氮化镓层104表面，如图2H。
优选的，所述步骤4中包括以下步骤：
步骤41、使用感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀mesa台阶，如图2I。
步骤42、使用电子束蒸镀Ni/Ag，制备反射镜109，如图2J。
步骤43、使用电子束蒸镀TiW，制备保护层110，如图2K。
步骤44、使用PECVD沉积SiO2，制备钝化层111，如图2L。
步骤45、使用BOE溶液腐蚀钝化层111，露出电极112位置，如图2M。
步骤46、使用电子束蒸镀金属Cr/Al/Ti/Au，制备电极112，如图2N。
优选的，所述纳米图案为周期性的纳米凸点或纳米凹点。
优选的，所述掩膜为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2、SOG、ITO、ZnO、Au、Ag、Ni、Al、Cr或Ti。
综上所述，本发明的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，可以有效的提高LED芯片的调制带宽和出光效率，同时有效避免外延片带来的质量问题，而照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片具有散热效果好、出光效率高的优点。
Claims (9)
1.照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片，其特征在于：包括二维光子晶体结构、透明衬底、外延片、反射镜、保护层、钝化层和电极，所述二维光子晶体结构设置在与反射镜相接处的透明衬底的外延片内部，所述外延片包括N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，所述透明衬底与N型氮化镓层接触连接，所述N型氮化镓层与有源层接触连接，所述有源层与P型氮化镓层接触连接，所述保护层与P型氮化镓层接触连接，所述钝化层覆盖在外延片的上方，所述电极包括N电极和P电极，所述N电极穿过钝化层和保护层与N型氮化镓层接触，所述P电极穿过钝化层与P型氮化镓层接触，所述反射镜设置在P型氮化镓层与P电极之间。
2.根据权利要求1所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片，其特征在于：所述二维光子晶体结构的占空比为0.1～0.9，所述二维光子晶体结构采用纳米压印、电子束光刻、PS小球、SiO2小球或AAO模板方法制备。
3.根据权利要求1所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片，其特征在于：所述透明衬底为蓝宝石或SiC透明衬底；所述有源层为InGaN/GaN多量子阱层。
4.根据权利要求1所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片，其特征在于：所述电极为Au、Cr、Ni、Ag、Ti、Al、Pt、Pd中的一种或者多种及其合金；所述钝化层为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2或SOG的绝缘介质材料；所述反射镜为银镜、DBR中的一种或者多种组合。
5.照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提供透明衬底的外延片；
步骤2、在所述透明衬底的外延片上制备空气孔光子晶体结构；
步骤3、在所述空气孔光子晶体结构中填充SOG绝缘介质；
步骤4、用填充好绝缘介质的外延片进行普通倒装芯片制备工艺，形成二维光子晶体LED倒装芯片。
6.根据权利要求5所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤2中包括以下步骤：
步骤21、在外延片的P型氮化镓层表面制备一层掩膜；
步骤22、在掩膜表面旋涂纳米压印胶；
步骤23、使用压印设备将纳米压印模板上的纳米图案转移至纳米压印胶上。
7.根据权利要求5所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤3中包括以下步骤：
步骤31、使用ICP-RIE设备干法刻蚀纳米压印胶和掩膜，使纳米图案转移至掩膜；
步骤32、使用ICP-RIE设备干法刻蚀掩膜和外延片，使纳米图案转移到外延片；
步骤33、清洗外延片后旋涂SOG绝缘介质材料并做退火处理；
步骤34、使用ICP-RIE设备干法刻蚀SOG绝缘介质至P型氮化镓层表面。
8.根据权利要求5所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述纳米图案为周期性的纳米凸点或纳米凹点。
9.根据权利要求5所述的照明通信共用的二维光子晶体LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述掩膜为SiO2、SiN、SiON、Al2O3、HfO2、SOG、ITO、ZnO、Au、Ag、Ni、Al、Cr或Ti。
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