CN114649451B - 红光Micro-LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红光Micro‑LED及其制备方法，所述红光Micro‑LED以LED外延片为载体，包括自下而上依次连接设置的衬底层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层，所述n型GaN层、所述InGaN/GaN超晶格层、所述InGaN/GaN多量子阱层、所述AlGaN电子阻挡层和所述p型GaN层形成所述红光Micro‑LED的p‑n结。本发明能够提高红光Micro‑LED的发光效率和偏振度，在高分辨率显示、增强现实/虚拟现实和军事航天等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种红光Micro-LED及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
由于具有低功耗、响应速度快、高亮度、寿命长和宽工作温度范围等显著优势，微型发光二极管（Micro-LED）被认为是颠覆性的终极显示技术，在高分辨率显示、增强现实（AR）/ 虚拟现实（VR）、光通信、生物医学检测和军事航天等领域有着广泛的应用前景，其发展前景得到科研界和产业界的普遍认可。随着Micro-LED显示技术的不断发展，其产业化也越发受到国内外大公司的关注，苹果、三星、京东方、华星光电、国星光电、友达光电等国内外知名公司纷纷投入巨额资金到Micro-ELD的技术研发中。
然而，推动Micro-LED产业化在巨量转移和全彩化等方面仍存在技术挑战，目前Micro-LED全彩化主要为巨量转移RGB三原色LED和蓝光LED配合荧光物质颜色转化。目前基于AlGaInP材料体系的红光Micro-LED在常规芯片尺寸下的外量子效率高达60%以上，但是当芯片尺寸缩小到微米量级时，受制于芯片侧壁的高表面复合效应和高载流子寿命，其外量子效率会急剧降低到1%以下。另外，AlGaInP材料较差的力学性能给巨量转移增加了新的困难，而且和InGaN基蓝光、绿光Micro-LED存在兼容问题。
InGaN材料具有较好机械稳定性和较短空穴扩散长度，同时又能与InGaN基绿光、蓝光micro-LED兼容，因此红光micro-LED是Micro-LED全彩化的理想选择。然而，InN很容易从高In组分InGaN合金中析出，这将导致红光量子阱中的非辐射复合增加，从而引起量子效率严重降低。自从日本日亚公司首次实现InGaN基红光Micro-LED以来，经过20多年的发展，红光Micro-LED的外量子效率仍不到3%，这远低于蓝绿光LED的外量子效率，严重阻碍红绿蓝三基色集成的白光LED技术的发展，因此，如何获得高效InGaN基红光Micro-LED是Micro-LED产业化发展和大规模应用的关键。
有鉴于此，确有必要对现有的红光Micro-LED及其制备方法提出改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红光Micro-LED及其制备方法，通过在红光Micro-LED中嵌入金属/半导体纳米光栅复合结构，提高红光Micro-LED的发光效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种红光Micro-LED，所述红光Micro-LED以LED外延片为载体，包括自下而上依次连接设置的衬底层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层，所述n型GaN层、所述InGaN/GaN超晶格层、所述InGaN/GaN多量子阱层、所述AlGaN电子阻挡层和所述p型GaN层形成所述红光Micro-LED的p-n结。
作为本发明的进一步改进，所述红光Micro-LED还包括p型电极、n型电极和p型区域，所述p型区域由所述p型GaN层经过刻蚀后形成，所述p型区域上设置有与p型电极相连的电流扩展层。
作为本发明的进一步改进，所述n型GaN层上设有刻蚀出的n型台面，所述n型电极设置在所述n型台面上，且所述n型台面设置有二氧化硅隔离层，所述p型电极设置在所述二氧化硅隔离层上并与电流扩展层相连。
作为本发明的进一步改进，所述p型电极和所述n型电极的电极材料为铬/金，所述电流扩展层的材料为镍/金。
作为本发明的进一步改进，所述红光Micro-LED在所述p型区域中还设有一维的光栅结构，所述光栅结构从所述p型GaN层的表面延伸至所述AlGaN电子阻挡层的表面。
作为本发明的进一步改进，所述InGaN/GaN多量子阱层中，存在0.30≤In组分≤0.50，所述InGaN/GaN多量子阱层的发光波长位于580～680 nm，多量子阱的周期数为5～10个，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10～20 nm，所述p型GaN层的厚度为100～200 nm。
为实现上述目的，本发明还提供了一种红光Micro-LED的制备方法，用于制备如上所述的红光Micro-LED，主要包括以下步骤：
步骤1、利用气相外延生长技术生长LED外延片；在衬底层上依次生长非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；
步骤2、利用电子束蒸发技术在LED外延片上蒸镀Ni/Au，使LED外延片的表面上形成电流扩展层；
步骤3、在LED外延片上依次旋涂电子束胶，以形成双层电子束胶，利用电子束曝光技术定义光栅结构的位置；
