CN114300503A - 包覆式多量子阱nled阵列结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种包覆式多量子阱NLED阵列结构及其制作方法，提供的方案包括透明电极层，图案化处理的第一型半导体层、多量子阱层和具有表面微结构的第二型半导体层、二氧化硅保护层、具有高反射性质的金属电极层；其中，多量子阱层在第一型半导体层的圆台型图案上直接生长，多量子阱层表面包覆在第一型半导体的圆台型图案上，以增大出光面积，提高器件的发光亮度，并且可以释放GaN与蓝宝石衬底之间的应变力，抑制量子阱限制斯塔克效应，增加LED的内量子效率。同时，第二型半导体上的表面微结构为周期性光栅阵列结构，以及整体梯形存在一定的倾斜角度的结构，能够减少第二型半导体和透明电极之间高折射率差带来的全反射，从而提高LED的外量子效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种包覆式多量子阱NLED阵列结构及其制作方法。
背景技术
近年来，随着LED技术和微型显示芯片技术的出现，使得小型化和高分辨率的近眼显示成为可能。而随着近眼显示技术的不断发展以及市场需求，大视场、高成像质量、小体积、可穿戴的微型投影光引擎越来越受到重视。目前，主要LED芯片、显示面板和显示应用厂商都已积极地投入超高密度、小间距LED（μLED和nLED）显示的开发。
但当LED的芯片尺寸小到纳米级别时，由于微小体积和晶格失配带来的弛豫，可以减少有源区的应变水平，从而进一步减少有源区的量子阱限制斯塔克效应（QCSE)，从而能提高LED的内量子效率。目前针对微纳尺寸LED的结构以及光提取方面的研究甚少，对于广泛研究的NLED由于其无表面处理的单一结构，依然存在光提取效率较低的问题。并且对比于现有的传统结构的NLED结构专利，主要分为柱状层级结构和柱状包覆结构，分别存在出光率低和工艺难以实现等问题，依然达不到投入到微显示器或者近眼显示的应用领域。
发明内容
有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本发明的目的在于提供一种包覆式多量子阱NLED阵列结构及其制作方法，以解决现有技术中NLED光效较低的问题。提供的方案包括透明电极层，图案化处理的第一型半导体层、多量子阱层和具有表面微结构的第二型半导体层、二氧化硅保护层、具有高反射性质的金属电极层；其中，多量子阱层在第一型半导体层的圆台型图案上直接生长，多量子阱层表面包覆在第一型半导体的圆台型图案上，以增大出光面积，提高器件的发光亮度，并且可以释放GaN与蓝宝石衬底之间的应变力，抑制量子阱限制斯塔克效应，增加LED的内量子效率。同时，第二型半导体上的表面微结构为周期性光栅阵列结构，以及整体梯形存在一定的倾斜角度的结构，能够减少第二型半导体和透明电极之间高折射率差带来的全反射，从而提高LED的外量子效率。
基于以上研究和设计，本发明具体采用以下技术方案：
一种包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于，包括：
金属电极层；
位于所述金属电极层上的图案化处理的第一型半导体层；
表面包覆在所述第一型半导体的图案上的多量子阱层；
表面包覆所述第一型半导体层和多量子阱层的具有表面微结构的第二型半导体层；
填充所述第二型半导体层的周部的二氧化硅保护层；
位于所述第二型半导体层和二氧化硅保护层上的透明电极。
进一步地，所述所述图案化处理第一型半导体层图案为圆台形，在第一型半导体层上的投影轮廓最宽处宽度为100nm~5000nm，在垂直于第一型半导体层方向上的厚度为50nm~4000nm，横纵比大于或等于1。
进一步地，所述具有表面微结构的第二型半导体层，采用的微结构为周期性光栅阵列结构。
进一步地，所述周期性光栅阵列结构，形状为二维圆柱形，半球形，圆锥形或倒梯形结构，其横向尺寸为5nm~50nm，高度为5nm~50nm，结构横纵比小于或等于1。
进一步地，所述金属电极层材料为具有高反射性质的Ag或Al。
进一步地，所述多量子阱层的厚度为50nm~300nm，第二型半导体层的厚度为50nm~1000nm。
进一步地，所述第一型半导体层，多量子阱层和第二型半导体层采用分子束外延技术或金属有机化合物气相外延技术形成；所述第一型半导体层生长在衬底层和缓冲层后，再采用激光剥离技术剥离衬底层和缓冲层。
一种包覆式多量子阱NLED阵列结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次形成缓冲层和第一型半导体层；
在所述第一型半导体层上通过分子束外延技术或者金属有机化合物化学气相沉积技术完成圆台型图案的第一型半导体层结构，并依次形成多量子阱层和第二型半导体层；
