CN117096236B - 一种共振腔结构红光led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED芯片技术领域，具体涉及一种共振腔结构红光LED芯片及其制作方法。本申请提供的具有共振腔结构的红光LED芯片结构，通过台阶状蚀刻槽将外延结构分隔成发光部和支撑部进行分区，并限定蚀刻槽的最大蚀刻深度达到N型限制层的下表面至GaAs衬底的上表面。能够防止发光部区域的电流流至支撑部，发光部的发光亮度更大。被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料进行平坦化处理，可有效改善LED漏光、通体发光的问题，并可起到降低电容和提高LED器件散热的效果。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片技术领域，具体涉及一种共振腔结构红光LED芯片及其制作方法。
背景技术
共振腔结构LED光源体积小、质量轻、寿命长、无污染、发光效率高，工艺简单，根据需要可调节光源形状，已广泛应用于光通信、光测量、光电子学和生物医学等领域。共振腔结构LED与传统LED相比具有更窄的发光谱带宽，具有很好的单色性，因共振腔受温度等外界因素影响很小，使其具有很好的波长稳定性。但是，现有的共振腔结构LED容易存在漏光、通体发光亦或是发光亮度偏低的情况，使其无法得到很好的应用。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种共振腔结构红光LED芯片，能够解决现有的共振腔红光LED存在漏光、通体发光以及发光亮度偏低的技术问题。
本发明的第二目的是提供一种共振腔结构红光LED芯片的制作方法，该方法能够制备获得上述共振腔结构红光LED芯片，能够解决现有的共振腔红光LED存在漏光、通体发光以及发光亮度偏低的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供的技术方案是：
本发明的第一方面是提供一种共振腔结构红光LED芯片，所述LED芯片包括GaAs衬底，以及堆叠设置在所述GaAs衬底上表面的外延结构；
所述外延结构从下至上依次包括：
GaAs缓冲层、N型DBR层、N型限制层、N型波导层、MQW发光层、P型波导层、P型限制层、氧化限制层、P型DBR层、过渡层、P型窗口层和二氧化硅介质膜层；
其中，所述外延结构的上表面中部向下开设有前后贯通的蚀刻槽，所述蚀刻槽开口向上，所述蚀刻槽将所述外延结构分隔成左右设置的发光部和支撑部；所述蚀刻槽由依次相连的左纵向端面、平底面和右纵向端面组成；所述左纵向端面和所述右纵向端面均为台阶状；所述左纵向端面的上沿与所述右纵向端面的上沿的水平距离大于所述平底面宽度；
所述发光部左端侧壁具有前后贯通的台阶状蚀刻切面；
所述蚀刻槽和所述蚀刻切面的最大蚀刻深度位于所述N型限制层的下表面至所述GaAs衬底的上表面之间；
所述外延结构的被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料形成BCB填充层；
所述N型DBR层的反射率高于所述P型DBR层的反射率。
进一步地，所述N型DBR层由30对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，其中，AlAs膜和AlGaAs膜的厚度均为MQW发光波长的四分之一，所述N型DBR层掺杂元素为Si，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18；
所述P型DBR层由8对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，其中，AlAs膜和AlGaAs膜的厚度均为MQW发光波长的四分之一，所述P型DBR层掺杂元素为C，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18。
进一步地，所述蚀刻切面从上至下依次包括第一外台阶面、第二外台阶面和第三外台阶面；
所述第一外台阶面、所述第二外台阶面和所述第三外台阶面连续设置，且均向左凸出；
其中，所述第一外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型限制层的下表面至所述N型DBR层沿反生长方向的第5层之间；
所述第二外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第10层至第20层之间；
所述第三外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第25层至GaAs衬底的上表面。
