CN114388675B - 一种GaN基微型LED芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基微型LED芯片及其制备方法，所述LED芯片从下至上依次包括：基板、键合金属层、P型电极层、介质层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极层。所述LED芯片的径向尺寸在40μm以下。在所述介质层上设有若干小孔，P型电极层通过小孔与P型半导体层接触。通过调整介质层表面的小孔边缘到台面边缘的距离，结合芯片边缘区域设置的电隔离区域，本发明能够实现高光反射率，且可以调制电流扩展长度，限制电流部分远离表面缺陷，减弱载流子在侧壁面产生非辐射复合，最终可以提高微型LED芯片的电光转换效率。

Description

一种GaN基微型LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其是涉及一种GaN基微型 LED芯片及其制备方法。

背景技术

在5G+8K和5G+AR/VR/MR两大显示与视觉新变革的推动下，显示行业迎来新一轮的发展机遇，同时也对显示技术提出了新的要求。Micro LED，就是指将传统 LED 进行矩阵化、微缩化的一项技术。由于其高饱和电流密度、纳秒量级的高响应速度、高调制带宽、低功耗、灵活的光谱和空间控制等主要优点，Micro LED被成为“终极显示”技术，不仅应用于显示领域，而且在光通信/光互联、车载应用、医疗探测等诸多领域有广阔的应用前景。 这项技术有机会促进照明、显示和通信等迄今分离的领域之间的技术融合。

半导体表面是晶格的终止面，刻蚀工艺引入侧壁缺陷和悬挂键，很容易吸收空气中的杂质，产生表面非辐射复合。随着芯片的尺寸减小，侧壁面占总表面的比例增加，量子效率降低严重。

对于微型 LED，为了抑制表面缺陷处的非辐射复合，通常采用热退火，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统或原子层沉积(ALD)系统生长钝化层、化学处理等手段以消除表面缺陷。然而上述方法对Micro LED芯片的效率提高仍然是有限的。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种提高电光转换效率的GaN基微型 LED芯片。

本发明的第二个目的在于提供一种GaN基微型 LED芯片的制备方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种GaN基微型 LED芯片，所述LED芯片从下至上依次包括：基板、键合金属层、P型电极层、介质层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极层；特征是：所述LED芯片的径向尺寸在40μm以下，在所述介质层上设有小孔，P型电极层通过小孔与P型半导体层接触。

优选的，将LED芯片的边缘至距边缘一定距离的区域设置为电隔离区域，这个距离记为D1，0μm≤D1≤4μm，所述电隔离区域的P型半导体层为高补偿材料。

优选的，所述介质层在空气中的折射率小于2，介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铟锡、氟化镁中的任意一种或多种，介质层的厚度为1nm-1000nm。

优选的，在介质层上设有的小孔为一个以上，分布在介质层的表面，且小孔边缘到台面边缘的距离记为D2，0μm≤D2≤10μm。

所述P型电极层的材料兼具高光反射率和低接触电阻，为Ag金属单层或Au金属单层，或者为NiAg、NiAu、AuBe或AuZn合金中的任意一种或多种。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种GaN基微型 LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、在所述衬底的主表面上形成发光外延层，依次层叠设置于所述衬底的主表面上的N型半导体层、有源层以及P型半导体层；

S3、对LED芯片边缘区域的P型半导体层进行处理，形成高补偿的电隔离区域；

S4、在P型半导体层上制备P型电极层；

S5、制备键合金属层，并将所述外延层与基板键合；

S6、去除LED外延片的衬底，对N型半导体层进行粗化，制备N型电极层。

优选的，在所述步骤S3中，所制备LED芯片的边缘区域形成电隔离区域的方法为：对P型半导体层的表面以离子轰击的方式破坏空穴浓度，进行离子轰击方式所采用的离子源选自下列元素的离子：H(氢)、He(氦)、N(氮)、F(氟)、Mg(镁)、Ar(氩)、Zn(锌)、 O(氧)、Ti(钛)、Fe(铁)、Cr(铬)、Mn(锰)或Co(钴)中的任意一种或多种；离子轰击的离子能量从10KeV到1000KeV。

