懸空氮化物薄膜led器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，實現(xiàn)載體為硅襯底氮化物晶片，包括頂層氮化物器件層和硅襯底層；該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高折射率硅襯底層和氮化物器件層的剝離，消除硅襯底層對激發(fā)光的吸收，實現(xiàn)懸空氮化物薄膜LED器件；所述頂層氮化物器件層的上表面具有納米結(jié)構(gòu)，用以改善氮化物的界面狀態(tài)，提高出光效率；結(jié)合背后對準和深硅刻蝕技術(shù)，去除LED器件下方的硅襯底層，得到懸空氮化物薄膜LED器件，進一步采用氮化物背后減薄刻蝕技術(shù)，獲得超薄的懸空氮化物薄膜LED器件，降低LED器件的內(nèi)部損耗，提高出光效率。
【專利說明】懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，屬于信息材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著氮化物材料生長技術(shù)的突破，硅襯底氮化物晶片已經(jīng)逐步實現(xiàn)技術(shù)突破，走向商用市場。發(fā)展硅襯底氮化物L(fēng)ED器件，具有廣闊的應(yīng)用空間。
[0004]以往的氮化鎵LED都是生長在藍寶石襯底上面，本發(fā)明的氮化鎵LED是生長在硅襯底上面的。并且和光學(xué)微機電器件(MEMS)相結(jié)合。實現(xiàn)對光波的調(diào)控，同時提高了出光的效率。在氮化物器件層的上表面具有納米結(jié)構(gòu)，是諧振光柵，用以改善氮化物的界面狀態(tài)，提高出光效率；
作為LED發(fā)光器件,特別是藍光的發(fā)光效率非常重要。但是由于娃材料對于藍光的吸收作用，所以對硅襯底的剝離問題也是一個關(guān)鍵問題。生長在硅襯底上的氮化物材料，利用深硅刻蝕技術(shù)，可以解決硅襯底和氮化物材料的剝離問題，獲得懸空的氮化物薄膜；利用懸空氮化物薄膜背后減薄技術(shù)，可以解決頂層氮化物器件的刻蝕難題，通過背后減薄，獲得超薄的氮化物薄膜，減小LED器件的內(nèi)部損耗。此外，氮化物薄膜LED器件，可以轉(zhuǎn)移到其他低折射率襯底上，實現(xiàn)多種器件的集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種懸空氮化物薄膜LED器件，其結(jié)構(gòu)包含硅材料、氮化鎵材料、諧振光柵、LED結(jié)構(gòu)、N-GaN接觸層、η-電極(Ti/Al)、量子阱、P-GaN接觸層、ITO電流擴展層、P-電極(Ni/Au)、SiO2隔離層、金屬反射鏡，LED器件制作在娃襯底上的氮化鎵層上,娃襯底層上是N-GaN接觸層、量子阱，N-GaN接觸層上表面是η-電極，η-電極是由Ti/Al組成，P-GaN接觸層上表面是ITO電流擴展層，ITO電流擴展層上表面是p_電極，p-電極是由Ni/Au組成，在氮化鎵層上，設(shè)計了 LED發(fā)光器件；包括LED結(jié)構(gòu)，諧振光柵納米結(jié)構(gòu)；在η-電極、P-電極、LED結(jié)構(gòu)、諧振光柵表面覆蓋一層SiO2隔離層。本發(fā)明的器件實現(xiàn)載體為硅襯底的氮化物晶片，包括頂層氮化物器件層和硅襯底層；硅襯底層上的氮化物器件層，在氮化物層由量子阱，以及在工藝中實現(xiàn)的N-GaN接觸層；在量子阱上有P-GaN接觸層、P-GaN接觸層有ITO電流擴展層；以及在N-GaN接觸層、ITO電流擴展層上的η-電極(Ni/Au)和P-電極(Ti/Al) ；n-電極(Ti/Al) (6)沉積的金屬材料為Ti/Al、p-電極(Ni/Au) (10)沉積的金屬材料為Ni/Au、金屬反射鏡(12)沉積的材料為Ag/Al ;該器件生長一層高透射率的電流擴展層薄膜ITO ;該器件在氮化物器件層定義并實現(xiàn)LED器件。
[0006]本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件，由于硅襯底氮化物器件層的厚度通常由生長條件決定，厚度較大，內(nèi)部損耗嚴重，加上氮化鎵材料和硅材料的晶格不匹配導(dǎo)致應(yīng)力的作用。硅襯底吸收一部分出射光，特別是藍光，降低了 LED的發(fā)光效率，所以本發(fā)明提供的技術(shù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)硅襯底和氮化物器件層的剝離，發(fā)展懸空氮化物薄膜LED器件，利用背后減薄技術(shù)，減小器件的內(nèi)部損耗，獲得高出光效率的超薄LED器件。