进一步地，所述左纵向端面和所述右纵向端面相互对称设置；
所述左纵向端面包括向右凸出的第一内台阶面，所述第一内台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型限制层下表面至所述N型DBR层沿反生长方向的第5层之间；
所述平底面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第10层至第15层之间。
进一步地，所述LED还包括复合介质增透膜，所述复合介质增透膜设置于刻蚀并填充BCB材料的外延结构的上表面以及四周的侧壁；
所述复合介质增透膜由交替生长的SiO2膜和SiN膜组成，SiO2膜和SiN膜的膜层总数为5层～7层；
其中，SiO2膜的厚度为100埃，SiN膜的厚度为MQW发光波长的1/4的整数倍。
进一步地，所述氧化限制层的制备材料为Al0.98GaAs，所述氧化限制层中部具有供电流导通的氧化孔，所述氧化孔为通过将所述氧化限制层左右两端通过氧化进行绝缘化处理得到；
所述氧化限制层的厚度为20nm～30nm。
进一步地，所述LED还包括正面电极和背面电极，所述发光部上端设置有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极两端分别与所述P型窗口层和所述正面电极连接。
本发明的第二方面是提供上述一种共振腔结构红光LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底作为外延结构生长衬底；
S2、在MOCVD机台设置好程序，于GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、N型DBR层、N型限制层、N型波导层、MQW发光层、P型波导层、P型限制层、氧化限制层、P型DBR层、过渡层和P型窗口层；
S3、在外延结构上，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作欧姆接触电极；
S4、通过有机清洗，利用PECVD沉积制备厚度为50nm～70nm的二氧化硅介质膜层；
S5、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第一次蚀刻，蚀刻深度达到N型限制层下表面至N型DBR层沿反生长方向的第5层之间，露出氧化限制层的截面；
S6、通过湿法氧化技术对氧化限制层的材料AlGaAs进行氧化，得到氧化孔；
S7、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第二次蚀刻，蚀刻深度达到N型DBR层沿反生长方向的第10层至第15层之间；
S8、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第三次蚀刻，蚀刻深度至衬底表面，经过上述三次蚀刻，得到台阶状的蚀刻槽和台阶状的蚀刻切面；
S9、通过酸碱清洗，在晶片表面采用遮光BCB材料对被蚀刻区域进行填充平坦化形成BCB填充层；
S10、通过有机清洗，利用PECVD沉积SiO2/SiN材料得到复合介质增透膜；
S11、利用光刻蚀刻技术，制作欧姆接触通孔图形，使用正性光刻胶制作掩膜图形，通过显影液将欧姆接触通孔图形裸露出来，利用ICP刻蚀掉欧姆接触电极上覆盖的复合介质增透膜层；
S12、在晶片上，通过有机清洗，利用负胶做掩膜图形，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作正面电极；
S13、通过机械减薄GaAs衬底，背面电极制作，完成共振腔结构红光LED芯粒制作。
进一步地，三次ICP蚀刻的条件为：蚀刻功率500W，BCl3流量为50sccm，Cl2流量为10sccm，HBr流量为5sccm，N2流量为50sccm。
进一步地，所述BCB填充层的制备工艺为，通过酸碱清洗，采用旋涂方式，在晶片表面涂满遮光BCB材料，在120℃～130℃热板软烘2min～3min，并利用光刻掩膜技术，制作图案化的BCB图形，然后对BCB材料进行烘烤固化，烘烤最高温度不超过260℃。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1. 本申请提供的具有共振腔结构的红光LED芯片具有蚀刻槽和蚀刻切面，蚀刻槽将外延结构分隔成发光部和支撑部进行分区，并限定蚀刻槽的最大蚀刻深度达到N型限制层的下表面至GaAs衬底的上表面，该结构能够阻止发光部区域的电流流至支撑部，LED的发光亮度更大，蚀刻槽和蚀刻切面被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料进行平坦化处理，可有效改善LED漏光、通体发光的问题，并可起到降低电容和提高LED器件散热的效果。
