CN116387417A - 一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过模波导提高光取出效率的Micro‑LED芯片，依次包括氮化镓形核层、n型氮化镓层、导光层、多量子阱层和p型氮化镓层。所述导光层为具有一个个圆柱形槽的SiO2层、和在所述圆柱形槽内的柱状氮化镓层。本发明在氮化镓多量子阱层引入导光层层，解决了氮化镓折射率很高所导致的出光损耗问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体射频微电子相关技术领域，具体涉及一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片及其制备方法。
背景技术
Micro LED显示技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。由于micro LED芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点,在显示方面与LCD、OLED相比在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。
氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)因氮化镓材料具有禁带宽度大、击穿电场强度大、载流子饱和迁移率高等优点，已被广泛应用于高温、高频、高压、大功率等电力电子器件领域。
目前，主流的几种制作氮化镓增强型器件的技术包括栅极凹槽、氟离子注入和p型氮化镓栅极等。栅极凹槽技术需要用到刻蚀工艺，而刻蚀工艺带来的损伤会导致栅极漏电增加且阈值电压不均匀；采用氟离子注入技术会有高场和高温应力下阈值电压的稳定性差的问题；p型氮化镓栅极技术需要额外生长一层p型氮化镓外延，此技术成本较高，p型氮化镓的生长均匀性和镁(Mg)激活是该技术的难点，而且需要刻蚀去除栅极区域以外部分的p型氮化镓，该过程同样会带来刻蚀损伤，导致晶体管界面特性变差，同时，p型氮化镓栅极耐压较低，通常小于+7V，这增加了电路设计的难度。
当在pn结上加电压时,电子和空穴被注入到空间电荷区,成为过剩少子。这些过剩少子扩散到中性区并与多数载流子复合。如果这个复合是直接的带与带间的复合,就有光子发射。Micro-LED的一个非常重要的参数是外量子效率。产生的光子实际上是从半导体发出的。外量子效率通常是一个比内量子效率小得多的数。一-旦光子在半导体中产生,光子就有可能遇到三种损耗机制:光子在半导体里被吸收、菲涅耳损耗以及临界角损耗。临界角损耗的原因，半导体中光子以大于临界角的角度入射到界面,则全部都是内反射其中因为氮化镓的折射率很高为2.2，因此氮化镓基Micro-LED芯片的临界角损耗是外量子效率低于内量子效率的重要原因。
发明内容
本发明的目的是在氮化镓多量子阱层引入导光层层，解决了氮化镓折射率很高所导致的出光损耗问题，本发明提供技术方案如下：
一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，具体工艺：
步骤一：形核层GaN生长
使用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长无掺杂的氮化镓形核层，厚度约为1-3微米，
步骤二：n型GaN生长
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂的Si的n型氮化镓厚度2-4微米，
步骤三：刻蚀SiO2薄膜层
首先采用丙酮、乙醇和去离子水对样品进行超声清洗，去除表面有机污染物；在洗净后的样品表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长一层厚度为100-200nm的SiO2薄膜层，
采用匀胶机将AZ1500光刻胶旋涂于样品表面，通过标准的光刻及显影工艺使得留在SiO2薄膜层表面的光刻胶形成为直径为5-10nm的小圆柱；
利用反应离子刻蚀技术通入O2去除圆柱外边的残胶，再通入CF4利用上一步制备的光刻胶图案作为掩膜刻蚀SiO2，将光刻胶形成的一个个圆柱形图案转移至SiO2薄膜层上，
再通过丙酮和氢氟酸对表面残余的光刻胶和圆柱形外边的SiO2进行清除，使得SiO2薄膜层形成具有一个个圆柱形凹槽的SiO2层，
步骤四：导光层生长
使用MOCVD技术在圆柱形凹槽内生长掺杂Si的n型氮化镓作为导光层。
步骤五：多量子阱层沉积
先除气，除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后开启Ga和Si源炉的挡板进行InGaN层、n-GaN层周期性生长，
步骤六：继续沉积p型氮化镓
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂Mg的p型氮化镓。
优选地，所述除气过程包括两次分阶段除气，第一阶段除气为将样品衬底送至MBE送样室进行时长为0.5-2h、温度为50-100℃的除气工作；完成后将样品送入样品预处理室，进行时长为1-3h、温度为500 -800℃的第二阶段除气。
优选地，除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后间隔开启Ga和Si源炉的挡板进行时长为0.5-1分钟的InGaN层、10 -15分钟的n-GaN层周期性生长。
优选地，InGaN层厚度为2-3nm,n-GaN层的厚度为15-20nm，InGaN层和n-GaN层各持续90个周期生长。
优选地，所述掺杂Mg的p型氮化镓厚度为400-500nm。
一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片，依次包括氮化镓形核层、n型氮化镓层、导光层、多量子阱层和p型氮化镓层。
进一步，所述导光层为具有一个个圆柱形槽的SiO2层、和在所述圆柱形槽内的柱状氮化镓层。
本发明在氮化镓多量子阱层引入导光层层，解决了氮化镓折射率很高所导致的出光损耗问题。
附图说明
图1是本发明通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和申请专利范围，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，具体工艺：
步骤一：形核层GaN生长
使用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长无掺杂的氮化镓形核层，厚度约为2微米，