步骤4、以双层电子束胶为掩模，采用感应耦合等离子体刻蚀技术，将光栅结构转移到p型GaN层上；
步骤5、采用电子束蒸发技术在LED外延片表面蒸镀一层铝金属层，然后采用剥离工艺去掉LED外延片表面的剩余的电子束光刻胶和铝金属层，在p型GaN层光栅结构的底部形成铝光栅，得到金属/半导体纳米光栅复合结构；
步骤6、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至InGaN/GaN超晶格层，以露出p型台面；
步骤7、再次利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的n型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至n型GaN层，露出n型台面；
步骤8、在LED外延片表面生长二氧化硅，然后通过光刻定义二氧化硅所在区域作为所述红光Micro-LED的隔离层，采用反应离子刻蚀工艺得到二氧化硅隔离层；
步骤9、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型电极与n型电极，利用电子束蒸发技术蒸镀Cr/Au层作为p型电极与n型电极，其中p型电极蒸镀在二氧化硅隔离层上，并与电流扩展层部分重叠，n型电极蒸镀在n型GaN层的台面上。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，所述LED外延片表面与电子束蒸发方向的倾斜角度为45°，所述电流扩展层通过在550℃下的空气氛围中快速退火制备而成。
作为本发明的进一步改进，在步骤3中，所述双层电子束胶的厚度为400nm，所述光栅结构的周期为440～540 nm，深度为100～200 nm，厚度为10～30 nm。
作为本发明的进一步改进，在步骤4中，所述p型GaN层在刻蚀时，所述刻蚀深度与所述p型GaN层的厚度相同。
本发明的有益效果是：本发明利用金属/半导体纳米光栅复合结构产生表面等离激元，与多量子阱产生共振耦合作用，增强量子阱的自发辐射复合速率，进而提高红光Micro-LED的发光效率；同时，金属/半导体纳米光栅复合结构可将红光Micro-LED内因大于全内反射角而不能辐射出去的光通过与光栅的相互耦合转化而辐射出去，并可控制辐射光的出射方向；此外，由于表面等离激元的本征偏振特性，红光Micro-LED辐射的光也具有偏振特性，在高分辨率显示、增强现实/虚拟现实和军事航天等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明红光Micro-LED的主视图。
图2是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤1所得的红光Micro-LED结构示意图。
图3是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤2所得的红光Micro-LED结构示意图。
图4是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤3所得的红光Micro-LED结构示意图。
图5是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤4所得的红光Micro-LED结构示意图。
图6是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤5所得的红光Micro-LED结构示意图。
图7是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤6所得的红光Micro-LED结构示意图。
图8是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤7所得的红光Micro-LED结构示意图。
图9是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤8所得的红光Micro-LED结构示意图。
图10是本发明红光Micro-LED的制备方法中步骤9所得的红光Micro-LED结构示意图。
附图标记：
1-衬底层；2-非掺杂GaN层；3-n型GaN层；4- InGaN/GaN超晶格层；5-InGaN/GaN多量子阱层；6-AlGaN电子阻挡层；7-p型GaN层；8-铝光栅；9-二氧化硅隔离层；10-Cr/Au层；11-电流扩展层；12-双层电子束胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者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过程、方法、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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如图1至图10所示，本发明提供了一种具有高亮度、高偏振度的红光Micro-LED，所述红光Micro-LED以LED外延片为载体，尺寸为10 μm× 10 μm～100 μm × 100 μm，包括衬底层1、非掺杂GaN层2、n型GaN层3、InGaN/GaN超晶格层4、InGaN/GaN多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层6和p型GaN层7，其中，所述非掺杂GaN层2设置在所述衬底层1上，所述n型GaN层3设置在所述非掺杂GaN层2上，所述InGaN/GaN超晶格层4设置在所述n型GaN层3上，所述InGaN/GaN多量子阱层5设置在所述InGaN/GaN超晶格层4上，所述AlGaN电子阻挡层6设置在所述InGaN/GaN多量子阱层5上，所述p型GaN层7设置在所述AlGaN电子阻挡层6上，即，衬底层1、非掺杂GaN层2、n型GaN层3、InGaN/GaN超晶格层4、InGaN/GaN多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层6和p型GaN层7自下而上依次设置。
