CN112750924A - 具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，包括以下步骤：(1)、在一次衬底(100)上生长外延结构(110)；(2)、在外延结构(110)顶层上表面沉积金属层(120)；(3)、在金属层(120)上沉积键合金属层(130)；(4)、在键合金属层(130)上键合二次衬底(140)；(5)、去除掉一次衬底(100)，裸露出外延结构(110)底层界面，然后对其进行蚀刻，形成接入电极的半导体层；(6)、采用激光辐照的方式在半导体层上制作由自体GaN与空气构成的自体光子晶体结构；(7)、在半导体层的具有自体光子晶体结构的出光面上沉积电极(150)。其加工简单、局限性小、成本低且光子晶体损结构伤小。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种半导体芯片的制备方法，更具体地，涉及一种具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法。
背景技术
随着LED技术的快速发展，波长范围在200-400nm的UV-LED应用范围越来越广。尤其是波长在300nm以下的UV-LED有杀菌消毒功能，与传统紫外光源比更加节能、寿命更长，不含有毒物质。并且随着《关于汞的水俣公约》的生效，对UV-LED的研究进入高潮。
但是，从发光功率和效率而言，目前UV-LED还远达不到蓝光水平，尤其是波长在UVB(290-320nm)、UVC(200-290nm)波段的深紫外LED的量子效率一般不超过2％。
光子晶体的概念是由美国贝尔实验室的Yablonovitch和普林斯顿大学John在1987年分别独立提出的，是指由不同折射率的材料周期性排列形成的人造晶体。光子晶体结构除了能够引入光子禁带，将原本限制在材料内的传播模态提取出来以外，还可以通过自身的周期性结构产生散射效应，破坏原本应该被全反射的光，使得更多光从材料中逃逸出去，提高光提取效率。
运用传统方法制备光子晶体结构的GaN基LED的过程中，通常都会伴随着相关刻蚀工艺。由于光子晶体结构的厚度通常为百纳米量级，而在百纳米量级的情况下氧化铟锡等透明导电材料的湿法腐蚀过程难以得到精确的控制，干法刻蚀过程的刻蚀速率则较为缓慢，这对在氧化铟锡等透明导电材料上制备光子晶体结构造成了巨大的困难。
同时，传统刻蚀工艺会对氧化铟锡等透明导电材料造成一定的损伤，并最终影响器件的效率。如何避免光子晶体结构制备过程中的刻蚀损伤仍是一项待解决的难题。
另外，使用氧化铟锡等透明导电材料上制备光子晶体结构的传统工艺因材料特性其使用有一定局限性，氧化铟锡对波长较短的紫外光波有强烈的吸收作用，而使用GaN材料做UV-LED已是趋势，故传统光子晶体工艺有一定局限性。
鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的在紫外发光二极管制备过程中形成光子晶体结构的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点中的一者或多者，提供一种具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其利用激光将GaN出光面的部分GaN部分分解，使之成为由自体GaN与空气形成的自体的二维光子晶体结构，提高GaN基UV-LED的取光效率，具有较高的光效、良好的热沉、加工工艺简单、成本低以及应用面宽的特点。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在一次衬底上生长符合UV-LED的外延结构；
(2)、在所述外延结构的顶层的上表面沉积与之形成欧姆接触且具有反射功能的金属层；
(3)、在所述金属层上沉积键合金属层；
(4)、在所述键合金属层上键合二次衬底；
(5)、去除掉所述一次衬底，裸露出所述外延结构的底层界面，然后对其进行蚀刻，形成接入电极的半导体层；
(6)、采用激光辐照的方式在所述半导体层上制作由自体GaN与空气构成的自体光子晶体结构；
(7)、在半导体层的具有自体光子晶体结构的出光面上沉积与之欧姆接触的电极。
优选地，其中，所述步骤(6)中，激光辐照时采用的激光的辐射能量要大于GaN的能隙，并且激光按照光子晶体结构图形对所述半导体层表面进行辐照，使所述半导体层从表面开始向下进行分解，分解深度为能在所述半导体层上形成由自体GaN与空气形成的自体光子晶体结构。
优选地，其中，所述步骤(6)中，所述光子晶体结构图形为正多边形，并且，激光辐照时，如果所述一次衬底(100)为平面衬底，则激光能量控制在600mJ/cm2～900mJ/cm2；如果所述一次衬底(100)为PSS衬底，则激光能量控制在1800mJ/cm2～3100mJ/cm2。
优选地，其中，在所述步骤(7)之前，还包括：去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga。
优选地，其中，去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga的具体方法为：使用36％-38％的浓盐酸和水按1:10的体积比稀释成的稀盐酸浸泡2分钟。
优选地，其中，在所述步骤(7)之后，还包括：经过划片处理或切断处理后，形成具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片。
优选地，其中，所述外延结构包括自下而上依次设置的N型半导体材料层、量子阱层和P型半导体材料层。
优选地，其中，所述金属层由Ni或Ag制成，且其厚度为
优选地，其中，所述键合金属层由Cr制成且其厚度为
或者由Al制成且其厚度为
或者由Ti制成且其厚度为
或者由Au制成且其厚度为
或者由Ausn制成且其厚度为