优选的，在所述步骤S3中，所制备LED芯片的边缘区域形成电隔离区域的方法为：对P型半导体层的表面通过离子注入，补偿电子实现电隔离。

优选的，在所述步骤S4中，P型电极层的制备方法，包括以下步骤：

A．在P型半导体层上制备介质层；

B．利用光刻图形化方法，结合湿法腐蚀或干法刻蚀工艺，在介质层上实现小孔结构的制备；

C．在步骤B的基础上利用电子束蒸发、热蒸镀或溅射方式制备P型电极层。

与现有技术相比，本发明有益效果包括：

本发明通过引入介质层，结合P型电极层，能够对有源层往所述P型半导体层上发射的光进行反射，提高出光效率。通过调整介质层表面的小孔边缘到台面边缘的距离，结合芯片边缘区域设置的电隔离区域，可以调制电流扩展，限制电流部分远离表面缺陷，减弱载流子在侧壁面的非辐射复合，最终可以提高GaN基微型 LED芯片的电光转换效率。

附图说明

图1为本发明提供的InGaN微型LED外延结构示意图；

图2为本发明提供的InGaN 微型LED芯片的小孔制备的示意图；

图3为本发明提供的InGaN 微型LED芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例1步骤D的介质层的俯视示意图；

图5为本发明实施例2步骤D的介质层的俯视示意图；

图6为本发明实施例3步骤D的介质层的俯视示意图；

其中，附图标记为：

101-一次衬底，102-N型半导体层，103-有源层，104-P型半导体层，201-基板，202-键合金属层，203- P型电极层，204-电隔离区域，205-介质层，206-小孔，207- N面钝化层，208-N型电极层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

实施例1：

一种InGaN微型LED芯片的制备方法，芯片尺寸为40*40μm2，包括以下步骤：

A、首先利用常规的MOCVD生长方法制备InGaN LED外延材料，如图1所示，在一次衬底101上依次生长N型半导体层102、有源层103和P型半导体层104；

B、对P型半导体层104上设置的区域204表面以离子轰击的方式形成电隔离区域，进行离子轰击方式所采用的离子源N(氮)，离子轰击的离子能量为20KeV，所述区域边缘到台面边缘的距离D1等于3μm；

C、在P型半导体层104上沉积105nm SiO2的介质层205；

D、利用光刻图案化，并采用湿法腐蚀工艺，制备得到小孔206，在介质层205上设有4个小孔206，分布在介质层205表面，小孔206边缘到台面边缘的距离D2等于8μm，介质层205的俯视图如图4所示；

E、利用电子束蒸发设备蒸镀P型电极层203，所述P型电极层203为200nm厚度的NiAg；

F、然后将一次衬底101和基板201（基板201可以是Si、GaN、SiC或蓝宝石）通过键合金属层202键合在一起，再利用湿法腐蚀工艺去除一次衬底101，进行粗化处理，用磷酸对N型半导体层102进行去边腐蚀、制备N面钝化层207，最后在N型半导体层102上制备N型电极层208，N型电极层208的材料为CrPtAu，厚度为1μm。

实施例2:

一种InGaN 微型LED芯片的制备方法，芯片尺寸为15*30μm2，包括以下步骤：

A、首先利用常规的MOCVD生长方法制备InGaN LED外延材料，如图1所示，在一次衬底101上依次生长N型半导体层102、有源层103和P型半导体层104；

B、对P型半导体层104上设置的区域204表面以离子轰击的方式形成高电阻区域。进行离子轰击方式所采用的离子源Ar(氩)，离子轰击的离子能量为10KeV，所述区域边缘到台面边缘的距离D1等于2μm；

C、在P型半导体层104上沉积90nm MgF2的介质层205；

D、利用光刻图案化，并采用湿法腐蚀工艺，制备得到小孔206，介质层205上设有2个小孔206，分布在介质层205表面，小孔206边缘到台面边缘的距离D2等于5μm，介质层205的俯视图如图5所示；

E、利用电子束蒸发设备蒸镀P型电极层203，所述P型电极层203为150nm厚度的NiAu；

F、然后将一次衬底101和基板201（基板201可以是Si、GaN、SiC或蓝宝石）通过键合金属层202键合在一起，再利用湿法腐蚀工艺去除一次衬底101，进行粗化处理，用磷酸对N型半导体层102进行去边腐蚀、制备N面钝化层207，最后在N型半导体层102上制备N型电极层208，N型电极层208材料为Al，厚度为1μm。

实施例3:

一种InGaN 微型LED芯片的制备方法，芯片尺寸为10*10μm2，包括以下步骤：

A、首先利用常规的MOCVD生长方法制备InGaN LED外延材料，如图1所示，在一次衬底101上依次生长N型半导体层102、有源层103和P型半导体层104；

B、对P型半导体层104上设置的区域204表面以离子注入的方式形成电隔离区域，进行离子注入方式所采用的离子源为F(氟)，离子注入的离子能量为100KeV，所述区域边缘到台面边缘的距离D1等于1μm；

C、在P型半导体层104上沉积100nm Si3N4的介质层205；

D、利用光刻图案化，并采用湿法腐蚀工艺，制备得到小孔206，介质层205上设有1个小孔206，小孔206边缘到台面边缘的距离D2等于3μm，介质层205的俯视图如图6所示；

E、利用电子束蒸发设备蒸镀P型电极层203，所述P型电极层203为200nm厚度的NiAg；

F、然后将一次衬底101和基板201（基板201可以是Si、GaN、SiC或蓝宝石）通过键合金属层202键合在一起，再利用湿法腐蚀工艺去除一次衬底101，进行粗化处理，用磷酸对N型半导体层102进行去边腐蚀，制备N面钝化层207，最后在N型半导体层102上制备N型电极层208，N型电极层208材料为CrPtAu，厚度为1.5μm。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种GaN基微型LED芯片，所述LED芯片从下至上依次包括：基板、键合金属层、P型电极层、介质层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极层；其特征在于：所述LED芯片的径向尺寸在40μm以下，在所述介质层上设有小孔，P型电极层通过小孔与P型半导体层接触；将LED芯片的边缘至距边缘一定距离的P型半导体层设置为电隔离区域，这个距离记为D1，0μm≤D1≤4μm；所述小孔边缘到台面边缘的距离记为D2，0μm≤D2≤10μm。

2.根据权利要求1所述的GaN基微型LED芯片，其特征在于：所述电隔离区域的P型半导体层为高补偿材料。

3.根据权利要求1所述的GaN基微型LED芯片，其特征在于：所述介质层在空气中的折射率小于2，介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铟锡、氟化镁中的任意一种或多种，介质层的厚度为1nm-1000nm。

4.根据权利要求1所述的GaN基微型LED芯片，其特征在于：在介质层上设有的小孔为一个以上，分布在介质层的表面。

5.根据权利要求1所述的GaN基微型LED芯片，其特征在于：所述P型电极层的材料兼具高光反射率和低接触电阻，为Ag金属单层或Au金属单层，或者为NiAg、NiAu、AuBe或AuZn合金中的任意一种或多种。

6.一种GaN基微型 LED芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、在所述衬底的主表面上形成发光外延层，依次层叠设置于所述衬底的主表面上的N型半导体层、有源层以及P型半导体层；

S3、对LED芯片边缘区域的P型半导体层进行处理，形成高补偿的电隔离区域；所述电隔离区域内侧距芯片边缘的距离记为D1，0μm≤D1≤4μm；

S4、在P型半导体层上制备介质层，在介质层上制备小孔结构，所述小孔边缘到台面边缘的距离记为D2，0μm≤D2≤10μm；在此基础上制备P型电极层；

S5、制备键合金属层，并将所述外延层与基板键合；

S6、去除LED外延片的衬底，对N型半导体层进行粗化，制备N型电极层。

7.根据权利要求6所述的GaN基微型 LED芯片的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所制备LED芯片的边缘区域形成电隔离区域的方法为：对P型半导体层的表面以离子轰击的方式破坏空穴浓度，进行离子轰击方式所采用的离子源选自下列元素的离子：H、He、N、F、Mg、Ar、Zn、 O、Ti、Fe、Cr、Mn或Co中的任意一种或多种；离子轰击的离子能量从10KeV到1000KeV。

8.根据权利要求6所述的GaN基微型 LED芯片的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所制备LED芯片的边缘区域形成电隔离区域的方法为：对P型半导体层的表面通过离子注入，补偿电子实现电隔离。

9.根据权利要求6所述的GaN基微型 LED芯片的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，P型电极层的制备方法，包括以下步骤：

A．在P型半导体层上制备介质层；

B．利用光刻图形化方法，结合湿法腐蚀或干法刻蚀工艺，在介质层上实现小孔结构的制备；

C．在步骤B的基础上利用电子束蒸发、热蒸镀或溅射方式制备P型电极层。