CN113690355A - 一种适用于可见光通信的并联阵列led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片及其制备方法，属于可见光通信技术领域；包括从下到上依次连接的导电衬底、键合金属层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层和发光有源区，发光有源区包括P电极和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状N电极，所述功能层包括p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层，所述柱状N电极位于所述功能层的内部，所述柱状N电极的顶部与所述n型GaN层欧姆接触，所述柱状N电极的底部键合金属层形成电导通。本发明降低了芯片的结电容，从而降低了RC时间常数，得到适用于可见光通信的高带宽LED芯片。
Description
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片及其制备方法。
背景技术
过去30年，移动通信的发展深刻地改变了人类的生活方式。可见光通信(VLC)通过照明与通信技术的有机结合，依靠其绿色环保，于人体无害，且无需频谱资源，又保密性很高的优点，可以有效解决传统无线网络在覆盖，电磁干扰，信息安全等方面的问题，正逐渐成为下一代移动通信的备选技术之一。
在可见光通信中，LED由于响应时间短，可以高速调制而成为理想的光源。但可见光通信技术对光源具备较高的要求，不仅需要足够大的调制带宽以满足高速通信，也需要足够的功率和光效来满足其照明需求。而近年来嵌入式电极垂直结构因为出色的电流扩展能力而具备优秀的光电性能，在此基础上制备高带宽阵列LED芯片来满足对通照两用LED芯片的需求就显得具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，降低了芯片的结电容，从而降低了RC时间常数，得到适用于可见光通信的高带宽LED芯片。
本发明的目的之二在于提供一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片的制备方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
提供一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，包括从下到上依次连接的导电衬底、键合金属层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层和发光有源区，发光有源区包括P电极和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状N电极，所述功能层包括从下到上依次连接的p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层，所述柱状N电极位于所述功能层的内部，所述柱状N电极的顶部与所述n型GaN层欧姆接触，所述柱状N电极的底部依次穿过p接触反射镜金属及保护层、第一绝缘层与键合金属层形成电导通，所述P电极与p接触反射镜金属及保护层电接触形成电导通。
进一步地，所述发光有源单元个数为2-16个，每个发光有源单元包括1-4个柱状N电极。
进一步地，所述N电极为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的任一种或两种以上的合金；所述柱状N电极的直径为5-100μm，高度为1-10μm。
进一步地，所述P电极为环绕于发光有源单元外侧呈矩形的围坝结构，所述P电极为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的任一种或两种以上的合金；所述P电极厚度为1-10μm。
进一步地，所述发光有源区还设有第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖于所述P电极的外侧面、所述P电极与发光有源单元之间、刻蚀通道和发光有源单元的顶面。
进一步地，所述第一绝缘层和第二绝缘层为SiO2绝缘层，厚度为30-300μm。
进一步地，所述导电衬底为导电硅衬底，其厚度为100-600μm。
进一步地，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属层和与p接触反射镜金属层的底面连接的保护层；
所述p接触反射镜金属层由Ag和/或Ni组成，所述p接触反射镜金属层的厚度为50-5000nm；
所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为50-300nm。
进一步地，所述键合金属层为Ni、Au、Sn、Ti中的任一种或两种以上的合金，所述键合金属层的厚度为500nm-10μm。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1，在外延衬底上依次生长功能层和p接触反射镜金属及保护层，得到LED外延片；
