CN109830579B - 悬空绿光led单片集成装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及照明、显示和光通信领域，尤其涉及一种悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法。所述悬空绿光LED单片集成装置包括衬底、位于所述衬底表面的AlN缓冲层、以及位于所述AlN缓冲层表面的至少一器件结构；所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的AlN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层；所述衬底中具有一贯穿所述衬底的空腔，所述器件结构悬于所述空腔上方。本发明提高的发光二极管的出光效率，在照明、显示和光通信领域具有广泛的应用前景。

Description

悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及照明、显示和光通信领域，尤其涉及一种悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族材料中的氮化镓材料具有宽的直接带隙、强的原子键、高的导热率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔前景。通过改变氮化镓量子阱中的掺杂物和掺杂浓度，可以制备出不同波长的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)器件，避免了传统利用荧光粉的发光二极管的诸多弊端，广泛应用于照明、显示和光通信领域。

然而，在发光波长为500nm～600nm范围内，绿光能隙的存在导致发光二极管的发光效率较低，限制了绿光LED器件的应用领域。

因此，如何提高绿光LED器件的发光效率，是改善绿光LED器件的性能，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法，用于解决现有的绿光LED器件发光效率较低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种悬空绿光LED单片集成装置，包括衬底、位于所述衬底表面的AlN缓冲层、以及位于所述AlN缓冲层表面的至少一器件结构；

所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的N型GaN层、 InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN层、第一P型GaN层、 P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层；

所述衬底中具有一贯穿所述衬底的空腔，所述器件结构悬于所述空腔上方。

优选的，所述N型GaN层呈台阶状，台阶状的所述N型GaN层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层、所述多量子阱层、P型AlGaN层、所述第一P型GaN层、所述P型AlGaN/InGaN 超晶格层、第二所述P型GaN层依次叠置于所述上台面。

优选的，至少一器件结构包括两个器件结构；所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导；所述光波导与两个所述器件结构均悬于所述空腔上方。

优选的，所述下台面朝向所述光波导的一侧边缘具有一缺口，两个所述器件结构以两个所述缺口相对的方式对称设置；所述光波导位于所述缺口内。

优选的，所述空腔贯穿所述衬底与所述AlN缓冲层。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，包括如下步骤：

提供一衬底，所述衬底表面具有AlN缓冲层；

形成器件结构于所述AlN缓冲层表面，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、 P型AlGaN层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型 GaN层；

形成贯穿所述衬底的空腔，所述器件结构悬于所述空腔上方。

优选的，至少一器件结构包括两个器件结构；所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导；所述光波导与两个所述器件结构均悬于所述空腔上方。

优选的，形成器件结构于所述AlN缓冲层表面的具体步骤包括：

依次沉积N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN 层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层于所述 AlN缓冲层表面，形成堆叠结构；

沿垂直于所述衬底的方向刻蚀所述堆叠结构至所述N型GaN层，形成两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；所述器件结构包括台阶状的所述N型GaN层，台阶状的所述N型GaN层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层、所述多量子阱层、P型AlGaN层、所述第一P型GaN层、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层、所述第二P型GaN层依次叠置于所述上台面。

优选的，形成器件结构于所述AlN缓冲层表面之后还包括如下步骤：

刻蚀位于所述波导隔离槽底部的所述N型GaN层，形成位于所述下台面边缘的缺口以及位于所述缺口内的光波导。

优选的，形成贯穿所述衬底的空腔的具体步骤包括：

自所述衬底背离所述器件结构的表面刻蚀所述衬底，形成所述空腔；

沿所述空腔减薄所述AlN缓冲层，使得所述空腔延伸至所述N型GaN层。

本发明提供的悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法，通过超晶格结构的设置，有效抑制了载流子向非复合区域的扩散，大大提高了器件结构的发光效率；同时，在衬底中形成贯穿所述衬底的空腔，使得器件结构悬于所述空腔上方，减少了衬底对器件结构发出的光的吸收，从而进一步提高的发光二极管的出光效率，在照明、显示和光通信领域具有广泛的应用前景。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的截面结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的俯视结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的制备方法流程图；

附图4A-4E是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置在制备过程中的主要工艺截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种悬空绿光LED单片集成装置，附图1是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的截面结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的俯视结构示意图。