在每个所述第二型半导体层表面进行微结构处理，形成周期性光栅阵列；
在所述具有表面微结构的第二型半导体层上依次沉积二氧化硅保护层、透明电极层，并采用激光剥离技术剥离衬底和缓冲层；
在所述第一型半导体下表面采用分子束外延技术或者金属有机化合物化学气相沉积技术形成金属电极层。
与现有技术相比，本发明及其优选方案通过多量子阱层在第一型半导体层的圆台型图案上直接生长，多量子阱层表面包覆在第一型半导体的圆台型图案上，以增大出光面积，提高器件的发光亮度，并且可以释放GaN与蓝宝石衬底之间的应变力，抑制量子阱限制斯塔克效应，增加LED的内量子效率。同时，第二型半导体上的表面微结构起皱阵列或者反射层，以及整体梯形存在一定的倾斜角度的结构，能够减少第二型半导体和透明电极之间高折射率差带来的全反射，从而提高LED的外量子效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的具有高光提取效率的包覆式多量子阱NLED阵列结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单个高光提取效率的包覆式多量子阱NLED结构示意图；
图3为本发明实施例提供的具有高光提取效率的包覆式多量子阱NLED阵列结构制作方法流程图。
在图1当中：1-透明电极层、2-具有表面微结构的第二型半导体层、3-二氧化硅保护层、4-多量子阱层、5-图案化处理的第一型半导体层、6-具有高反射性质的金属电极层；
在图2当中：21-具有表面微结构的第二型半导体层、22-多量子阱层、23-图案化处理的第一型半导体层。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
考虑到近年来微纳尺寸发光二极管，由于其体积小，重量轻和寿命长等特点，将在未来有望广泛用于，微显示器件，近眼显示，光通信等领域。但由于微小尺寸带来的量子阱限制斯塔克效应，严重影响了LED的电学性质和光学性质，以及其广泛使用和被研究的平面层级结构，依然存在亮度低，出光效率低等问题。
如图1所示，基于此，本实施例提供了一种包覆式多量子阱NLED阵列结构，包括：透明电极层1、具有表面微结构的第二型半导体层2、二氧化硅保护层3、多量子阱层4、图案化处理的第一型半导体层5以及具有高反射性质的金属电极层6。
如图2所示，其中，多量子阱层在第一型半导体层的圆台型图案上直接生长，多量子阱层表面包覆在第一型半导体的圆台型图案上，以增大出光面积，提高器件的发光亮度，并且可以释放GaN与蓝宝石衬底之间的应变力，抑制量子阱限制斯塔克效应，增加LED的内量子效率。同时，第二型半导体上的表面微结构起皱或者反射层，以及整体梯形存在一定的倾斜角度的结构，能够减少第二型半导体和透明电极之间高折射率差带来的全反射，从而提高LED的外量子效率。
在本实施例中，对第一型半导体层、多量子阱层、第二型半导体层的具体材质不做限制，在本发明的一个实施例中，LED外延结构主要是GaN基蓝绿色NLED阵列结构，因此，对应地，本发明实施例中，第一型半导体层和第二型半导体层具体为一个是N型GaN层，一个是P型GaN层，本实施例中可选的，第一型半导体层为N型GaN层，第二型半导体层为P型GaN层。在本发明的其他实施例中，第一型半导体层还可以是P型GaN层，对应的，第二型半导体层可以为N型GaN层。本实施例中不限定多量子阱层的制作工艺和材质，可以根据实际晶格匹配，选择晶格匹配较好，晶格质量较好的多量子阱制作工艺和材质。
需要说明的是，为了避免NLED阵列的第一型半导体层、多量子层、第二型半导体层的结构形成时晶格缺陷较多，本实施例中，三层结构都采用相同的外延生长技术。
需要说明的是，具有表面微结构的第二型半导体层，其表面微结构周期性光栅阵列结构，可以采用光刻技术或者电感耦合等离子体刻蚀技术形成。本实施例中，限定在第二型半导体层上周期性光栅阵列结构的深度为5nm~50nm，包括端点值；宽度不限定宽度的方向，为5nm~50nm，包括端点值。周期性光栅阵列结构配合侧壁的倾斜角度能够大幅减少光在NLED器件内部的全反射，导致一部分光限制在器件内部，无法出射，造成出光效率低；此结构还可以更有效地使更大比例地发光耦合到逃逸锥中，进而提高LED地外量子效率，同时利用一定倾斜角度地第二型半导体地侧壁，增加表面微结构地覆盖面积，有效的散射反射光子，导致LED的发光强度增强。
需要说明的是，第一型半导体的凸型圆台图案结构是采用分子束外延和金属有机化合物化学气相沉积技术直接在同质同相的平面第一型半导体层上直接生长的，圆台型结构有利于多量子阱层在表面包覆沉积，相比较于相同尺寸的LED器件，本发明的单个LED器件的多量子层的表面积和体积都较大，因此发光效率和发光强度都得到一定程度的提高。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种包覆式多量子阱NLED阵列结构的制作方法，请参见图3，图3为包覆式多量子阱NLED阵列结构的制作方法流程示意图，其制作方法包括：