S2，在LED外延片上刻蚀出嵌入式柱状N电极通道；并在LED外延片的上表面以及嵌入式柱状N电极通道的内壁上生长第一绝缘层；在嵌入式柱状N电极通道上沉积形成柱状N电极；
S3，在步骤S2处理后的LED外延片的表面沉积第一键合金属层，从而得到第一晶圆；
S4，另取导电衬底通过沉积得到第二键合金属层，从而得到第二晶圆；
S5，将制得的第一晶圆与第二晶圆进行表面活化后，将键合第一键合金属层与第二键合金属层键合，形成键合金属层，得到LED芯片半成品；
S6，将LED芯片半成品的外延衬底一侧进行腐蚀处理，露出n型GaN层；
S7，在步骤S6处理后的LED芯片半成品上将功能层刻蚀分割成多个独立的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间形成刻蚀通道，每个发光有源单元中包含至少一个柱状N电极；
S8，在步骤S7处理后的LED芯片半成品上刻出P电极的台阶，沉积P电极，得到并联阵列LED芯片成品。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，柱状N电极为具有垂直结构的嵌入式电极，优化电流分布，具有散热快、易加工，发光效率高等特点；同时将发光有源区分割成多个发光有源单元并采用并联阵列，降低了芯片的结电容，从而降低了RC时间常数，可用于制备适用于可见光通信的高带宽LED芯片。
进一步地，本发明提供的适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，可通过提升并联芯片的数目来进一步提升LED的光输出功率，适用于更多的应用场景。
本发明的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片的制备方法，流程简单，成品率高，适用于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中并联阵列LED芯片结构的俯视图；
图2为实施例1中并联阵列LED芯片结构的剖视图；
图3为实施例2中并联阵列LED芯片结构的俯视图；
图4为实施例2中并联阵列LED芯片结构的剖视图；
图5为对比例1中LED芯片结构的俯视图；
图6为对比例1中LED芯片结构的剖视图。
101、导电衬底；102、键合金属层；103、第一绝缘层；104、p接触反射镜金属及保护层；105、p型GaN层；106、InGaN/GaN多量子阱层；107、n型GaN层；108、P电极；109、柱状N电极；110、第二绝缘层。
具体实施方式
下面，结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，如图1和图2所示，包括从下到上依次连接的导电衬底101、键合金属层102、第一绝缘层103、p接触反射镜金属及保护层104和发光有源区，发光有源区包括P电极108和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状N电极109，所述功能层包括从下到上依次连接的p型GaN层105、InGaN/GaN多量子阱层106和n型GaN层107，所述柱状N电极109位于所述功能层的内部，所述柱状N电极109的顶部与所述n型GaN层107欧姆接触，所述柱状N电极109的底部依次穿过p接触反射镜金属及保护层104、第一绝缘层103与键合金属层102形成电导通，所述P电极108与p接触反射镜金属及保护层104电接触形成电导通；所述发光有源区还设有第二绝缘层110，所述第二绝缘层110覆盖于所述P电极108的外侧面、所述P电极108与发光有源单元之间、刻蚀通道和发光有源单元的顶面。
在本实施例中，所述发光有源单元个数为16个，每个发光有源单元包括1个柱状N电极109。
在本实施例中，所述N电极为Cr、Pt的合金电极；所述柱状N电极109的直径为20μm，高度为3μm。
在本实施例中，所述P电极108为环绕于发光有源单元外侧呈矩形的围坝结构，所述P电极108为Ti、Cr合金电极；所述P电极108厚度为3μm。
在本实施例中，所述导电衬底101为导电硅衬底，其厚度为500μm；所述第一绝缘层103和第二绝缘层110均为SiO2绝缘层，所述第一绝缘层103的厚度为300μm。
在本实施例中，所述p接触反射镜金属及保护层104包括p接触反射镜金属层和与p接触反射镜金属层的底面连接的保护层；所述p接触反射镜金属层由Ag和/组成，所述p接触反射镜金属层的厚度为50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为300nm。
在本实施例中，所述键合金属层102为Ni、Au的合金，所述键合金属层102的厚度为3μm。
一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片的制备方法，如图1-2所示，包括如下步骤：