此外，还提供一种采用上述方法制备的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片。
与现有技术相比，本发明的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法具有如下有益技术效果中的一者或多者：
1、其加工简单，仅使用区域激光辐照就可生成二维光子晶体。
2、其局限性小，使用自体的二维光子晶体避免了附加材料对特定波长光的吸收，应用面宽。
3、其成本低，纳米压印成本较高，软膜压印虽成本较低，但存在复制图形的过程中容易失真、导致结构参数变异等缺点。
4、其光子晶体损伤小，传统蚀刻工艺制作光子晶体湿蚀刻难以控制，干蚀刻速率过慢，且传统刻蚀工艺会对氧化铟锡等透明导电材料造成一定的损伤，并最终影响器件的效率。
附图说明
图1是本发明的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法的流程图。
图2是在一次衬底上生长了符合UV-LED的外延结构后的示意图。
图3是在外延结构上形成了金属层、键合金属层和二次衬底后的示意图。
图4是去除掉一次衬底后的示意图。
图5是激光辐照后的示意图。
图6是沉积了电极后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
图1示出了本发明的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法的流程图。如图1所示，本发明的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：
一、在一次衬底100上生长符合UV-LED的外延结构110。
在本发明中，所述一次衬底100可以是平面衬底，也可以是SSP衬底。
并且，在本发明中，所述外延结构110可以是符合UV-LED要求的任何外延结构，在本发明中不对所述外延结构110的具体结构进行限定。
优选地，如图2所示，所述外延结构110包括三层，分别为自下而上依次设置的N型半导体材料层、量子阱层和P型半导体材料层。
二、在所述外延结构110的顶层的上表面沉积与之形成欧姆接触且具有反射功能的金属层120。
在本发明中，由于采用的所述外延结构110包括自下而上依次设置的N型半导体材料层、量子阱层和P型半导体材料层。因此，是在所述P型半导体材料层的上表面沉积与之形成欧姆接触且具有反射功能的金属层120。
并且，在本发明中，优选地，所述金属层120可以由Ni或Ag制成，且其厚度为
这样，能确保所述金属层120能够与所述P型半导体材料层形成欧姆接触且具有反射功能。
三、在所述金属层120上沉积键合金属层130。
在本发明中，所述键合金属层130可以由Cr制成且其厚度为
或者可以由Al制成且其厚度为
或者可以由Ti制成且其厚度为
或者可以由Au制成且其厚度为
或者可以由Ausn制成且其厚度为
这样，所述键合金属层130的键合能力比较强，便于实现对后述的二次衬底140的键合。
四、在所述键合金属层130上键合二次衬底140。
在本发明中，可以通过所述键合金属层130将外延结构等键合到制备好的所述二次衬底140上。
其中，所述二次衬底140为硅衬底。并且，所述二次衬底140也需要镀Ausn，且镀的Ausn的厚度为
并且，所述二次衬底140的厚度为6um。
在键合所述二次衬底140之后，其结构如图3所示。
五、去除掉所述一次衬底100，裸露出所述外延结构110的底层界面，然后对其进行蚀刻，形成接入电极的半导体层。
在本发明中，由于采用的所述外延结构110包括自下而上依次设置的N型半导体材料层、量子阱层和P型半导体材料层。因此，去除掉所述一次衬底100之后，裸露出的是N型半导体材料层。
同时，在本发明中，在对所述P型半导体材料层进行时刻时采用ICP进行蚀刻，且蚀刻深度为6.2um。蚀刻之后的所述N型半导体材料层形成接入电极的半导体层。
去除掉一次衬底后的示意图如图4所示。
六、采用激光辐照的方式在所述半导体层上制作由自体GaN与空气构成的自体光子晶体结构。
在本发明中，进行激光辐照时要注意以下几点：
1、可选用KrF准分子激光(其辐射能量为5eV)或ArF准分子激光(其辐射能量为6.4eV)或其它方式产生的辐射能量大于GaN能隙(其为3.3eV)的激光进行辐照。
2、光子晶体结构图形的形成可利用有光子晶体结构图形(其中，光子晶体结构图形可以是任何正多边形，如正方形、六边形，但不限于此)的金属遮光板对激光进行遮蔽。若激光机台功能许可，也可利用激光机台本身的光斑形状调整、步进伺服马达步进设定及运行编程功能来实现。
3、按照所述光子晶体结构图形对裸露出的所述半导体层的表面进行辐照，使接受到足够能量辐照后的所述半导体层从表面开始向下进行一定程度的分解，分解深度可通过辐照能量及辐照次数进行控制，直至分解深度达到设计要求，也就是，直到在所述半导体层上形成由自体GaN与空气形成的自体光子晶体结构。
4、如果所述一次衬底100为平面衬底，则辐照时的激光能量控制在600mJ/cm2～900mJ/cm2。如果所述一次衬底100为PSS衬底，则辐照时的激光能量控制在1800mJ/cm2～3100mJ/cm2。
进行激光辐照后的示意图如图5所示。
其中，在辐照之后，需要去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga。
在本发明中，去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga的具体方法可以为：使用36％-38％的浓盐酸和水按1:10的体积比稀释成的稀盐酸浸泡2分钟。这样，其Ga的去除更干净，不会对透光产生影响。
七、在所述半导体层的具有自体光子晶体结构的出光面上沉积与之欧姆接触的电极150。
沉积了电极150之后的示意图如图6所示。