S101：提供衬底；
S102：在衬底上形成缓冲层和第一型半导体层；
S103：在第一层半导体层上形成圆台型纳米图案；
S104：在每个纳米圆台图案上形成多量子阱层和第二型半导体层；
S105：在每个第二型半导体层表面进行微结构处理，形成周期性光栅阵列；
S106：剥离衬底和缓冲层；
S107：倒置器件，在第一型半导体层上沉积二氧化硅保护层和透明电极；
S108：在LED阵列底部设置金属电极。
以上步骤的顺序不作为本发明工艺的严格限定，本领域技术人员可以根据实际生产进行合理的调换调整，以能够实现本发明设计目的为限。
为清楚说明本发明实施例提供的制作方法，本发明以下方实施例为例进行说明。
实施例一
首先，采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)在PSS蓝宝石衬底上生长缓冲层AlN层和平面N型GaN层，AlN层的厚度为1μm，N型GaN的厚度为300nm，生长温度范围为800℃～1000℃，优选地，本实施例中，生长温度为800℃。
在平面N型GaN层上采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)直接生长同质同相的N型GaN凸型圆台型图案层，圆台下底面直径范围可以为300nm~5000nm，本实施例中直径优选为500nm，本实施例中圆台厚度范围为150nm~4000nm，本实施例中厚度优选为300nm。
在平面N型GaN层上纳米圆台型N型GaN图案上采用采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)，将带有纳米图形的外延片放入MOCVD内，通入50L的NH3进行保护表面，将温度升至1100℃，直接生长多量子阱层和P型GaN层，多量子阱层厚度范围可以为50nm~300nm，本实施例中优选为60nm；P型氮化镓层的厚度范围可以为150nm~1000nm，本实施例中优选为200nm。
在P型GaN表面涂敷上一层电子刻蚀剂，采用电子束光刻技术进行电子束光刻，经过电子束扫描过的电子抗蚀剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变，经过显影和定影后，在表面形成周期性光栅阵列结构，其形状可以为二维圆柱形，半球形，圆锥形或倒梯形结构，本实施例中优选为圆柱形；其高度范围可以为1nm`50nm，本实施例中优选为5nm，结构横纵比为0.75。
通过利用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板，光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间，对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面进行均匀扫描；GaN层大量吸收光子能量，并分解形成液态Ga和氮气，实现衬底和GaN薄膜或GaN－LED芯片的分离；再通过金刚石线切割，将缓冲层和N型GaN层进行分离。
倒置器件，采用MOCVD沉积一层二氧化硅作为侧壁保护层，控制沉积速率，直至厚度覆盖过多量子阱层。再使用MOCVD在P型GaN上沉积上一层厚度为20nm的ITO电极，再通过相同的方法在N型GaN的下地面沉积上一层20nm厚的Ag电极层。
实施例二
首先，采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)在PSS蓝宝石衬底上生长缓冲层AlN层和平面N型GaN层，AlN层的厚度为0.5μm，N型GaN的厚度为150nm，生长温度范围为800℃～1000℃，优选地，本实施例中，生长温度为800℃。
在平面N型GaN层上采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)直接生长同质同相的N型GaN凸型圆台型图案层，圆台下底面直径范围可以为300nm~5000nm，本实施例中直径优选为350nm，本实施例中圆台厚度范围为150nm~4000nm，本实施例中厚度优选为200nm。
在平面N型GaN层上纳米圆台型N型GaN图案上采用采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)，将带有纳米图形的外延片放入MOCVD内，通入50L的NH3进行保护表面，将温度升至1100℃，直接生长多量子阱层和P型GaN层，多量子阱层厚度范围可以为50nm~300nm，本实施例中优选为50nm；P型氮化镓层的厚度范围可以为150nm~1000nm，本实施例中优选为150nm。