如图1、图2所示，本具体实施方式提供的悬空绿光LED单片集成装置，包括衬底10、位于所述衬底10表面的AlN缓冲层11、以及位于所述AlN缓冲层11表面的至少一器件结构；

所述器件结构包括沿垂直于所述衬底10的方向依次叠置的N型GaN层 12、InGaN/GaN超晶格准备层13、多量子阱层14、P型AlGaN层15、第一P 型GaN层16、P型AlGaN/InGaN超晶格层17、第二P型GaN层18；

所述衬底10中具有一贯穿所述衬底10的空腔24，所述器件结构悬于所述空腔24上方。

具体来说，本具体实施方式中的所述多量子阱层14可以为InGaN/GaN多量子阱层。所述衬底10可以为Ⅲ-Ⅴ材料制成的衬底，也可以为硅衬底。

本具体实施方式通过在所述器件结构中引入所述InGaN/GaN超晶格准备层13和所述P型AlGaN/InGaN超晶格层17，有效抑制了载流子向非复合区域的扩散，大大提高了发光二极管的出光效率。同时，在衬底10中形成贯穿所述衬底10的空腔24，使得器件结构悬于所述空腔24上方，减少了衬底10对器件结构发出的光的吸收，从而进一步提高的发光二极管的出光效率。

优选的，所述空腔24贯穿所述衬底10与所述AlN缓冲层11。本具体实施方式通过使所述空腔24贯穿所述衬底10与所述AlN缓冲层11，能够同时减少所述衬底10与所述AlN缓冲层11对所述器件结构出射光线的吸收，从而进一步提高了所述器件结构的发光效率。

优选的，所述N型GaN层12呈台阶状，台阶状的所述N型GaN层12 包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层13、所述多量子阱层14、P型AlGaN层、所述第一P型GaN层16、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层17、所述第二P型GaN层18依次叠置于所述上台面。

所述器件结构还包括设置于所述下台面上的N型电极20以及设置于所述第二P型GaN层18表面的P型电极19的材料可以为钛、铂或金。

优选的，至少一器件结构包括两个器件结构；所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导22；所述光波导22与两个所述器件结构均悬于所述空腔24上方。

更优选的，所述下台面朝向所述光波导22的一侧边缘具有一缺口21，两个所述器件结构以两个所述缺口21相对的方式对称设置；所述光波导22位于所述缺口21内。

图1中的虚线框区域与图2中的虚线框区域对应。具体来说，如图1、图 2所示，为了实现两个所述器件结构的电性隔离，在两个所述器件结构之间具有一波导隔离槽23，所述光波导22位于所述波导隔离槽23的底部，两个所述器件结构通过所述光波导22进行光信号的传输。两个所述器件结构的所述下台面均具有一朝向所述光波导22的缺口21，并以两个所述缺口21相对的方式对称设置于所述光波导22的相对两侧，所述光波导22与所述器件结构的下台面连接。

本具体实施方式的两个所述器件结构与所述光波导22均悬于所述空腔24 上方，使得发射端的所述器件结构在发射光信号、所述光波导22传输光信号以及接收端的所述器件结构在接收光信号的过程中，都能有效减少所述衬底10 对光信号的吸收，大大提高了片内传输的效率以及传输的质量。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，附图3是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置的制备方法流程图，附图4A-4E是本发明具体实施方式中悬空绿光LED单片集成装置在制备过程中的主要工艺截面示意图。本具体你实施方式制备的悬空绿光 LED单片集成装置的结构可参见图1、图2，图4B-4E中的虚线框所示区域与图2中的虚线框所示区域对应。如图1-图3、图4A-图4E所示，本具体实施方式提供的悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤S31，提供一衬底10，所述衬底10表面具有AlN缓冲层11。所述的衬底10可以为Ⅲ-Ⅴ材料制成的衬底，也可以为硅衬底。本具体实施方式中以所述衬底10为硅衬底为例进行说明。所述AlN缓冲层11用于隔离所述衬底 10与所述器件结构，以降低位错缺陷。

步骤S32，形成器件结构于所述AlN缓冲层11表面，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底10的方向依次叠置的N型GaN层12、InGaN/GaN超晶格准备层13、多量子阱层14、第一P型GaN层16、P型AlGaN/InGaN超晶格层17、第二P型GaN层18，如图4C所示。

优选的，至少一器件结构包括两个器件结构；所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导22；所述光波导22与两个所述器件结构均悬于所述空腔24上方。

