CN112510127B - 一种悬浮led器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种悬浮LED器件及其制造方法，包括衬底、半导体外延层阵列、反射层及电极；半导体外延层阵列包括多个半导体外延层，衬底上设有凸起的支撑柱阵列，支撑柱阵列包括多个支撑柱；支撑柱及衬底都由导电材料制成；半导体外延层的第一面与支撑柱的上表面连接，支撑柱的上表面面积小于半导体外延层的第一面面积，反射层覆盖于衬底的上表面及支撑柱的侧面上；半导体外延层的第二面与电极连接。这种悬浮LED器件将发光二极管的半导体外延层通过支撑柱支撑起，形成了悬浮的结构，由于半导体外延层与支撑柱的接触面积较小，半导体外延层内应力得以释放，因此有源区内量子斯塔克效应能被有效抑制，器件发光效率能得到显著提高。

Description

一种悬浮LED器件的制造方法
技术领域
本发明涉及光电子、半导体激光技术领域，特别是涉及一种悬浮LED器件的制造方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管(LED)由于其高亮度、低功耗、发光波长随所使用半导体材料组分变化可调谐等优异性能，在半导体照明、背光显示、生物医疗、光通信等领域都有着极为广泛的应用。LED的发光效率由内量子效率与光提取效率共同决定。目前随着材料外延生长技术的进步，蓝光LED的内量子效率已经达到较高的水平，因此光提取效率是限制LED电光转换效率的关键因素。
光提取效率是指能够逃逸出LED芯片光子占有源区产生光子的比重。在传统的单面出射LED结构中，有源区发出的光子一部分射向衬底侧，最终被衬底吸收并转换为热能。且对于从上表面出射的光子，由于氮化镓外延层与空气之间较大的折射率差，光子的逃逸角很小，仅为约23.6°，只有光锥范围内光子能逃逸出LED芯片，其余大部分光子则会在半导体外延层与空气界面处发生全反射，最终被吸收。因此传统LED结构的光提取效率较低，极大地限制了LED芯片的发光功率。另外在蓝宝石衬底上进行氮化镓薄膜的外延生长时，由于氮化镓与衬底之间较大的晶格失配，会使得氮化镓薄膜中存在较大的应力，会使有源区能带弯曲，造成量子斯塔克效应，降低LED的发光功率。
目前已经有很多方法用于提高LED芯片的光提取效率,包括表面粗化以减小界面处全反射、在LED表面制备光子晶体结构、制备倒装芯片、倒金字塔结构LED等。但是这些方法都不能有效利用有源区产生的发射向衬底侧的光子，且外延层应力所造成的发光效率下降也不能得到有效解决。因此，针对以上问题，为了最大程度提高LED的光提取效率与发光效率，急需开发一种新的LED器件。
发明内容
基于此，有必要针对现有LED光提取效率不高的问题，提供一种悬浮LED器件的制造方法。
本发明提出了一种悬浮LED器件的制造方法，包括步骤：
在原始衬底上生长形成半导体外延层；
在半导体外延层的表面制备开有小孔的光刻胶层；并在光刻胶层上制备形成反射层；
在反射层表面制备衬底及支撑柱，通过支撑柱将小孔填充；将原始衬底去除；
对半导体外延层进行刻蚀，形成半导体外延层阵列；将光刻胶层去除；
在半导体外延层阵列的表面制备电极。
优选地，在生长半导体外延层之后，在半导体外延层的第一面制备薄膜层，并对薄膜层进行表面粗化处理，所述薄膜层为透明且导电的薄膜层；在去除原始衬底之后，对去半导体外延层的第二面进行表面粗化处理。
优选地，在将光刻胶层去除之后，在衬底上沉积SiO2的绝缘层；电极包括多个导电金属条，电极通过导电金属条与所有的半导体外延层连接，且所有导电金属条汇聚于SiO2的绝缘层的上表面位置；
所述半导体外延层包括由GaN材料形成PIN结构；所述衬底及所述支撑柱都由金属材料制成；所述反射层包括溅射或蒸镀工艺制成的Al层、Ag层、Cr层和/或Ni层。