在沉积了所述电极150之后，已经形成了具有多片紫外发光二极管芯片的整片结构。之后，经过对整片结构进行划片处理或切断处理后，即可形成具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片。
将本发明使用的激光辐照方法与常用的纳米压印方法、衬底法和透明导电层法进行比较，其比较结果如下表所示。
由此可知，本发明的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法可具有如下优点中的一者或多者：
1、其加工简单，仅使用区域激光辐照就可生成光子晶体。
2、其局限性小，使用自体光子晶体避免了附加材料对特定波长光的吸收，应用面宽。
3、其成本低，纳米压印成本较高，软膜压印虽成本较低，但存在复制图形的过程中容易失真、导致结构参数变异等缺点。
4、其光子晶体损伤小，传统蚀刻工艺制作光子晶体湿蚀刻难以控制，干蚀刻速率过慢，且传统刻蚀工艺会对氧化铟锡等透明导电材料造成一定的损伤，并最终影响器件的效率。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在一次衬底(100)上生长符合UV-LED的外延结构(110)；
(2)、在所述外延结构(110)的顶层的上表面沉积与之形成欧姆接触且具有反射功能的金属层(120)；
(3)、在所述金属层(120)上沉积键合金属层(130)；
(4)、在所述键合金属层(130)上键合二次衬底(140)；
(5)、去除掉所述一次衬底(100)，裸露出所述外延结构(110)的底层界面，然后对其进行蚀刻，形成接入电极的半导体层；
(6)、采用激光辐照的方式在所述半导体层上制作由自体GaN与空气构成的自体光子晶体结构；
(7)、在半导体层的具有自体光子晶体结构的出光面上沉积与之欧姆接触的电极(150)。
2.根据权利要求1所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，激光辐照时采用的激光的辐射能量要大于GaN的能隙，并且激光按照光子晶体结构图形对所述半导体层表面进行辐照，使所述半导体层从表面开始向下进行分解，分解深度为能在所述半导体层上形成由自体GaN与空气形成的自体光子晶体结构。
3.根据权利要求2所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述光子晶体结构图形为正多边形，并且，激光辐照时，如果所述一次衬底(100)为平面衬底，则激光能量控制在600mJ/cm2～900mJ/cm2；如果所述一次衬底(100)为PSS衬底，则激光能量控制在1800mJ/cm2～3100mJ/cm2。
4.根据权利要求3所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤(7)之前，还包括：去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga。
5.根据权利要求4所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，去除掉所述半导体层上因受到激光辐照而分解出的Ga的具体方法为：使用36％-38％的浓盐酸和水按1:10的体积比稀释成的稀盐酸浸泡2分钟。
6.根据权利要求4所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤(7)之后，还包括：经过划片处理或切断处理后，形成具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述外延结构(110)包括自下而上依次设置的N型半导体材料层、量子阱层和P型半导体材料层。
8.根据权利要求7所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述金属层(120)由Ni或Ag制成，且其厚度为
9.根据权利要求8所述的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述键合金属层(130)由Cr制成且其厚度为
或者由Al制成且其厚度为
或者由Ti制成且其厚度为
或者由Au制成且其厚度为
或者由Ausn制成且其厚度为
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备的具有自体光子晶体结构的紫外发光二极管芯片。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20070221907A1 (en) * | 2006-03-21 | 2007-09-27 | Lg Electronics Inc. | Light emitting device having vertical structure and mehod for manufacturing the same |
| CN101969092A (zh) * | 2010-09-16 | 2011-02-09 | 兰红波 | 垂直结构金属衬底准光子晶体hb-led芯片及制造方法与应用 |
-
2020
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Patent Citations (2)
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| CN114381363B (zh) * | 2021-12-28 | 2024-04-30 | 深圳市思坦科技有限公司 | Pcr快速检测系统制备方法及pcr快速检测系统 |
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