2. 本申请提供的共振腔结构的红光LED芯片，设置的蚀刻切面和蚀刻槽为台阶状结构，其中，第一外台阶面和第一内台阶面的设计能够减少横向电流扩展，使LED器件的电流供给集中提高发光部的发光亮度。第二外台阶面能够起到过渡缓冲台阶落差便于LED工艺实施的作用。第三外台阶面直接刻蚀到GaAs衬底，GaAs作为吸光材料，可起到减少MQW发光层发出的光外漏。
3. 本申请的红光LED芯片，氧化限制层左右两端通过氧化从而在中部形成供电流导通的氧化孔；通过对氧化层进行侧向湿法氧化处理，能够实现对横向电流进行限制，有效避免电极对于光的吸收，从而对光场限制。
4. 本申请的红光LED芯片，对LED外延结构表面沉积覆盖复合介质增透膜，一方面能够保护出光面外延材料不受湿气影响；另一方面可增加出光面的出光效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例所示共振腔结构红光LED芯片形成外延结构的结构示意图；
图2为本申请实施例所示共振腔结构红光LED芯片形成二氧化硅介质膜的结构示意图；
图3为本申请实施例所示共振腔结构红光LED芯片形成蚀刻槽和蚀刻切面的结构示意图；
图4为本申请实施例制作完成的共振腔结构红光LED芯片的结构示意图；
图中，1-GaAs衬底、2-GaAs缓冲层、3-N型DBR层、4-N型限制层、5-N型波导层、6-MQW发光层、7-P型波导层、8-P型限制层、9-氧化限制层、10-P型DBR层、11-过渡层、12-P型窗口层、13-欧姆接触电极、14-二氧化硅介质膜层、15-氧化孔、16-蚀刻槽、17-发光部、18-支撑部、19-BCB填充层、20-复合介质增透膜、21-正面电极、22-背面电极、23-蚀刻切面、24-第一外台阶面、25-第二外台阶面、26-第三外台阶面、27-左纵向端面、28-平底面、29-右纵向端面、30-第一内台阶面。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以下结合具体实施例对本申请进行进一步详细说明：
请结合图1～图4，本发明的第一实施例是提供一种共振腔结构红光LED芯片，具体来说，所述LED芯片包括GaAs衬底1，以及堆叠设置在所述GaAs衬底1上表面的外延结构；所述外延结构从下至上依次包括：GaAs缓冲层2、N型DBR层3、N型限制层4、N型波导层5、MQW发光层6、P型波导层7、P型限制层8、氧化限制层9、P型DBR层10、过渡层11、P型窗口层12和二氧化硅介质膜层14；其中，所述外延结构的上表面中部向下开设有前后贯通的蚀刻槽16，所述蚀刻槽16开口向上，所述蚀刻槽16将所述外延结构分隔成左右设置的发光部17和支撑部18；所述蚀刻槽16由依次相连的左纵向端面27、平底面28和右纵向端面29组成；所述左纵向端面27和所述右纵向端面29均为台阶状；所述左纵向端面27的上沿与所述右纵向端面29的上沿的水平距离大于所述平底面28宽度；
所述发光部17左端侧壁具有前后贯通的台阶状蚀刻切面23；
所述蚀刻槽16和所述蚀刻切面23的最大蚀刻深度位于N型限制层4的下表面至GaAs衬底1的上表面之间；所述外延结构的被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料形成BCB填充层19；所述N型DBR层3的反射率高于所述P型DBR层10的反射率。
需要指出的是，本申请提供的上述LED结构中，通过设置N型DBR层3、N型限制层4、N型波导层5、MQW发光层6、P型波导层7、P型限制层8、氧化限制层9和P型DBR层10，并限定N型DBR层3对于MQW发光材料的反射率高于P型DBR层10的反射率，上述结构可共同构成LED的共振腔结构。通过上述双层DBR反射镜的设计可以将MQW发光层6发出的光反射回MQW发光层6内部，发光材料吸收部分光子能量后可以再次激发MQW发光层6中电子-空穴辐射复合，形成更多的光，从而有效提升了LED器件的发光效率，同时上述双层DBR反射镜在反射过程中亦可过滤掉部分杂光，保证LED器件具有很好的单色性。
需要特别指出的是，本申请提供的上述LED结构，蚀刻槽16将外延结构分隔成发光部17和支撑部18，并限定蚀刻槽16的最大蚀刻深度达到N型限制层4的下表面至GaAs衬底1的上表面。如此设计方式，能够防止发光部17区域的电流流至支撑部18，这样的话，LED器件中导入的电流只在发光部17进行光激发，从而发光亮度更大，右侧电流不导通的支撑部18则可以作为LED器件的焊线区域使用有效提高材料的使用价值。外延结构的被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料形成BCB填充层19进行平坦化处理，可有效改善LED漏光、通体发光的问题，并可起到降低电容和提高LED器件散热的效果。上述遮光BCB材料可以通过在光敏型BCB苯并环丁烯中添加遮光颗粒获得。