优选地，光刻胶层上的小孔的纵截面为倒梯形，且所述支撑柱靠近所述半导体外延层一侧的横截面小于靠近所述衬底一侧的横截面。
本技术方案将发光二极管的半导体外延层通过支撑柱支撑起，形成了悬浮的结构，由于半导体外延层与支撑柱的接触面积较小，半导体外延层内应力得以释放，因此有源区内量子斯塔克效应能被有效抑制，可大大提高器件发光效率。同时，半导体外延层背面出射的光子经由衬底及支撑柱表面的反射层反射，向上逃逸出器件，能极大提升器件光提取效率。
附图说明
图1为本发明的一种悬浮LED器件一实施例的结构示意图；
图2为本发明一种悬浮LED器件的制造方法具体实施例的流程图；
图3为本发明一种悬浮LED器件的制造方法的半导体外延片结构示意图；
图4为本发明一种悬浮LED器件的制造方法在半导体外延片上沉积薄膜层的示意图；
图5为本发明一种悬浮LED器件的制造方法将薄膜层进行表面粗化处理之后的示意图；
图6为本发明一种悬浮LED器件的制造方法在薄膜层表面制备开有小孔的光刻胶层示意图；
图7为本发明一种悬浮LED器件的制造方法表面沉积反射层的示意图；
图8为本发明一种悬浮LED器件的制造方法表面制备了衬底的示意图；
图9为本发明一种悬浮LED器件的制造方法将样品倒置并去除原始衬底之后的示意图；
图10为本发明一种悬浮LED器件的制造方法去除衬底后将半导体外延层进行表面粗化处理后的示意图；
图11为本发明一种悬浮LED器件的制造方法刻蚀出半导体外延层阵列的示意图；
图12为本发明一种悬浮LED器件的制造方法去除光刻胶层后的示意图；
图13为本发明一种悬浮LED器件的制造方法制备绝缘层后的示意图；
图14为本发明一种悬浮LED器件的制造方法制备绝缘层后的阵列俯视示意图；
图15为本发明一种悬浮LED器件的制造方法制备电极阵列后的示意图；
图16为本发明一种悬浮LED器件的制造方法制备电极阵列后的俯视示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
11、原始衬底；12、半导体外延层；21、薄膜层；31、光刻胶层；41、反射层；51、衬底；52、支撑柱；91、绝缘层；101、电极。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做清楚、完整的描述。显然，以下描述的具体细节只是本发明的一部分实施例，本发明还能够以很多不同于在此描述的其他实施例来实现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
在一实施例中，请参阅图1所示，一种悬浮LED器件，包括衬底51、半导体外延层阵列、反射层41及电极101，半导体外延层阵列包括多个半导体外延层12，衬底51上设有凸起的支撑柱阵列，支撑柱阵列包括多个支撑柱52；支撑柱52及衬底51都由导电材料制成；半导体外延层12的第一面与支撑柱52的上表面连接，支撑柱52的上表面面积小于半导体外延层12的第一面面积，反射层41覆盖于衬底51上表面及支撑柱52的侧面上；半导体外延层12的第二面与电极101连接。
本技术方案将发光二极管的半导体外延层12通过支撑柱52支撑起，形成了悬浮的结构，由于半导体外延层12与支撑柱的接触面积较小，半导体外延层12内应力得以释放，因此有源区内量子斯塔克效应能被有效抑制，器件发光效率能得到显著提高。半导体外延层12背出射的光子经由衬底51及支撑柱52表面的反射层41反射，向上逃逸出器件，因此能极大提升器件光提取效率。
在本发明的一实施例中，半导体外延层12为圆形结构，其具有结构紧凑、且易于制备的优点。但并不以此为限，半导体外延层12也可以是三角形、正方形、六边形等其他形状。