在P型GaN表面涂敷上一层电子刻蚀剂，采用电子束光刻技术进行电子束光刻，经过电子束扫描过的电子抗蚀剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变，经过显影和定影后，在表面形成周期性光栅阵列结构，其形状可以为二维圆柱形，半球形，圆锥形或倒梯形结构，本实施例优选为半球形；其高度范围可以为1nm`50nm，本实施例中优选为1.nm，结构横纵比为0.75。
通过利用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板，光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间，对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面进行均匀扫描；GaN层大量吸收光子能量，并分解形成液态Ga和氮气，实现衬底和GaN薄膜或GaN－LED芯片的分离；再通过金刚石线切割，将缓冲层和N型GaN层进行分离。
倒置器件，采用MOCVD沉积一层二氧化硅作为侧壁保护层，控制沉积速率，直至厚度覆盖过多量子阱层。再使用MOCVD在P型GaN上沉积上一层厚度为20nm的ITO电极，再通过相同的方法在N型GaN的下地面沉积上一层20nm厚的Ag电极层。
本实施例中，与实施例一不同的是，再平面N型GaN层上生长的同质同相的N型GaN层的尺寸不同，P型GaN层表面周期性光栅阵列的形状和尺寸不同。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的包覆式多量子阱NLED阵列结构及其制作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于，包括：
金属电极层；
位于所述金属电极层上的图案化处理的第一型半导体层；
表面包覆在所述第一型半导体的图案上的多量子阱层；
表面包覆所述第一型半导体层和多量子阱层的具有表面微结构的第二型半导体层；
填充所述第二型半导体层的周部的二氧化硅保护层；
位于所述第二型半导体层和二氧化硅保护层上的透明电极。
2.根据权利要求1所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述所述图案化处理第一型半导体层图案为圆台形，在第一型半导体层上的投影轮廓最宽处宽度为100nm~5000nm，在垂直于第一型半导体层方向上的厚度为50nm~4000nm，横纵比大于或等于1。
3.根据权利要求1所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述具有表面微结构的第二型半导体层，采用的微结构为周期性光栅阵列结构。
4.根据权利要求3所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述周期性光栅阵列结构，形状为二维圆柱形，半球形，圆锥形或倒梯形结构，其横向尺寸为5nm~50nm，高度为5nm~50nm，结构横纵比小于或等于1。
5.根据权利要求1所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述金属电极层材料为具有高反射性质的Ag或Al。
6.根据权利要求1所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述多量子阱层的厚度为50nm~300nm，第二型半导体层的厚度为50nm~1000nm。
7.根据权利要求1所述的包覆式多量子阱NLED阵列结构，其特征在于：所述第一型半导体层，多量子阱层和第二型半导体层采用分子束外延技术或金属有机化合物气相外延技术形成；所述第一型半导体层生长在衬底层和缓冲层后，再采用激光剥离技术剥离衬底层和缓冲层。
8.一种包覆式多量子阱NLED阵列结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次形成缓冲层和第一型半导体层；
在所述第一型半导体层上通过分子束外延技术或者金属有机化合物化学气相沉积技术完成圆台型图案的第一型半导体层结构，并依次形成多量子阱层和第二型半导体层；
在每个所述第二型半导体层表面进行微结构处理，形成周期性光栅阵列；
在所述具有表面微结构的第二型半导体层上依次沉积二氧化硅保护层、透明电极层，并采用激光剥离技术剥离衬底和缓冲层；
在所述第一型半导体下表面采用分子束外延技术或者金属有机化合物化学气相沉积技术形成金属电极层。
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