作为优选地实施例，所述N型DBR层3由30对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，AlAs膜和AlGaAs膜均为MQW发光波长的四分之一，所述N型DBR层3掺杂元素为Si，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18；所述P型DBR层10由8对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，AlAs膜和AlGaAs膜厚度均为MQW发光波长的四分之一，所述P型DBR层10掺杂元素为C，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18，本申请上述N型DBR层3和P型DBR层10的设置，两层DBR层之间能够产生共振效果，滤掉部分杂光，单色性好，通过对DBR的层数进行设置并进行掺杂，能够保证LED器件稳定可靠的光电性能。
作为优选地实施例，请结合图3，所述蚀刻切面23从上至下依次包括第一外台阶面24、第二外台阶面25和第三外台阶面26；所述第一外台阶面24、所述第二外台阶面25和所述第三外台阶面26连续设置，且均向左凸出；其中，所述第一外台阶面24的水平面在垂直方向上位于N型限制层4下表面至N型DBR层3沿反生长方向的第5层之间；所述第二外台阶面25的水平面在垂直方向上位于N型DBR层3沿反生长方向的第10层至第20层之间；所述第三外台阶面26的水平面在垂直方向上位于N型DBR层3沿反生长方向的第25层至GaAs衬底1的上表面。
作为示例性地，上述第一外台阶面24的水平面达到N型DBR层3沿反生长方向的第3层，这一台阶面的设计能够起到减少横向电流扩展的作用，使LED器件的电流供给集中提高发光部17的发光亮度。第二外台阶面25的水平面在垂直方向上达到N型DBR层3沿反生长方向的第15层，这样能够过渡缓冲台阶落差便于LED工艺实施。第三外台阶面26的刻蚀直接刻蚀至GaAs衬底1的上表面，GaAs作为吸光材料，可减少MQW发光层6发出的光外漏，另外整个蚀刻切面23被固化后的BCB材料包覆，光不易外漏，解决了现有技术中共振腔结构LED漏光的问题。
蚀刻槽16的刻蚀深度，一方面需要考虑到该结构要起到防止通入发光部17的电流扩展到支撑部18，在这一前提下，刻蚀深度达到N型限制层4下表面至GaAs衬底1上表面均可，但是刻蚀深度太深又容易导致LED器件的结构的整体稳定性劣化，基于上述考虑，本申请提供以下优选的实施例，在本申请中，所述第一内台阶面30的水平面在垂直方向上位于N型限制层4下表面至N型DBR层3沿反生长方向的第5层之间；所述平底面28在垂直方向上位于N型DBR层3沿反生长方向的第10层至第15层之间，左纵向端面27和右纵向端面29相互对称设置；所述左纵向端面27包括向右凸出的第一内台阶面30。
作为优选地实施例，所述LED还包括复合介质增透膜20，所述复合介质增透膜20设置于刻蚀并填充BCB材料的外延结构的上表面以及四周的侧壁，具体来说，包括于所述外延结构的上端面以及四周的侧壁通过PECVD沉积的复合介质增透膜20；所述复合介质增透膜20由交替生长的SiO2膜和SiN膜组成，SiO2膜和SiN膜的膜层总数控制在5层～7层；其中，SiO2膜的厚度为100埃，SiN膜的厚度为MQW发光波长的1/4的整数倍，复合介质增透膜20的上述设计方式，一方面能够保护出光面外延材料不受湿气影响；另一方面可增加出光面的出光效率。
作为优选地实施例，所述氧化限制层9的制备材料为Al0.98GaAs，所述氧化限制层9中部具有供电流导通的氧化孔15，所述氧化孔15为通过将所述氧化限制层9左右两端通过氧化进行绝缘化处理得到；所述氧化限制层9的厚度为20nm～30nm。通过对氧化限制层9进行侧向湿法氧化处理，能够实现对横向电流进行限制，可有效避免电极对于光的吸收，从而对光场限制。
作为优选地实施例，所述LED还包括正面电极21和背面电极22，所述发光部17上端设置有欧姆接触电极13，所述欧姆接触电极13两端分别与P型窗口层12和正面电极21连接。
本发明的第二实施例是提供上述共振腔结构红光LED芯片的制备方法，请结合图1～图4，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底1作为外延结构生长衬底；作为示例性地，GaAs衬底1采用偏角15°的GaAs衬底；
S2、在MOCVD机台设置好程序，于GaAs衬底1上依次生长GaAs缓冲层2、N型DBR层3、N型限制层4、N型波导层5、MQW发光层6、P型波导层7、P型限制层8、氧化限制层9、P型DBR层10、过渡层11和P型窗口层12；
