CN110176525B - 亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法 - Google Patents

亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及照明、显示和光通信技术领域，尤其涉及一种亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法。所述亚波长垂直结构发光二极管包括：导电衬底，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；器件结构，包括外延堆叠层、第一电极和第二电极，所述外延堆叠层位于所述导电衬底的第一表面，所述第二电极位于所述导电衬底的第二表面；一透明绝缘层与所述第一电极均位于所述外延堆叠层表面，且所述透明绝缘层围绕所述第一电极外周设置；所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层射出，且所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。本发明有效抑制所述器件结构内部的波导模式，使得发光二极管的光电转换效率大幅度提升。

Description

亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及照明、显示和光通信技术领域，尤其涉及一种亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有体积小、效率高、寿命长等优点，在照明、显示和光通信领域具有广泛的应用前景。传统的发光二极管以蓝宝石为生长衬底。然而，由于蓝宝石衬底不导电，所以传统的发光二极管通常是采用电极在同一侧的横向结构。这种横向结构至少存在以下两个方面的缺点：一方面，电流在N型层中横向流动不等距，存在电流拥堵现象，导致发光二极管器件局部发热量较高，影响器件性能；另一方面，蓝宝石衬底的导热性较差，限制了发光二极管器件的散热，影响发光二极管器件的使用寿命。为了克服横向发光二极管器件的缺陷，现有技术中出现了垂直结构发光二极管。
然而，在现有的垂直结构发光二极管中，由于厚膜的限制，存在许多光学约束模式(Confined Mode)。当电子注入、垂直结构发光二极管发光时，大部分出射光会被限制在发光二极管外延层的厚膜中，造成膜内传输、吸收，极大的降低了发光二极管的出光效率。
因此，如何提升发光二极管内部的光电转换效率，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法，用于解决现有的发光二极管内部的光电转换效率较低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种亚波长垂直结构发光二极管，包括：
导电衬底，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
器件结构，包括外延堆叠层、第一电极和第二电极，所述外延堆叠层位于所述导电衬底的第一表面，所述第二电极位于所述导电衬底的第二表面；一透明绝缘层与所述第一电极均位于所述外延堆叠层表面，且所述透明绝缘层围绕所述第一电极外周设置；
所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层射出，且所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
优选的，所述外延堆叠层包括沿垂直于所述导电衬底的方向依次叠置的第一接触层、量子阱层和第二接触层。
优选的，所述第一接触层为P-型GaN层，所述第二接触层为N-型GaN层。
优选的，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅。
优选的，还包括：
键合层，位于所述导电衬底的第一表面；
金属反射层，位于所述键合层与所述外延堆叠层之间，以提高所述器件结构的出光率。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
形成生长衬底，所述生长衬底表面具有外延堆叠层；
提供导电衬底，所述导电衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
以所述外延堆叠层朝向所述第一表面的方向键合所述生长衬底与所述导电衬底，形成键合结构；
去除所述生长衬底并减薄所述外延堆叠层；
形成透明绝缘层于所述外延堆叠层表面，所述透明绝缘层中具有一暴露所述外延堆叠层的开口；
形成第一电极于所述开口内；
形成第二电极于所述第二表面，形成包括所述外延堆叠层、所述第一电极和所述第二电极的器件结构，所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层射出，且减薄后的所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
优选的，形成生长衬底的具体步骤包括：
提供生长衬底；
依次外延生长所述第二接触层、所述量子阱层和所述第一接触层于所述生长衬底表面，形成所述外延堆叠层。