(1)取Si衬底作为外延衬底，采用MOCVD设备在所述外延衬底上依次生长5um厚的AlGaN缓冲层、n型GaN层107、InGaN/GaN多量子阱层106和p型GaN层105，然后继续使用电子束蒸发设备在p型GaN层105上沉积p接触反射镜金属及保护层104，金属蒸发速率为15埃/秒，得到LED外延片；
(2)在所述LED外延片上通过光刻和ICP刻蚀制备出通孔结构；所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层104、p型GaN层105和InGaN/GaN多量子阱层106，所述通孔结构延伸至n型GaN层107底部，在LED外延片上形成嵌入式柱状N电极109通道；
(3)在p接触反射镜金属及保护层104的上表面以及通孔结构的内壁上用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)生长第一绝缘层103，使第一绝缘层103完全覆盖p接触反射镜金属及保护层104、通孔结构内壁和底部，再通过选择性酸腐去除通孔结构底部的绝缘层，暴露出通孔结构的孔底；
(4)在通孔结构内采用金属蒸镀仪沉积嵌入式柱状N金属，形成柱状N电极109；
(5)在步骤(4)所述得LED芯片上通过沉积第一键合金属层，并使柱状N电极109与第一键合金属层形成电导通，从而得到第一晶圆；
(6)另取导电硅衬底作为导电衬底101，通过沉积工艺在导电衬底101上制备得到第二键合金属层，从而得到第二晶圆；
(7)将制得的第一晶圆与第二晶圆的键合层进行表面活化，将处理后的键合层对准，然后一起送入键合机进行预键合，键合过程中从第二晶圆的导电衬底101的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，形成键合金属层102，得到LED芯片半成品；
(8)将具有双衬底的LED芯片半成品的外延衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液(按照物质的量浓度计，氢氟酸：冰乙酸：硝酸＝5:1:5)中，腐蚀至外延衬底消失为止，再采用ICP刻蚀去除AlGaN缓冲层，暴露出n型GaN层107；
(9)采用ICP刻蚀将n型GaN层107、InGaN/GaN多量子阱层106和p型GaN层105组成的功能层分割成多个独立的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间形成刻蚀通道，每个发光有源单元中包含一个柱状N电极109，然后采用PECVD进行SiO2沉积形成第二绝缘层110，所述第二绝缘层110包覆所有的发光有源单元并填充于刻蚀通道内部，将不同的发光有源单元隔离；
(10)最终通过光刻在第二绝缘层110内刻出P电极108的台阶，沉积P电极108，使所述P电极108与p接触反射镜金属及保护层104电接触形成电导通，得到并联阵列LED芯片成品。
实施例2
一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，如图3-4所示，包括从下到上依次连接的导电衬底101、键合金属层102、第一绝缘层103、p接触反射镜金属及保护层104和发光有源区，发光有源区包括P电极108和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状N电极109，所述功能层包括从下到上依次连接的p型GaN层105、InGaN/GaN多量子阱层106和n型GaN层107，所述柱状N电极109位于所述功能层的内部，所述柱状N电极109的顶部与所述n型GaN层107欧姆接触，所述柱状N电极109的底部依次穿过p接触反射镜金属及保护层104、第一绝缘层103与键合金属层102形成电导通，所述P电极108与p接触反射镜金属及保护层104电接触形成电导通；所述发光有源区还设有第二绝缘层110，所述第二绝缘层110覆盖于所述P电极108的外侧面、所述P电极108与发光有源单元之间、刻蚀通道和发光有源单元的顶面。
在本实施例中，发光有源单元个数为4个，每个发光有源单元包括4个柱状N电极109。
在本实施例中，所述N电极为Cr、Pt的合金电极；所述柱状N电极109的直径为20μm，高度为3μm。
在本实施例中，所述P电极108为环绕于发光有源单元外侧呈矩形的围坝结构，所述P电极108为Ti、Cr合金电极；所述P电极108厚度为3μm。
在本实施例中，所述导电衬底101为导电硅衬底，其厚度为500μm；所述第一绝缘层103和第二绝缘层110均为SiO2绝缘层，所述第一绝缘层103的厚度为500μm。
在本实施例中，所述p接触反射镜金属及保护层104包括p接触反射镜金属层和与p接触反射镜金属层的底面连接的保护层；所述p接触反射镜金属层由Ag和/组成，所述p接触反射镜金属层的厚度为50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为300nm。