其中，N型DBR层3为AlAs/AlGaAs交替生长，共30对，每一膜层厚度为MQW发光波长的四分之一，整体反射率在90%以上；P型DBR层为AlAs/AlGaAs交替生长，共8对，每一膜层厚度为MQW发光波长的四分之一，整体反射率在60%左右；P型DBR层10掺杂元素为C，N型DBR层3掺杂元素为Si，掺杂浓度为渐变式由1.00E+18～5.00E+18，生长温度可选为750℃～850℃；氧化限制层9的材料为AlGaAs，厚度为20nm～30nm，Al组份0.98；
S3、在外延结构上，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作欧姆接触电极13；作为示例性地，电极材料可以采用AuBe、AuZn、Au中的一种或多种；
S4、通过有机清洗，利用PECVD沉积制备厚度为50nm～70nm的二氧化硅介质膜层14；
S5、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第一次蚀刻，蚀刻深度达到N型限制层4下表面至N型DBR层3沿反生长方向的第5层之间，露出氧化限制层9的截面；作为优选地，蚀刻深度达到N型DBR层3沿反生长方向的第3层；
蚀刻深度精准控制主要依靠ICP机台OES系统，抓取Ga元素特征谱线，蚀刻角度85°～90°，其中ICP蚀刻功率为500W，BCl3流量为50sccm，Cl2流量为10sccm，HBr流量为5sccm，N2流量为50sccm；
S6、通过湿法氧化技术对氧化限制层9的材料AlGaAs进行氧化，得到氧化孔15；
作为优选的实施方式，氧化温度为350℃～550℃，流量为10L/min的N2/H2，水汽为40g/h，压力为850mbar的条件下，保持10min～35min；
S7、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第二次蚀刻，蚀刻深度达到N型DBR层3沿反生长方向的第10层至第20层之间；作为优选地，蚀刻深度达到N型DBR层3沿反生长方向的第15层；
蚀刻深度精准控制主要依靠ICP机台OES系统，抓取Ga元素特征谱线，蚀刻角度85°～90°，其中ICP蚀刻功率为500W，BCl3流量为50sccm，Cl2流量为10sccm，HBr流量为5sccm，N2流量为50sccm；
S8、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第三次蚀刻，蚀刻深度至衬底表面，蚀刻深度精准控制主要依靠ICP机台OES系统，抓取Ga元素特征谱线，蚀刻角度85°～90°，其中ICP蚀刻功率为500W，BCl3流量为50sccm，Cl2流量为10sccm，HBr流量为5sccm，N2流量为50sccm；经过上述三次蚀刻，得到台阶状的蚀刻槽16和台阶状的蚀刻切面23；
S9、通过酸碱清洗，在晶片表面采用遮光BCB材料对被蚀刻区域进行填充平坦化形成BCB填充层19；
作为优选地实施例，所述BCB填充层19的制备工艺为，通过酸碱清洗，采用旋涂方式，在晶片表面涂满遮光BCB材料，在120℃～130℃热板软烘2min～3min，并利用光刻掩膜技术，制作图案化的BCB图形，然后对BCB材料进行烘烤固化，烘烤最高温度不超过260℃。
作为示例性地，所述BCB填充层19的制备方法为，是先通过酸碱清洗，采用旋涂方式，将晶片表面涂满光敏型BCB(苯并环丁烯)，进行BCB平坦化处理，具体为：分二次旋涂，第一次高速1200转30秒，低速300转30秒，100℃热板软烘5min；第二次高速1200转30秒，低速300转30秒，100℃热板软烘5min；并利用光刻掩膜技术，制作图案化的BCB图形，其中显影为两次进行，第一次显影时间10秒，第二次显影时间5秒；进一步对BCB材料进行无氧烘烤固化，固化分为四个阶段进行：第1阶段，20分钟将温度升至150℃，并在150℃持温20分钟；第2阶段，20分钟将温度升至200℃，并在200℃持温20分钟；第3阶段，20分钟将温度升至250℃，并在250℃持温60分钟；第4阶段，自然冷却至室温；其中最高温度不超过260℃；
S10、通过有机清洗，利用PECVD沉积SiO2/SiN材料得到复合介质增透膜20；
作为优选的实施方式，通过有机清洗，利用PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）沉积复合介质增透膜20；复合介质增透膜20主要SiO2/SiN交替生长膜层，膜层控制在5层～7层，其中SiO2沉积条件具体为SiH4流量100sccm，N2O流量1200sccm，N2流量1500sccm，功率150w，压力90Pa，温度300℃，各SiO2膜层在100埃，起过渡层作用，调节膜层应力；SiN沉积条件具体为SiH4流量250sccm，NH3流量20sccm，N2流量1300sccm，功率100w，压力12Pa，温度300℃，各层SiN厚度在MQW发光波长的四分之一的整数倍。