优选的，形成键合结构之前还包括如下步骤：
沉积金属材料于所述外延堆叠层表面，形成金属反射层；
形成键合层于所述导电衬底的第一表面。
优选的，去除所述生长衬底并减薄所述外延堆叠层的具体步骤包括：
剥离所述生长衬底，暴露所述第二接触层；
减薄所述第二接触层，使得残留的所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
优选的，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅。
本发明提供的亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法，通过将器件结构中外延堆叠层的厚度设置为小于器件发射光线的波长，从而有效抑制所述器件结构内部的波导模式，使得发光二极管的光电转换效率大幅度提升。同时，由于器件结构中的第一电极与第二电极位于导电衬底的相对两侧，提高了电注入效率。另外，在外延堆叠层的出光面设置透明绝缘层，增大了所述发光二极管的出光面积，从而进一步提高了发光二极管的出光效率。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中亚波长垂直结构发光二极管的结构示意图；
附图2是本发明具体实施方式中亚波长垂直结构发光二极管的制备方法流程图；
附图3A-3K是本发明具体实施方式在制备亚波长垂直结构发光二极管的过程中主要的工艺截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的亚波长垂直结构发光二极管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亚波长垂直结构发光二极管，附图1是本发明具体实施方式中亚波长垂直结构发光二极管的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的亚波长垂直结构发光二极管，包括：
导电衬底10，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
器件结构，包括外延堆叠层13、第一电极11和第二电极12，所述外延堆叠层13位于所述导电衬底10的第一表面，所述第二电极12位于所述导电衬底10的第二表面；一透明绝缘层14与所述第一电极11均位于所述外延堆叠层13表面，且所述透明绝缘层14围绕所述第一电极11外周设置；
所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层14射出，且所述外延堆叠层13的厚度小于所述光线的波长。
具体来说，所述导电衬底10可以为金属衬底，也可以为硅衬底。优选的，所述导电衬底10为Si(100)衬底。所述外延堆叠层13沿Y轴方向的厚度小于所述亚波长垂直结构发光二极管发射的光线的中心波长。当向所述第一电极11与所述第二电极12施加电信号时，所述器件结构能够沿垂直于所述导电衬底10的方向，自所述透明绝缘14表面向外界发射光线，如图1中箭头方向所示。
本具体实施方式通过将所述第一电极11与所述第二电极12设置于所述外延堆叠层13沿垂直于所述导电衬底10方向(即图1中的Y轴方向)的相对两侧，电流几乎全部沿垂直于所述导电衬底10的方向流过所述堆叠层13，几乎没有横向流动的电流，从而有效提高了电注入效率。另外，通过将器件结构中所述外延堆叠层13的厚度设置为小于亚波长垂直结构发光二极管所发射的光线的波长，从而有效抑制所述器件结构内部的波导模式，使得发光二极管的光电转换效率大幅度提升。同时，所述亚波长垂直结构发光二极管具有发光和探测共存的现象，根据用户需求的不同，可以将其作为发光器件和/或探测器件，以用于照明、显示或者光通信等领域。另外，由于本具体实施方式的出光面覆盖有所述透明绝缘层14，避免了在制造所述器件结构的过程中对所述外延堆叠层13整体的刻蚀，简化了所述亚波长垂直结构发光二极管的制造工艺，增大了所述亚波长垂直结构发光二极管整体的出光面积，从而进一步提高了器件的出光效率。此外，相较于传统的发光二极管，本具体实施方式提供的亚波长垂直结构发光二极管的整体厚度大幅度减小，器件内部的缺陷损耗降低，同时器件的响应速度明显提升，实现了面向照明、通信一体的功能性器件。
优选的，所述外延堆叠层13包括沿垂直于所述导电衬底10的方向依次叠置的第一接触层131、量子阱层132和第二接触层133。
本领域技术人员可以根据实际需要选择所述第一接触层131、所述量子阱层132和所述第二接触层133的材料以及各层的厚度，使得所述亚波长垂直结构发光二极管发射从深紫外到红外波段的光线，例如所述发射光线的波长为200nm～950nm。
本具体实施方式中所述第一接触层131可以为N-型接触层或者P-型接触层，相应的，所述第二接触层133可以为P-型接触层或者N-型接触层。优选的，所述第一接触层131为P-型GaN层，所述第二接触层133为N-型GaN层。相应的，所述第一电极11为N-型电极，所述第二电极12为P-型电极。