[0007]本發(fā)明在完成背后硅刻蝕和氮化鎵材料的減薄以后，在背后沉積金屬反射鏡，提升器件的出光效率。
[0008]本發(fā)明還提出還一種懸空氮化物薄膜LED器件的工藝制備方法，包括如下具體步驟:
步驟(I):所述硅襯底氮化物晶片首先背后拋光減薄，以便背后深硅刻蝕技術(shù)，去除硅襯底層；
步驟(2):利用電子束曝光、光刻或自對準技術(shù)在所述硅襯底氮化物晶片的頂層氮化物器件層定義納米光柵、光子晶體或其他納米結(jié)構(gòu)；
步驟(3):采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層氮化物器件層；
步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的膠層；
步驟(5):生長高透射率電流擴展層薄膜；
步驟(6):光刻定義電流擴展層區(qū)域，并刻蝕獲得電流擴展層區(qū)域；
步驟(7):沉積刻蝕掩膜層，光刻定義n-GaN臺階區(qū)域；
步驟(8):蝕刻掩膜層，然后采用反應(yīng)離子束刻蝕n-GaN臺階區(qū)域；
步驟(9):去除殘余蝕刻掩膜層；
步驟(10):沉積掩膜層，光刻定義P-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得P-電極區(qū)域窗口 ；步驟(11):蒸鍍Ni/Au作為p-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)p_電極，并進行合晶化處理；
步驟(12):光刻定義η-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得η-電極區(qū)域窗口 ；
步驟(13):蒸鍍Ti/Al作為η-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)η-電極,并進行合金化處理；
步驟(14) =LED器件層涂膠保護，結(jié)合背后對準和深硅刻蝕技術(shù)，去除LED器件下方的硅襯底層，實現(xiàn)懸空的氮化物薄膜LED器件；
步驟(15):采用氮化物背后減薄方法，利用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，背后減薄氮化物；
步驟(16):背后沉積金屬反射鏡；
步驟(17):去除殘余光刻膠，獲得超薄氮化物薄膜LED器件。
[0009]本發(fā)明有益之處在于:
1.本發(fā)明是生長在硅材料上的氮化鎵LED器件，不是藍寶石襯底，通過背后減薄工藝解決了硅材料和氮化鎵材料的晶格不匹配問題，解決了應(yīng)力釋放的問題。
[0010]2.本發(fā)明在氮化鎵器件層設(shè)計了諧振光柵，可以對光波長進行選擇，可以滿足不同的需要。
[0011]3.本發(fā)明為了提高LED器件的發(fā)光效率，為了解決硅材料的可見光的吸收散射問題。提出了新的工藝方法，背后工藝，通過光刻技術(shù)以及深硅刻蝕技術(shù)，刻蝕完硅襯底材料，繼續(xù)通過II1- V族刻蝕對氮化鎵材料進行刻蝕，繼而使得諧振光柵能夠完全懸空。[0012]4.在完成背后硅刻蝕和氮化鎵材料的減薄以后，在背后沉積金屬反射鏡，提升器件的出光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為硅襯底懸空氮化物薄膜LED器件側(cè)面示意圖。
[0014]附圖標記說明:1-硅材料；2_氮化鎵材料；12_金屬反射鏡。
[0015]圖2為硅襯底懸空氮化物薄膜LED器件正面俯視圖。
[0016]附圖標記說明:2-氮化鎵材料；3_諧振光柵；4- LED結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3為硅襯底懸空氮化物薄膜LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]附圖標記說明:1-硅材料；5- N-GaN接觸層;6_ η—電極(Ti/Al) ;7_量子阱;8_P-GaN接觸層；9-1TO電流擴展層；10_ p-電極(Ni/Au) ;I1-SiO2隔離層。
[0019]圖4為硅襯底懸空氮化物薄膜LED器件制備方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:實施例一如圖1、2、3所不，本發(fā)明提供一種懸空氮化物薄膜LED器件,其包含娃材料1、氮化鎵材料2、諧振光柵3、LED結(jié)構(gòu)4、N-GaN接觸層5、η-電極(Ti/Al) 6、量子阱7、P-GaN接觸層8、ITO電流擴展層