S11、利用光刻蚀刻技术，制作欧姆接触通孔图形，使用正性光刻胶制作掩膜图形，通过显影液将欧姆接触通孔图形裸露出来，利用ICP刻蚀掉欧姆接触电极13上覆盖的复合介质增透膜20层；
S12、在晶片上，通过有机清洗，利用负胶做掩膜图形，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作正面电极21；电极材料主要为Ti/Pt/Au中的两种及以上；
S13、通过机械减薄GaAs衬底1，背面电极22制作，合金，刀片切割，测试等完成共振腔结构红光LED芯粒制作。
通过上述方法能够制备得到本申请的共振腔结构红光LED芯片，该结构制备的LED的发光亮度更大，蚀刻槽和蚀刻切面被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料进行平坦化处理，可有效改善LED漏光、通体发光的问题，并可起到降低电容和提高LED器件散热的效果。设置的蚀刻切面和蚀刻槽为台阶状结构，其中，第一外台阶面和第一内台阶面的设计能够减少横向电流扩展，使LED器件的电流供给集中提高发光部的发光亮度。第二外台阶面能够起到过渡缓冲台阶落差便于LED工艺实施的作用。第三外台阶面直接刻蚀到GaAs衬底，GaAs作为吸光材料，可起到减少MQW发光层发出的光外漏。
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括GaAs衬底，以及堆叠设置在所述GaAs衬底上表面的外延结构；
所述外延结构从下至上依次包括：
GaAs缓冲层、N型DBR层、N型限制层、N型波导层、MQW发光层、P型波导层、P型限制层、氧化限制层、P型DBR层、过渡层、P型窗口层和二氧化硅介质膜层；
其中，所述外延结构的上表面中部具有前后贯通的蚀刻槽，所述蚀刻槽开口向上，所述蚀刻槽将所述外延结构分隔成左右设置的发光部和支撑部；所述蚀刻槽由依次相连的左纵向端面、平底面和右纵向端面组成；所述左纵向端面和所述右纵向端面均为台阶状；所述左纵向端面的上沿与所述右纵向端面的上沿的水平距离大于所述平底面宽度；
所述发光部左端侧壁具有前后贯通的台阶状蚀刻切面；所述蚀刻切面包括从上至下依次设置的第一外台阶面、第二外台阶面和第三外台阶面，且均向右凸出；所述左纵向端面包括向右凸出的第一内台阶面；第一外台阶面和第一内台阶面对称设置；所述左纵向端面和所述右纵向端面相互对称设置；
所述蚀刻槽和所述蚀刻切面的最大蚀刻深度位于所述N型限制层的下表面至所述GaAs衬底的上表面之间；
所述外延结构的被蚀刻区域通过填充遮光BCB材料形成BCB填充层；
所述N型DBR层的反射率高于所述P型DBR层的反射率。
2.根据权利要求1所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述N型DBR层由30对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，其中，AlAs膜和AlGaAs膜的厚度均为MQW发光波长的四分之一，所述N型DBR层掺杂元素为Si，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18；
所述P型DBR层由8对交替生长的AlAs膜和AlGaAs膜组成，其中，AlAs膜和AlGaAs膜的厚度均为MQW发光波长的四分之一，所述P型DBR层掺杂元素为C，掺杂浓度由下至上从1.00E+18渐变至5.00E+18。
3.根据权利要求2所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述蚀刻切面从上至下依次包括第一外台阶面、第二外台阶面和第三外台阶面；
所述第一外台阶面、所述第二外台阶面和所述第三外台阶面连续设置，且均向左凸出；
其中，所述第一外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型限制层的下表面至所述N型DBR层沿反生长方向的第5层之间；
所述第二外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第10层至第20层之间；
所述第三外台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第25层至GaAs衬底的上表面。
4.根据权利要求1或3所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，