步骤二：n型GaN生长
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂的Si的n型氮化镓厚度3微米，
步骤三：刻蚀SiO2薄膜层
首先采用丙酮、乙醇和去离子水对样品进行超声清洗，去除表面有机污染物；在洗净后的样品表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长一层厚度为150nm的SiO2薄膜层，
采用匀胶机将AZ1500光刻胶旋涂于样品表面，通过标准的光刻及显影工艺使得留在SiO2薄膜层表面的光刻胶形成为直径为8nm的小圆柱；
利用反应离子刻蚀技术通入O2去除圆柱外边的残胶，再通入CF4利用上一步制备的光刻胶图案作为掩膜刻蚀SiO2，将光刻胶形成的一个个圆柱形图案转移至SiO2薄膜层上，
再通过丙酮和氢氟酸对表面残余的光刻胶和圆柱形外边的SiO2进行清除，使得SiO2薄膜层形成具有一个个圆柱形凹槽的SiO2层，
步骤四：导光层生长
使用MOCVD技术在圆柱形凹槽内生长掺杂Si的n型氮化镓作为导光层，n型氮化镓刚好填满整个圆柱形凹槽。
步骤五：多量子阱层沉积
先除气，除气过程包括两次分阶段除气，因为氮化镓不能在介电层上生长，所以只能沉积在n型GaN上。第一阶段除气为将样品衬底送至MBE送样室进行时长为1h、温度为80℃的除气工作；完成后将样品送入样品预处理室，进行时长为5h、温度为600℃的第二阶段除气。
除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后开启Ga和Si源炉的挡板进行InGaN层、n-GaN层周期性生长。具体过程为：除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后间隔开启Ga和Si源炉的挡板进行时长为0.5分钟的InGaN层、10分钟的n-GaN层周期性生长。
单次生长InGaN层厚度为2nm,单次生长n-GaN层的厚度为17nm，InGaN层和n-GaN层各持续90个周期生长。
步骤六：继续沉积p型氮化镓
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂Mg的p型氮化镓，掺杂Mgp型氮化镓厚度为450nm。
一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片，依次包括氮化镓形核层5、n型氮化镓层4、导光层3、多量子阱层2和p型氮化镓层1。
导光层为具有一个个圆柱形槽的SiO2层、和在所述圆柱形槽内的柱状氮化镓层31。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请权利要求的范畴内。
Claims (8)
1.一种通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，具体工艺：
步骤一：形核层GaN生长
使用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长无掺杂的氮化镓形核层，厚度约为1-3微米，
步骤二：n型GaN生长
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂的Si的n型氮化镓厚度2-4微米，
步骤三：刻蚀SiO2薄膜层
首先采用丙酮、乙醇和去离子水对样品进行超声清洗，去除表面有机污染物；在洗净后的样品表面采用等离子体增强化学气相沉积法生长一层厚度为100-200nm的SiO2薄膜层，
采用匀胶机将AZ1500光刻胶旋涂于样品表面，通过标准的光刻及显影工艺使得留在SiO2薄膜层表面的光刻胶形成为直径为5-10nm的小圆柱；
利用反应离子刻蚀技术通入O2去除圆柱外边的残胶，再通入CF4利用上一步制备的光刻胶图案作为掩膜刻蚀SiO2，将光刻胶形成的一个个圆柱形图案转移至SiO2薄膜层上，
再通过丙酮和氢氟酸对表面残余的光刻胶和圆柱形外边的SiO2进行清除，使得SiO2薄膜层形成具有一个个圆柱形凹槽的SiO2层，
步骤四：导光层生长
使用MOCVD技术在圆柱形凹槽内生长掺杂Si的n型氮化镓作为导光层。
2.根据权利要求1所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，还包括
步骤五：多量子阱层沉积
先除气，除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后开启Ga和Si源炉的挡板进行InGaN层、n-GaN层周期性生长，
步骤六：继续沉积p型氮化镓
使用MOCVD技术在氮化镓形核层上继续生长掺杂Mg的p型氮化镓。
3.根据权利要求2所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，所述除气过程包括两次分阶段除气，第一阶段除气为将样品衬底送至MBE送样室进行时长为0.5-2h、温度为50-100℃的除气工作；完成后将样品送入样品预处理室，进行时长为1-3h、温度为500-800℃的第二阶段除气。
4.根据权利要求2所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，除气完毕之后，将样品送至生长腔室，待其升温至生长温度后间隔开启Ga和Si源炉的挡板进行时长为0.5-1分钟的InGaN层、10-15分钟的n-GaN层周期性生长。
5.根据权利要求4所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，InGaN层厚度为2-3nm,n-GaN层的厚度为15-20nm，InGaN层和n-GaN层各持续90个周期生长。
6.根据权利要求2所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片的制备方法，其特征在于，所述掺杂Mg的p型氮化镓厚度为400-500nm。
7.根据权利要求2所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片，其特征在于，依次包括氮化镓形核层(5)、n型氮化镓层(4)、导光层(3)、多量子阱层(2)和p型氮化镓层(1)。
8.根据权利要求7所述的通过模波导提高光取出效率的Micro-LED芯片，其特征在于，所述导光层为具有一个个圆柱形槽的SiO2层、和在所述圆柱形槽内的柱状氮化镓层(31)。
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