半导体外延层12包括由n-GaN层及p-GaN层形成PIN结构；半导体外延层12的第一面上连接有透明且导电的薄膜层21。半导体外延层12的第二面及薄膜层21都为经过粗化处理的粗化表面。
需要说明的是，由于p-GaN层电阻率较大的原因，故需要在半导体外延层12上添加一侧导电的薄膜层21，本技术方案使用透明的薄膜层21，便于逃逸出器件，可有效提升器件的光提取效率。该薄膜层21可以使用铟锡氧化物(ITO)或者石墨烯等具有高透光性以及高电导率的透明薄膜材料制成。
具体地，支撑柱52的纵截面为梯形，且支撑柱52靠近半导体外延层12一侧的横截面小于靠近衬底51一侧的横截面。其倾斜侧壁能够更好地反射半导体外延层12所产生的背出射光子。
可以理解的是，支撑柱52的梯形横截面上边长度小于半导体外延层12阵列的直径，因此使半导体外延层12阵列形成悬浮结构。且半导体外延层12阵列与支撑柱52中心对齐，即半导体外延层12阵列的中轴线与支撑柱52的中轴线重合，使得制备工艺更简单，且结构稳定性更好，但不以此为限制。
在本实施例的基础上，进一步地，衬底51及支撑柱52都由铜或铝材料制成；反射层41包括由溅射或蒸镀工艺制成的Al层、Ag层、Cr层和/或Ni层。金属的支撑衬底51导电性导热性好，且成本低。当然，衬底51也可以是其它导热导电性良好的金属材料。
可以理解的是，金属支撑柱52和金属支撑衬底51一体成型，制备工艺简便，且导电效果更好。
具体地，该悬浮LED器件还包括设置于衬底51上的绝缘层91；电极101包括多个导电金属条，电极101通过所述导电金属条与所有的半导体外延层12连接，且所有导电金属条汇聚于绝缘层91的上表面位置。通过条形的电极101可以减小遮挡面积，进一步提升器件的光提取效率。
参照图2，本发明还提出了一种悬浮LED器件的制造方法，包括步骤：
S1:在原始衬底11上生长形成半导体外延层12,半导体外延层12包括由n-GaN层及p-GaN层形成PIN结构；如图3所示，使用MOCVD或者MBE方法在蓝宝石衬底上生长pin结构半导体外延层12。
S2:在半导体外延层12的第一面沉积薄膜层21，并对薄膜层21进行表面粗化处理，薄膜层21为透明且导电；
具体地，如图4所示，在样品表面的薄膜层21，可以为铟锡氧化物(ITO)或者石墨烯等具有高透光性以及高电导率的透明薄膜材料。
如图5所示，可使用湿法腐蚀的方式或者在电流扩展层表面制备纳米结构的方法对薄膜层21进行表面粗化处理，薄膜层21与空气界面的全反射，增大光子逃逸机率。
S3:在薄膜层21的表面制备开有小孔的光刻胶层31；并在光刻胶层31上沉积形成反射层41，反射层41包括溅射或蒸镀工艺制成的Al层、Ag层、Cr层和/或Ni层；
具体的，如图6所示，在薄膜层21表面制备开有小孔的光刻胶层31。小孔可由光刻过程形成，通过控制曝光量以及显影时间等，使得小孔的横截面为倒梯形。光刻胶的厚度可以为50-100微米，可以使用SU-8光刻胶。倒梯形横截面下底边长度可为10-50微米，上底边长度可为下地边长度2-5倍，小孔侧边与地面夹角可以为30-70°。
如图7所示，在光刻胶层3131表面使用溅射或者蒸镀的方式制备金属反射镜层，其可以是Al层、Ag层、Cr层、Ni层或者这些金属层的堆叠组合，厚度可以为几至几十纳米。
S4:在反射层41表面制备衬底51及支撑柱，衬底51及支撑柱52都由铜或铝材料制成，通过支撑柱52将小孔填充,光刻胶层31上的小孔的纵截面为倒梯形，且支撑柱52靠近半导体外延层12一侧的横截面小于靠近衬底51一侧的横截面；将原始衬底11去除；
具体的，如图8所示，使用电镀的方法在反射镜层上表面电镀金属的反射层41，反射层41厚度可以为几十至几百微米，反射层41的材料可以为铜、铝或者其他导热导电性良好的金属材料。反射将小孔填充满。
如图9所示，将形成的样品倒置并使用剥离、抛光或者刻蚀的方法去除原始衬底11。