所述左纵向端面和所述右纵向端面相互对称设置；
所述左纵向端面包括向右凸出的第一内台阶面，所述第一内台阶面的水平面在垂直方向上位于所述N型限制层下表面至所述N型DBR层沿反生长方向的第5层之间；
所述平底面在垂直方向上位于所述N型DBR层沿反生长方向的第10层至第15层之间。
5.根据权利要求1所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括复合介质增透膜，所述复合介质增透膜设置于刻蚀并填充BCB材料的外延结构的上表面以及四周的侧壁；
所述复合介质增透膜由交替生长的SiO2膜和SiN膜组成，SiO2膜和SiN膜的膜层总数为5层～7层；
其中，SiO2膜的厚度为100埃，SiN膜的厚度为MQW发光波长的1/4的整数倍。
6.根据权利要求1所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述氧化限制层的制备材料为Al0.98GaAs，所述氧化限制层中部具有供电流导通的氧化孔，所述氧化孔为通过将所述氧化限制层左右两端通过氧化进行绝缘化处理得到；
所述氧化限制层的厚度为20nm～30nm。
7.根据权利要求1所述一种共振腔结构红光LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括正面电极和背面电极，所述发光部上端设置有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极两端分别与所述P型窗口层和所述正面电极连接。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的共振腔结构红光LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底作为外延结构生长衬底；
S2、 在MOCVD机台设置好程序，于GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、N型DBR层、N型限制层、N型波导层、MQW发光层、P型波导层、P型限制层、氧化限制层、P型DBR层、过渡层和P型窗口层；
S3、在外延结构上，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作欧姆接触电极；
S4、通过有机清洗，利用PECVD沉积制备厚度为50nm～70nm的二氧化硅介质膜层；
S5、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第一次蚀刻，蚀刻深度达到N型限制层下表面至N型DBR层沿反生长方向的第5层之间，露出氧化限制层的截面；
S6、通过湿法氧化技术对氧化限制层的材料AlGaAs进行氧化，得到氧化孔；
S7、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第二次蚀刻，蚀刻深度达到N型DBR层沿反生长方向的第10层至第15层之间；
S8、利用正胶做掩膜图形，通过ICP法进行第三次蚀刻，蚀刻深度至衬底表面，经过上述三次蚀刻，得到台阶状的蚀刻槽和台阶状的蚀刻切面；
S9、通过酸碱清洗，在晶片表面采用遮光BCB材料对被蚀刻区域进行填充平坦化形成BCB填充层；
S10、通过有机清洗，利用PECVD沉积SiO2/SiN材料得到复合介质增透膜；
S11、利用光刻蚀刻技术，制作欧姆接触通孔图形，使用正性光刻胶制作掩膜图形，通过显影液将欧姆接触通孔图形裸露出来，利用ICP刻蚀掉欧姆接触电极上覆盖的复合介质增透膜层；
S12、在晶片上，通过有机清洗，利用负胶做掩膜图形，采用电子束蒸镀方式并配合lift-off工艺剥离，制作正面电极；
S13、通过机械减薄GaAs衬底，背面电极制作，完成共振腔结构红光LED芯粒制作。
9.根据权利要求8所述的一种共振腔结构红光LED芯片的制备方法，其特征在于，三次ICP蚀刻的条件为：蚀刻功率500W，BCl3流量为50sccm，Cl2流量为10sccm，HBr流量为5sccm，N2流量为50sccm。
10.根据权利要求8所述的一种共振腔结构红光LED芯片的制备方法，所述BCB填充层的制备工艺为，通过酸碱清洗，采用旋涂方式，在晶片表面涂满遮光BCB材料，在120℃～130℃热板软烘2min～3min，并利用光刻掩膜技术，制作图案化的BCB图形，然后对BCB材料进行烘烤固化，烘烤最高温度不超过260℃。
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| CN117096236A (zh) | 2023-11-21 |
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