本具体实施方式中所述透明绝缘层14的材料本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，所述透明绝缘层14对所述器件结构出射光线的透过率优选在99％以上。为了进一步降低所述亚波长垂直结构发光二极管的制造成本，所述优选的，所述透明绝缘层14的材料为二氧化硅。所述透明绝缘层14的厚度优选为与所述第一电极11的厚度相同。
优选的，所述亚波长垂直结构发光二极管还包括：
键合层16，位于所述导电衬底10的第一表面；
金属反射层15，位于所述键合层16与所述外延堆叠层13之间，以提高所述器件结构的出光率。
具体来说，所述键合层11的材料优选为金属材料或者合金材料，例如NiSn。所述金属反射层15的材料可以是但不限于金属银。本具体实施方式中，所述导电衬底10、所述键合层11、所述金属反射层15可以与所述第二电极12共同构成垂直的P-型金属电极结构，从而能够实现侧向引出P-型电极，避免了掩模刻穿所述外延堆叠层13，在简化了制造工艺的同时，也提高了发光二极管的良率。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，附图2是本发明具体实施方式中亚波长垂直结构发光二极管的制备方法流程图，附图3A-3K是本发明具体实施方式在制备亚波长垂直结构发光二极管的过程中主要的工艺截面示意图，本具体实施制备形成的亚波长垂直结构发光二极管的结构可参见图1。如图1-图2、图3A-图3K所示，本具体实施方式提供的亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
步骤S21，形成生长衬底30，所述生长衬底30表面具有外延堆叠层13，如图3A所示。
优选的，形成生长衬底30的具体步骤包括：
提供生长衬底30；
依次外延生长所述第二接触层133、所述量子阱层132和所述第一接触层131于所述生长衬底30表面，形成所述外延堆叠层13。
具体来说，所述第一接触层131、所述第二接触层133和所述量子阱层132的材料，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如根据所需出射光线的波长进行选择。所述第一接触层131可以为N-型接触层或者P-型接触层，相应的，所述第二接触层133可以为P-型接触层或者N-型接触层。以下以所述第一接触层131为P-型GaN层、所述第二接触层133为N-型GaN层、所述量子阱层132为InGaN/GaN多量子阱层为例进行说明。可以采用化学气相沉积、磁控溅射工艺、物理气相沉积、原子层沉积等工艺依次形成N-型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、P-型GaN层于所述生长衬底30的表面。
步骤S22，提供导电衬底10，所述导电衬底10具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，如图3C所示。
步骤S23，以所述外延堆叠层13朝向所述第一表面的方向键合所述生长衬底30与所述导电衬底10，形成键合结构，如图3D所示。
优选的，形成键合结构之前还包括如下步骤：
沉积金属材料于所述外延堆叠层13表面，形成金属反射层15，如图3B所示；
形成键合层16于所述导电衬底10的第一表面，如图3C所示。
其中，所述键合层11的材料优选为金属材料或者合金材料，例如NiSn。所述金属反射层15的材料可以是但不限于金属银。在本具体实施方式中，一方面，所述金属反射层15的设置，能够提高所述器件结构的出光率；另一方面，采用同为金属材料的所述键合层11与所述金属反射层15键合，能够增强所述生长衬底30与所述导电衬底10之间的键合强度。
步骤S24，去除所述生长衬底30并减薄所述外延堆叠层13，如图3G所示。
优选的，去除所述生长衬底30并减薄所述外延堆叠层13的具体步骤包括：
剥离所述生长衬底30，暴露所述第二接触层133；
减薄所述第二接触层133，使得残留的所述外延堆叠层13的厚度小于所述光线的波长。
具体来说，首先，对所述生长衬底30进行背后研磨，以减薄所述生长衬底30，如图3E所示。然后，采用抛光或者刻蚀技术，完全剥离所述生长衬底30，得到如图3F所示的结构。接着，采用化学机械研磨或者背后刻蚀技术减薄所述第二接触层133，使得残留的整个所述外延堆叠层13的厚度小于所述器件结构发射光线的波长，实现对器件结构内部波导模式的抑制，形成如图3G所示的结构。本具体实施方式在玻璃所述生长衬底30后，采用无掩模刻蚀技术减薄所述外延堆叠层13，解决了氮化物外延堆叠层深刻蚀的瓶颈问题。
步骤S25，形成透明绝缘层14于所述外延堆叠层13表面，所述透明绝缘层14中具有一暴露所述外延堆叠层13的开口141，如图3H所示。
步骤S26，形成第一电极11于所述开口141内，如图3I所示。
具体来说，先采用化学气相沉积等工艺于所述第二接触层133表面形成所述透明绝缘层14；然后，采用光刻、刻蚀工艺，于所述透明绝缘层14中形成暴露所述第二接触层133的开口141；最后，于所述开口141内沉积金属材料，形成所述第一电极11。所述第一电极11的材料可以为银、铬、铂、金或铜。述透明绝缘层14的材料优选为二氧化硅。
步骤S27，形成第二电极12于所述第二表面，如图3K所示，形成包括所述外延堆叠层13、所述第一电极11和所述第二电极12的器件结构，所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层14射出，且减薄后的所述外延堆叠层13的厚度小于所述光线的波长。