优选的，形成器件结构于所述AlN缓冲层11表面的具体步骤包括：

依次沉积N型GaN层12、InGaN/GaN超晶格准备层13、多量子阱层14、 P型AlGaN层15、第一P型GaN层16、P型AlGaN/InGaN超晶格层17、第二P型GaN层18于所述AlN缓冲层11表面，形成堆叠结构；

沿垂直于所述衬底10的方向刻蚀所述堆叠结构至所述N型GaN层12，形成两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽23；所述器件结构包括台阶状的所述N型GaN层12，台阶状的所述N型GaN层12包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层13、所述多量子阱层14、所述P型AlGaN层15、所述第一P型GaN层16、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层17、所述第二P型GaN层18依次叠置于所述上台面。

优选的，形成器件结构于所述AlN缓冲层11表面之后还包括如下步骤：

刻蚀位于所述波导隔离槽23底部的所述N型GaN层12，形成位于所述下台面边缘的缺口21以及位于所述缺口21内的光波导22。

具体来说，形成器件结构于所述AlN缓冲层11表面的步骤包括：

(1)依次沉积N型GaN层12、InGaN/GaN超晶格准备层13、多量子阱层14、P型AlGaN层15、第一P型GaN层16、P型AlGaN/InGaN超晶格层 17、第二P型GaN层18于所述AlN缓冲层11表面，形成堆叠结构，如图4A 所示。

(2)于所述堆叠结构表面均匀涂布第一光刻胶层，并在所述第一光刻胶层中定义两个器件区域以及位于两个所述器件区域之间的波导区域，然后采用反应离子束刻蚀工艺刻蚀所述堆叠结构，形成如图4B所示的结构。通过本步骤的刻蚀，所述N型GaN层12呈台阶状。位于所述器件区域的所述N型GaN 层12包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层13、所述多量子阱层14、所述P型AlGaN层15、所述第一P型GaN 层16、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层17、所述第二P型GaN层18叠置于所述上台面。位于所述波导区域的所述InGaN/GaN超晶格准备层13、所述多量子阱层14、所述P型AlGaN层15、所述第一P型GaN层16、所述P型 AlGaN/InGaN超晶格层17、所述第二P型GaN层18被刻蚀掉，形成用于电性隔离两个所述器件结构的所述波导隔离槽23，如图4B所示。残留于所述波导隔离槽23底部的所述N型GaN层12用于后续形成所述光波导22。

(3)于图4B所示的结构表面均匀涂布第二光刻胶层，并在所述第二光刻胶层中定义N型电极窗口区域和P型电极窗口区域，并正在所述N型电极窗口区域和所述P型电极窗口区域蒸镀钛、铂或金，形成欧姆接触，得到N型电极20和P型电极19，如图4C所示。

(4)刻蚀位于所述波导区域的所述N型GaN层12至所述AlN缓冲层11，在所述N型GaN层12中形成用于隔离两个所述器件结构的间隙以及位于每个所述器件结构下台面边缘的所述缺口21，残留于所述缺口21内的所述N型 GaN层12形成所述光波导22，即两个所述器件结构仅通过所述光波导22连接。即在所述N型GaN层12中形成一位于所述波导区域的镂空结构，所述光波导22位于所述镂空结构内。

步骤S33，形成贯穿所述衬底10的空腔24，所述器件结构悬于所述空腔 24上方，如图4D所示。

优选的，形成贯穿所述衬底10的空腔24的具体步骤包括：

自所述衬底10背离所述器件结构的表面刻蚀所述衬底10，形成所述空腔 24；

沿所述空腔24减薄所述AlN缓冲层11，使得所述空腔24延伸至所述N 型GaN层12。

具体来说，当所述衬底10为硅衬底时，可以采用深硅刻蚀工艺自所述衬底10背离所述器件结构的表面刻蚀所述衬底10，并以所述AlN缓冲层11作为刻蚀阻挡层，剥离位于所述器件结构与所述光波导22下方的所述衬底10，形成所述空腔24。之后，沿所述空腔24减薄所述AlN缓冲层11，去除位于所述器件结构与所述光波导22下方的所述AlN缓冲层11，使得所述器件结构与所述光波导完全悬空。