9、p-電極(Ni/Au)10、Si02隔離層11、金屬反射鏡12，LED器件4制作在硅襯底上I的氮化鎵層2上，硅襯底層I上是N-GaN接觸層5、量子阱7，N-GaN接觸層5上表面是η-電極6，η-電極6是由Ti/Al組成，P-GaN接觸層8上表面是ITO電流擴展層9，ITO電流擴展層9上表面是P-電極10，P-電極10是由Ni/Au組成，在氮化鎵層2上，設(shè)計了 LED發(fā)光器件；包括LED結(jié)構(gòu)4，諧振光柵3納米結(jié)構(gòu)；在η-電極6、ρ-電極10、LED結(jié)構(gòu)4、諧振光柵3表面復(fù)蓋一層SiO2隔尚層。
[0021]該LED器件是制作在硅襯底上的氮化鎵層，需要在N-GaN接觸層、P-GaN接觸層上沉積η-電極、ρ-電極，η-電極是由Ti/Al組成，p-電極是由Ni/Au。在氮化鎵層上,設(shè)計了 LED發(fā)光器件。包括LED結(jié)構(gòu),諧振光柵納米結(jié)構(gòu)。在η-電極、ρ-電極、LED結(jié)構(gòu)、諧振光柵表面覆蓋一層SiO2隔離層。
[0022]在氮化鎵材料上設(shè)計諧振光柵，可以對光波長進行選擇。但是諧振光柵完全刻蝕完。由于硅材料對光波的吸收作用，需要對硅材料進行剝離。本發(fā)明提出背后工藝，通過光刻技術(shù)、深硅刻蝕技術(shù)以及II1-V族刻蝕技術(shù)。使器件層完全懸空。從而解決以上兩個問題。
[0023]實施例二
如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種懸空氮化物薄膜LED器件的工藝制備方法，其包括如下具體步驟:
步驟(I):所述硅襯底氮化物晶片首先背后拋光減薄，以便背后深硅刻蝕技術(shù)，去除硅襯底層；
步驟(2):利用電子束曝光、光刻或自對準技術(shù)在所述硅襯底氮化物晶片的頂層氮化物器件層定義納米光柵、光子晶體或其他納米結(jié)構(gòu)；
步驟(3):采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層氮化物器件層；
步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的膠層；
步驟(5):生長高透射率電流擴展層薄膜；
步驟(6):光刻定義電流擴展層區(qū)域，并刻蝕獲得電流擴展層區(qū)域；
步驟(7):沉積刻蝕掩膜層，光刻定義n-GaN臺階區(qū)域；
步驟(8):蝕刻掩膜層，然后采用反應(yīng)離子束刻蝕n-GaN臺階區(qū)域；
步驟(9):去除殘余蝕刻掩膜層；
步驟(10):沉積掩膜層，光刻定義P-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得P-電極區(qū)域窗口 ；步驟(11):蒸鍍Ni/Au作為ρ-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)p_電極，并進行合晶化處理；
步驟(12):光刻定義η-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得η-電極區(qū)域窗口 ；
步驟(13):蒸鍍Ti/Al作為η-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)η-電極,并進行合金化處理；
步驟(14) =LED器件層涂膠保護，結(jié)合背后對準和深硅刻蝕技術(shù)，去除LED器件下方的硅襯底層，實現(xiàn)懸空的氮化物薄膜LED器件；
步驟(15):采用氮化物背后減薄方法，利用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，背后減薄氮化物；
步驟(16):背后沉積金屬反射鏡；