S5:对去半导体外延层12的第二面进行表面粗化处理；
具体的，如图10所示，使用ICP刻蚀或者湿法腐蚀的方式对半导体外延层12的第二面进行表面粗化处理，减小氮化镓与空气界面的全反射，提升光子逃逸出外延层机率。
S6:对半导体外延层12进行刻蚀，形成半导体外延层12阵列；将光刻胶层31去除；
具体的，如图11所示，使用光刻以及刻蚀等方法制备出氮化镓LED的半导体外延层12阵列，刻蚀的截止层为光刻胶层31，使光刻胶层31露出表面。半导体延层阵列中单元的直径可以为几百微米至1毫米，大于光刻胶层31中小孔的直径。
如图12所示，使用丙酮去除光刻胶层3131，形成悬浮氮化镓LED阵列。
S7:在衬底51上沉积SiO2绝缘层91,电极101的一端与绝缘层91的上表面连接；
具体的，如图13所示，在悬浮氮化镓LED外延层阵列一侧沉积SiO2绝缘层91。绝缘层91厚度可以为几十纳米至几微米。制备完绝缘层91后样品俯视示意图如图14所示。
S8:在半导体外延层12阵列的表面制备电极101,电极101包括多个导电金属条，电极101通过导电金属条与所有的半导体外延层12连接，且所有导电金属条汇聚于SiO2的绝缘层91的上表面位置。
具体的，如图15所示，使用溅射或者蒸镀等方式在半导体外延层12阵列上表面制备上电极101阵列，电极101的材料可以为Cr、Au、Ni、Au、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极101材料或不同金属材料叠层构成，完成器件制备。上电极101阵列为条形，半导体外延层12阵列中每个单元接触，最终汇聚到绝缘层91上表面。器件阵列俯视示意图如图16所示。
本发明可以使用电镀以及湿法腐蚀等工艺制备，可以实现适用于任何半导体材料系统的电注入微盘谐振腔发光器件的制备，所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容，满足大规模光电集成的需要，有着广泛的应用前景。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、替换及改进，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (4)

1.一种悬浮LED器件的制造方法，其特征在于，包括步骤：
在原始衬底上生长形成半导体外延层；
在半导体外延层的表面制备开有小孔的光刻胶层，并在光刻胶层上制备形成反射层；
在反射层表面制备衬底及支撑柱，通过支撑柱将小孔填充；将原始衬底去除；
对半导体外延层进行刻蚀，形成半导体外延层阵列；将光刻胶层去除；
在半导体外延层阵列的表面制备电极。
2.根据权利要求1所述的悬浮LED器件的制造方法，其特征在于，
在生长半导体外延层之后，在半导体外延层的第一面制备薄膜层，并对薄膜层进行表面粗化处理，所述薄膜层为透明且导电的薄膜层；
在去除原始衬底之后，对去半导体外延层的第二面进行表面粗化处理。
3.根据权利要求1所述的悬浮LED器件的制造方法，其特征在于，
在将光刻胶层去除之后，在衬底上沉积SiO2的绝缘层；电极包括多个导电金属条，电极通过导电金属条与所有的半导体外延层连接，且所有导电金属条汇聚于SiO2的绝缘层的上表面位置；
所述半导体外延层包括由GaN材料形成PIN结构；所述衬底及所述支撑柱都由金属材料制成；所述反射层包括溅射或蒸镀工艺制成的Al层、Ag层、Cr层和/或Ni层。
4.根据权利要求1所述的悬浮LED器件的制造方法，其特征在于，光刻胶层上的小孔的纵截面为倒梯形，且所述支撑柱靠近所述半导体外延层一侧的横截面小于靠近所述衬底一侧的横截面。
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