具体来说，在形成所述第一电极11之后，减薄所述导电衬底10，如图3J所示；之后，于减薄的所述导电衬底10背离所述外延堆叠层13的表面沉积形成所述第二电极12，如图3K所示。
本具体实施方式提供的亚波长垂直结构发光二极管及其制备方法，通过将器件结构中外延堆叠层的厚度设置为小于器件发射光线的波长，从而有效抑制所述器件结构内部的波导模式，使得发光二极管的光电转换效率大幅度提升。同时，由于器件结构中的第一电极与第二电极位于导电衬底的相对两侧，提高了电注入效率。另外，在外延堆叠层的出光面设置透明绝缘层，增大了所述发光二极管的出光面积，从而进一步提高了发光二极管的出光效率。
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 (10)

1.一种亚波长垂直结构发光二极管，其特征在于，包括：
导电衬底，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
器件结构，包括外延堆叠层、第一电极和第二电极，所述外延堆叠层位于所述导电衬底的第一表面，所述第二电极位于所述导电衬底的第二表面；一透明绝缘层与所述第一电极均位于所述外延堆叠层上表面，且所述透明绝缘层围绕所述第一电极外周设置，并暴露出所述外延堆叠层的侧壁表面，所述透明绝缘层的厚度与所述第一电极的厚度相同，所述第一电极是在所述透明绝缘层中形成暴露所述外延堆叠层的开口之后、并于所述开口内沉积金属材料形成的，通过设置覆盖所述亚波长垂直结构发光二极管的出光面的所述透明绝缘层，避免了对所述外延堆叠层的整体刻蚀，增大了所述亚波长垂直结构发光二极管整体的出光面积；
所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层射出，且所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
2.根据权利要求1所述的亚波长垂直结构发光二极管，其特征在于，所述外延堆叠层包括沿垂直于所述导电衬底的方向依次叠置的第一接触层、量子阱层和第二接触层。
3.根据权利要求2所述的亚波长垂直结构发光二极管，其特征在于，所述第一接触层为P-型GaN层，所述第二接触层为N-型GaN层。
4.根据权利要求1所述的亚波长垂直结构发光二极管，其特征在于，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的亚波长垂直结构发光二极管，其特征在于，还包括：
键合层，位于所述导电衬底的第一表面；
金属反射层，位于所述键合层与所述外延堆叠层之间，以提高所述器件结构的出光率。
6.一种亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
形成生长衬底，所述生长衬底表面具有外延堆叠层；
提供导电衬底，所述导电衬底具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
以所述外延堆叠层朝向所述第一表面的方向键合所述生长衬底与所述导电衬底，形成键合结构；
去除所述生长衬底并减薄所述外延堆叠层；
形成透明绝缘层于所述外延堆叠层上表面，所述透明绝缘层中具有一暴露所述外延堆叠层的开口，且所述透明绝缘层暴露出所述外延堆叠层的侧壁表面，通过设置覆盖所述亚波长垂直结构发光二极管的出光面的所述透明绝缘层，避免了对所述外延堆叠层的整体刻蚀，增大了所述亚波长垂直结构发光二极管整体的出光面积；
形成第一电极于所述开口内，所述透明绝缘层的厚度与所述第一电极的厚度相同；
形成第二电极于所述第二表面，形成包括所述外延堆叠层、所述第一电极和所述第二电极的器件结构，所述器件结构发出的光线自所述透明绝缘层射出，且减薄后的所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
7.根据权利要求6所述的亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，形成生长衬底的具体步骤包括：
提供生长衬底；
依次外延生长第二接触层、量子阱层和第一接触层于所述生长衬底表面，形成所述外延堆叠层。
8.根据权利要求6所述的亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，形成键合结构之前还包括如下步骤：
沉积金属材料于所述外延堆叠层表面，形成金属反射层；
形成键合层于所述导电衬底的第一表面。
9.根据权利要求7所述的亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，去除所述生长衬底并减薄所述外延堆叠层的具体步骤包括：
剥离所述生长衬底，暴露所述第二接触层；
减薄所述第二接触层，使得残留的所述外延堆叠层的厚度小于所述光线的波长。
10.根据权利要求6所述的亚波长垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅。
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