步驟(17):去除殘余光刻膠，獲得超薄氮化物薄膜LED器件。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明提供一種懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，其特征在于:其包含硅材料(I)、氮化鎵材料(2 )、諧振光柵(3 )、LED結(jié)構(gòu)(4)、N-GaN接觸層(5 )、η-電極(Ti/Al)(6)、量子阱(7)、P-GaN接觸層(8)、IT0電流擴展層(9)、ρ-電極(Ni/Au) (10)、Si02隔離層(11)、金屬反射鏡(12 )，LED器件(4 )制作在硅襯底上(I)的氮化鎵層(2 )上，硅襯底層(I)上是N-GaN接觸層(5 )、量子阱(7 )，N-GaN接觸層(5 )上表面是η-電極(6 )，η-電極(6 )是由Ti/Al組成，P-GaN接觸層(8)上表面是ITO電流擴展層(9)，ITO電流擴展層(9)上表面是P-電極(10)，P-電極(10)是由Ni/Au組成，在氮化鎵層(2)上，設(shè)計了 LED發(fā)光器件；包括LED結(jié)構(gòu)(4),諧振光柵(3)納米結(jié)構(gòu)；在η-電極(6)、ρ-電極(10)、LED結(jié)構(gòu)(4)、諧振光柵(3)表面覆蓋一層SiO2隔離層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，其特征在于:該器件實現(xiàn)載體為硅襯底(I)的氮化物(2)晶片，包括頂層氮化物器件層(2)和硅襯底層(I)；硅襯底層上的氮化物器件層，在氮化物層由量子阱(7)，以及在工藝中實現(xiàn)的N-GaN接觸層(5 );在量子阱(7 )上有P-GaN接觸層(8 )、P-GaN接觸層(8 )有ITO電流擴展層(9 );以及在N-GaN接觸層(5)、ITO電流擴展層(9)上的η-電極(Ni/Au) (10)和？_電極(Ti/Al) (6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，其特征在于:n-電極(Ti/Al) (6)沉積的金屬材料為Ti/Al、p-電極(Ni/Au) (10)沉積的金屬材料為Ni/Au、金屬反射鏡(12)沉積的材料為Ag/Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，其特征在于:該器件生長一層高透射率的電流擴展層薄膜ΙΤ0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，其特征在于:該器件在氮化物器件層定義并實現(xiàn)LED器件。
6.一種懸空氮化物薄膜LED器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(1):所述硅襯底氮化物晶片首先背后拋光減薄，以便背后深硅刻蝕技術(shù)，去除硅襯底層； 步驟(2):利用電子束曝光、光刻或自對準技術(shù)在所述硅襯底氮化物晶片的頂層氮化物器件層定義納米光柵、光子晶體或其他納米結(jié)構(gòu)； 步驟(3):采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層氮化物器件層； 步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的膠層； 步驟(5):生長高透射率電流擴展層薄膜； 步驟(6):光刻定義電流擴展層區(qū)域，并刻蝕獲得電流擴展層區(qū)域； 步驟(7):沉積刻蝕掩膜層，光刻定義n-GaN臺階區(qū)域； 步驟(8):蝕刻掩膜層，然后采用反應(yīng)離子束刻蝕n-GaN臺階區(qū)域； 步驟(9):去除殘余蝕刻掩膜層； 步驟(10):沉積掩膜層，光刻定義P-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得P-電極區(qū)域窗口 ；步驟(11):蒸鍍Ni/Au作為p-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)p_電極，并進行合晶化處理； 步驟(12):光刻定義η-電極區(qū)域，并蝕刻掩膜層，獲得η-電極區(qū)域窗口 ；步驟(13):蒸鍍Ti/Al作為η-電極,采用lift-off工藝,實現(xiàn)η-電極,并進行合金化處理； 步驟(14) =LED器件層涂膠保護，結(jié)合背后對準和深硅刻蝕技術(shù)，去除LED器件下方的硅襯底層，實現(xiàn)懸空的氮化物薄膜LED器件； 步驟(15):采用氮化物背后減薄方法，利用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，背后減薄氮化物； 步驟(16):背后沉積金屬反射鏡； 步驟(17):去除殘余光刻膠，獲得超薄`氮化物薄膜LED器件。
【文檔編號】H01L33/20GK103633203SQ201310107133
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】王永進, 于慶龍, 高緒敏, 施政, 曲穎, 賀樹敏, 李欣, 王鎮(zhèn)海 申請人:南京郵電大學(xué)