所述n型GaN层3、所述InGaN/GaN超晶格层4、所述InGaN/GaN多量子阱层5、所述AlGaN电子阻挡层6和所述p型GaN层7自下而上构成所述红光Micro-LED的p-n结，所述红光Micro-LED包括p型电极、n型电极和p型区域，其中，p型区域由所述p型GaN层7经过刻蚀后形成，在所述p型区域上，即所述p型GaN层7的表面设置有与p型电极相连的电流扩展层11，所述n型GaN层3上设有刻蚀出的n型台面，所述n型台面上设置有二氧化硅隔离层9和所述n型电极，并且p型电极设置在所述二氧化硅隔离层9上并与电流扩展层11相连。所述n型台面设置在n型GaN层3上，所述p型电极和所述n型电极的电极材料优选为铬/金(Cr/Au)。
在上述实施例中，所述电流扩展层11的材料优选为镍/金(Ni/Au)，所述电流扩展层11通过在550℃下的空气氛围中快速退火制备而成。
所述红光Micro-LED在p型GaN层7中的p型区域还设有一维的光栅结构，所述光栅结构从p型GaN层7的表面延伸至AlGaN电子阻挡层6的表面，即，所述光栅结构的深度和p型GaN层7的厚度一致，所述光栅结构的占空比为0.5，所述光栅结构与所述InGaN/GaN多量子阱层5之间通过所述AlGaN电子阻挡层6分隔。较佳地，所述光栅结构可由金属蒸镀而成，且所述光栅结构的底部还可设有一维金属光栅。所述光栅结构的周期为440～540 nm，深度为100～200 nm，厚度为10～30 nm。
在所述InGaN/GaN多量子阱层5中，存在0.30≤In组分≤0.50，所述InGaN/GaN多量子阱层5的发光波长位于580～680 nm，多量子阱的周期数为5～10个，AlGaN电子阻挡层6的厚度为10～20 nm，p型GaN层7的厚度为100～200 nm。
作为本发明的可选实施例，本发明还提供了一种红光Micro-LED的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤1、利用气相外延生长技术生长LED外延片；在衬底层1上依次生长非掺杂GaN层2、n型GaN层3、InGaN/GaN超晶格层4、InGaN/GaN多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层6和p型GaN层7，以制备InGaN/GaN多量子阱LED外延片；其中，InGaN/GaN多量子阱LED外延片中In组分为0.4，发光波长为630nm，InGaN/GaN多量子阱层5的周期数为5，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为12 nm；AlGaN电子阻挡层6的厚度为10 nm；p型GaN层7的厚度为200nm；
步骤2、利用电子束蒸发技术（PVD）在LED外延片上蒸镀Ni/Au（5/5 nm），其中，LED外延片表面与电子束蒸发方向的倾斜角度为45°，然后在550℃下的空气氛围中快速退火，使LED外延片的表面上形成电流扩展层11；
步骤3、在LED外延片上依次旋涂电子束胶PMGI和ZEP520A，以形成双层电子束胶12，所述双层电子束胶12的厚度为400nm，利用电子束曝光技术定义光栅结构的位置，光栅结构的周期为490 nm，占空比为0.5，曝光区域的大小为60 μm× 60 μm；
步骤4、以双层电子束胶12为掩模，采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术，将光栅结构转移到p型GaN层7上，控制p型GaN层7的刻蚀深度与所述p型GaN层的厚度相同，使得光栅结构的底部距离InGaN/GaN多量子阱层5的距离为10 nm；
步骤5、采用电子束蒸发技术在LED外延片表面蒸镀一层铝（Al）金属层，厚度为30nm，然后采用剥离工艺（ZEP剥离液）去掉LED外延片表面的剩余的电子束光刻胶和铝金属层，在p型GaN层7的光栅结构的底部形成铝光栅8，得到金属/半导体纳米光栅复合结构，其中，铝光栅8的周期为490 nm，占空比0.5；
步骤6、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至InGaN/GaN超晶格层4，以露出p型台面，p型台面的大小为60 μm× 60 μm；
步骤7、再次利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的n型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至n型GaN层3，露出n型台面；
步骤8、在LED外延片表面生长二氧化硅，厚度为200nm，然后通过光刻定义二氧化硅所在区域作为所述红光Micro-LED的隔离层，采用反应离子刻蚀（RIE）刻蚀工艺得到二氧化硅隔离层9；
步骤9、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型电极与n型电极，利用电子束蒸发技术蒸镀Cr/Au（50/200 nm）层10作为p型电极与n型电极，其中p型电极蒸镀在二氧化硅隔离层9上，并与电流扩展层11部分重叠，n型电极蒸镀在n型GaN层3的台面上。