在本实施例中，所述键合金属层102为Ni、Au的合金，所述键合金属层102的厚度为3μm。
进一步地，本实施例的制备方法与实施例1相同。
对比例1
一种LED芯片，如图5和图6所示，包括从下到上依次连接的导电衬底101、键合金属层102、第一绝缘层103、p接触反射镜金属及保护层104和发光有源区，发光有源区包括P电极108、功能层和至少一个柱状N电极109，所述功能层包括从下到上依次连接的p型GaN层105、InGaN/GaN多量子阱层106和n型GaN层107，所述柱状N电极109位于所述功能层的内部，所述柱状N电极109的顶部与所述n型GaN层107欧姆接触，所述柱状N电极109的底部依次穿过p接触反射镜金属及保护层104、第一绝缘层103与键合金属层102形成电导通，所述P电极108与p接触反射镜金属及保护层104电接触形成电导通；所述发光有源区还设有第二绝缘层110，所述第二绝缘层110覆盖于所述P电极108的外侧面、所述P电极108与发光有源单元之间和发光有源单元的顶面。
进一步地，所述N电极为Cr、Pt的合金电极；所述柱状N电极109的直径为20μm，高度为3μm。
进一步地，所述P电极108为环绕于发光有源单元外侧呈矩形的围坝结构，所述P电极108为Ti、Cr合金电极；所述P电极108厚度为3μm。
进一步地，所述导电衬底101为导电硅衬底，其厚度为500μm；所述第一绝缘层103和第二绝缘层110均为SiO2绝缘层，所述第一绝缘层103的厚度为300μm。
进一步地，所述p接触反射镜金属及保护层104包括p接触反射镜金属层和与p接触反射镜金属层的底面连接的保护层；所述p接触反射镜金属层由Ag和/组成，所述p接触反射镜金属层的厚度为50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为300nm。
进一步地，所述键合金属层102为Ni、Au的合金，所述键合金属层102的厚度为3μm。
一种LED芯片的制备方法，如图5和图6所示，包括如下步骤：
(1)取Si衬底作为外延衬底，采用MOCVD设备在所述外延衬底上依次生长5um厚的AlGaN缓冲层、n型GaN层107、InGaN/GaN多量子阱层106和p型GaN层105，然后继续使用电子束蒸发设备在p型GaN层105上沉积p接触反射镜金属及保护层104，金属蒸发速率为15埃/秒，得到LED外延片；
(2)在所述LED外延片上通过光刻和ICP刻蚀制备出通孔结构；所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层104、p型GaN层105和InGaN/GaN多量子阱层106，所述通孔结构延伸至n型GaN层107底部，在LED外延片上形成嵌入式柱状N电极109通道；
(3)在p接触反射镜金属及保护层104的上表面以及通孔结构的内壁上用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)生长第一绝缘层103，使第一绝缘层103完全覆盖p接触反射镜金属及保护层104、通孔结构内壁和底部，再通过选择性酸腐去除通孔结构底部的绝缘层，暴露出通孔结构的孔底；
(4)在通孔结构内采用金属蒸镀仪沉积嵌入式柱状N金属，形成柱状N电极109；
(5)在步骤(4)所述得LED芯片上通过沉积第一键合金属层，并使柱状N电极109与第一键合金属层形成电导通，从而得到第一晶圆；
(6)另取导电硅衬底作为导电衬底101，通过沉积工艺在导电衬底101上制备得到第二键合金属层，从而得到第二晶圆；
(7)将制得的第一晶圆与第二晶圆的键合层进行表面活化，将处理后的键合层对准，然后一起送入键合机进行预键合，键合过程中从第二晶圆的导电衬底101的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，形成键合金属层102，得到LED芯片半成品；
(8)将具有双衬底的LED芯片半成品的外延衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液(按照物质的量浓度计，氢氟酸：冰乙酸：硝酸＝5:1:5)中，腐蚀至外延衬底消失为止，再采用ICP刻蚀去除AlGaN缓冲层，暴露出n型GaN层107；
(9)所述发光有源区中采用PECVD进行SiO2沉积形成第二绝缘层110；
(10)最终通过光刻在第二绝缘层110内刻出P电极108的台阶，沉积P电极108，使所述P电极108与p接触反射镜金属及保护层104电接触形成电导通，得到LED芯片成品。
性能测试
将实施例1、2和对比例1的LED芯片，在50mA电流下进行调制带宽测试，结果如表1所示。
表1性能测试结果
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 |
| 带宽(MHz) | 65 | 38 | 20 |