本具体实施方式提供的悬空绿光LED单片集成装置及其制备方法，通过超晶格结构的设置，有效抑制了载流子向非复合区域的扩散，大大提高了器件结构的发光效率；同时，在衬底中形成贯穿所述衬底的空腔，使得器件结构悬于所述空腔上方，减少了衬底对器件结构发出的光的吸收，从而进一步提高的发光二极管的出光效率，在照明、显示和光通信领域具有广泛的应用前景。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种悬空绿光LED单片集成装置，其特征在于，包括衬底、位于所述衬底表面的AlN缓冲层、位于所述AlN缓冲层表面的两个器件结构、以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽；

所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层，通过在所述器件结构中引入所述InGaN/GaN超晶格准备层和所述P型AlGaN/InGaN超晶格层，有效抑制了载流子向非复合区域的扩散，提高了发光二极管的出光效率；

所述衬底中具有一贯穿所述衬底的空腔，所述器件结构悬于所述空腔上方；

所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导；所述光波导与两个所述器件结构均悬于所述空腔上方，一个所述器件结构中的所述N型GaN层在朝向另个所述器件结构的一侧边缘具有一缺口，两个所述器件结构以两个所述缺口相对的方式对称设置；所述光波导位于所述缺口内，所述光波导和所述缺口是对所述波导隔离槽的底部的所述N型GaN层刻蚀形成的；

所述N型GaN层呈台阶状，台阶状的所述N型GaN层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层、所述多量子阱层、P型AlGaN层、所述第一P型GaN层、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层、所述第二P型GaN层依次叠置于所述上台面，所述下台面上具有两个N型电极、且所述第二P型GaN层表面具有一个P型电极。

2.根据权利要求1所述的悬空绿光LED单片集成装置，其特征在于，所述空腔贯穿所述衬底与所述AlN缓冲层。

3.一种悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一衬底，所述衬底表面具有AlN缓冲层；

形成两个器件结构、以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽于所述AlN缓冲层表面，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层，通过在所述器件结构中引入所述InGaN/GaN超晶格准备层和所述P型AlGaN/InGaN超晶格层，有效抑制了载流子向非复合区域的扩散，提高了发光二极管的出光效率；

形成贯穿所述衬底的空腔，所述器件结构悬于所述空腔上方，所述悬空绿光LED单片集成装置还包括位于两个所述器件结构之间的光波导；所述光波导与两个所述器件结构均悬于所述空腔上方；所述光波导与两个所述器件结构均悬于所述空腔上方，一个所述器件结构的所述N型GaN层在朝向另个所述器件结构的一侧边缘具有一缺口，两个所述器件结构以两个所述缺口相对的方式对称设置；所述光波导位于所述缺口内，所述光波导和所述缺口是对所述波导隔离槽的底部的所述N型GaN层刻蚀形成的；所述器件结构包括台阶状的所述N型GaN层，台阶状的所述N型GaN层包括下台面以及凸设于所述下台面表面的上台面，所述InGaN/GaN超晶格准备层、所述多量子阱层、所述P型AlGaN层、所述第一P型GaN层、所述P型AlGaN/InGaN超晶格层、所述第二P型GaN层依次叠置于所述上台面，所述下台面上具有两个N型电极、且所述第二P型GaN层表面具有一个P型电极。

4.根据权利要求3所述的悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，其特征在于，形成两个器件结构于所述AlN缓冲层表面的具体步骤包括：

依次沉积N型GaN层、InGaN/GaN超晶格准备层、多量子阱层、P型AlGaN层、第一P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格层、第二P型GaN层于所述AlN缓冲层表面，形成堆叠结构；

沿垂直于所述衬底的方向刻蚀所述堆叠结构至所述N型GaN层，形成两个所述器件结构以及位于两个所述器件结构之间的波导隔离槽。

5.根据权利要求4所述的悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，其特征在于，形成两个器件结构于所述AlN缓冲层表面的具体步骤还包括：

刻蚀位于所述波导隔离槽底部的所述N型GaN层，形成位于所述下台面边缘的缺口以及位于所述缺口内的光波导。

6.根据权利要求3所述的悬空绿光LED单片集成装置的制备方法，其特征在于，形成贯穿所述衬底的空腔的具体步骤包括：

自所述衬底背离所述器件结构的表面刻蚀所述衬底，形成所述空腔；

沿所述空腔减薄所述AlN缓冲层，使得所述空腔延伸至所述N型GaN层。

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