综上所述，本发明利用金属/半导体纳米光栅复合结构产生表面等离激元，与多量子阱产生共振耦合作用，增强量子阱的自发辐射复合速率，进而提高红光Micro-LED的发光效率；同时，金属/半导体纳米光栅复合结构可将红光Micro-LED内因大于全内反射角而不能辐射出去的光通过与光栅的相互耦合转化而辐射出去，并可控制辐射光的出射方向；此外，由于表面等离激元的本征偏振特性，红光Micro-LED辐射的光也具有偏振特性，在高分辨率显示、增强现实/虚拟现实和军事航天等领域具有广泛的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种红光Micro-LED的制备方法，其特征在于：主要包括以下步骤：步骤1、利用气相外延生长技术生长LED外延片；在衬底层上依次生长非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；步骤2、利用电子束蒸发技术在LED外延片上蒸镀Ni/Au，使LED外延片的表面上形成电流扩展层；步骤3、在LED外延片上依次旋涂电子束胶，以形成双层电子束胶，利用电子束曝光技术定义光栅结构的位置；步骤4、以双层电子束胶为掩模，采用感应耦合等离子体刻蚀技术，将光栅结构转移到p型GaN层上；步骤5、采用电子束蒸发技术在LED外延片表面蒸镀一层铝金属层，然后采用剥离工艺去掉LED外延片表面剩余的电子束光刻胶和铝金属层，在p型GaN层光栅结构的底部形成铝光栅，得到金属/半导体纳米光栅复合结构；步骤6、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至InGaN/GaN超晶格层，以露出p型台面；步骤7、再次利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的n型台面，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀LED外延片，并向下贯穿至n型GaN层，露出n型台面；步骤8、在LED外延片表面生长二氧化硅，然后通过光刻定义二氧化硅所在区域作为所述红光Micro-LED的隔离层，采用反应离子刻蚀工艺得到二氧化硅隔离层；步骤9、利用光刻对准技术定义红光Micro-LED的p型电极与n型电极，利用电子束蒸发技术蒸镀Cr/Au层作为p型电极与n型电极，其中p型电极蒸镀在二氧化硅隔离层上，并与电流扩展层部分重叠，n型电极蒸镀在n型GaN层的台面上。
2.根据权利要求1所述的红光Micro-LED的制备方法，其特征在于：在步骤2中，所述LED外延片表面与电子束蒸发方向的倾斜角度为45°，所述电流扩展层通过在550℃下的空气氛围中快速退火制备而成。
3. 根据权利要求1所述的红光Micro-LED的制备方法，其特征在于：在步骤3中，所述双层电子束胶的厚度为400nm，所述光栅结构的周期为440～540 nm，深度为100～200 nm，厚度为10～30 nm。
4.根据权利要求1所述的红光Micro-LED的制备方法，其特征在于：在步骤4中，所述p型GaN层在刻蚀时，所述刻蚀深度与所述p型GaN层的厚度相同。
5.一种红光Micro-LED，其特征在于：应用如权利要求1-4中任一项所述的红光Micro-LED的制备方法进行制备，所述红光Micro-LED以LED外延片为载体，包括自下而上依次连接设置的衬底层、非掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN超晶格层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层，所述n型GaN层、所述InGaN/GaN超晶格层、所述InGaN/GaN多量子阱层、所述AlGaN电子阻挡层和所述p型GaN层形成所述红光Micro-LED的p-n结。
6.根据权利要求5所述的红光Micro-LED，其特征在于：所述红光Micro-LED还包括p型电极、n型电极和p型区域，所述p型区域由所述p型GaN层经过刻蚀后形成，所述p型区域上设置有与p型电极相连的电流扩展层。
7.根据权利要求6所述的红光Micro-LED，其特征在于：所述n型GaN层上设有刻蚀出的n型台面，所述n型电极设置在所述n型台面上，且所述n型台面设置有二氧化硅隔离层，所述p型电极设置在所述二氧化硅隔离层上并与电流扩展层相连。
8.根据权利要求6所述的红光Micro-LED，其特征在于：所述p型电极和所述n型电极的电极材料为铬/金，所述电流扩展层的材料为镍/金。
9.根据权利要求6所述的红光Micro-LED，其特征在于：所述红光Micro-LED在所述p型区域中还设有一维的光栅结构，所述光栅结构从所述p型GaN层的表面延伸至所述AlGaN电子阻挡层的表面。
10. 根据权利要求5所述的红光Micro-LED，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱层中，存在0.30≤In组分≤0.50，所述InGaN/GaN多量子阱层的发光波长位于580～680 nm，多量子阱的周期数为5～10个，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10～20 nm，所述p型GaN层的厚度为100～200 nm。
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