如表1所示，在50mA电流测试下，实施例1、2的并联阵列LED芯片的调制带宽频率高于对比例1的LED芯片，其中，实施例1划分为16个发光有源单元，每个发光有源单元包括1个柱状N电极109，调制带宽频率远高于对比例1的LED芯片，证明通过将发光有源区划分为多个阵列分布的发光有源单元，有利于降低了芯片的结电容，从而降低了RC时间常数，得到适用于可见光通信的高带宽LED芯片。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于，包括从下到上依次连接的导电衬底、键合金属层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层和发光有源区，发光有源区包括P电极和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状N电极，所述功能层包括从下到上依次连接的p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层，所述柱状N电极位于所述功能层的内部，所述柱状N电极的顶部与所述n型GaN层欧姆接触，所述柱状N电极的底部依次穿过p接触反射镜金属及保护层、第一绝缘层与键合金属层形成电导通，所述P电极与p接触反射镜金属及保护层电接触形成电导通。
2.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述发光有源单元个数为2-16个，每个发光有源单元包括1-4个柱状N电极。
3.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述N电极为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的任一种或两种以上的合金；所述柱状N电极的直径为5-100μm，高度为1-10μm。
4.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述P电极为环绕于发光有源单元外侧呈矩形的围坝结构，所述P电极为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的任一种或两种以上的合金；所述P电极厚度为1-10μm。
5.如权利要求4所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述发光有源区还设有第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖于所述P电极的外侧面、所述P电极与发光有源单元之间、刻蚀通道和发光有源单元的顶面。
6.如权利要求5所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层为SiO2绝缘层。
7.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述导电衬底为导电硅衬底，其厚度为100-600μm。
8.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属层和与p接触反射镜金属层的底面连接的保护层；
所述p接触反射镜金属层由Ag和/或Ni组成，所述p接触反射镜金属层的厚度为50-5000nm；
所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为50-300nm。
9.如权利要求1所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片，其特征在于：所述键合金属层为Ni、Au、Sn、Ti中的任一种或两种以上的合金，所述键合金属层的厚度为500nm-10μm。
10.权利要求1-9任一项所述的一种适用于可见光通信的并联阵列LED芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在外延衬底上依次生长功能层和p接触反射镜金属及保护层，得到LED外延片；
S2，在LED外延片上刻蚀出嵌入式柱状N电极通道；并在LED外延片的上表面以及嵌入式柱状N电极通道的内壁上生长第一绝缘层；在嵌入式柱状N电极通道上沉积形成柱状N电极；
S3，在步骤S2处理后的LED外延片的表面沉积第一键合金属层，从而得到第一晶圆；
S4，另取导电衬底通过沉积得到第二键合金属层，从而得到第二晶圆；
S5，将制得的第一晶圆与第二晶圆进行表面活化后，将键合第一键合金属层与第二键合金属层键合，形成键合金属层，得到LED芯片半成品；
S6，将LED芯片半成品的外延衬底一侧进行腐蚀处理，露出n型GaN层；
S7，在步骤S6处理后的LED芯片半成品上将功能层刻蚀分割成多个独立的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间形成刻蚀通道，每个发光有源单元中包含至少一个柱状N电极；
S8，在步骤S7处理后的LED芯片半成品上刻出P电极的台阶，沉积P电极，得到并联阵列LED芯片成品。
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