懸空氮化物薄膜led器件及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法，實(shí)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(shí)現(xiàn)懸空氮化物薄膜LED器件；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(zhǔn)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(jìn)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器件及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種懸空氮化物薄膜LED器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(shí)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。
[0003]以往的氮化鎵LED都是生長在藍(lán)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(jī)電器件(MEMS)相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)對光波的調(diào)控，同時(shí)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；
[0004]作為LED發(fā)光器件，特別是藍(lán)光的發(fā)光效率非常重要。但是由于硅材料對于藍(lán)光的吸收作用，所以對硅襯底的剝離問題也是一個(gè)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(shí)現(xiàn)多種器件的集成。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種結(jié)合諧振光柵的、具有高出光效率、易散熱的懸空氮化物薄膜LED器件，同時(shí)提供一種該LED器件的制備方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件，以生長有P-N結(jié)的硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設(shè)置在硅襯底層上的氮化鎵層、生長在氮化鎵層上的P-N結(jié)和設(shè)置在P-N結(jié)上側(cè)的諧振光柵，P-N結(jié)和諧振光柵構(gòu)成LED發(fā)光器件，LED發(fā)光器件下方設(shè)置有貫穿硅襯底層和氮化鎵層的空腔，使得LED發(fā)光器件完全懸空；
[0007]P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層、量子阱和P-GaN接觸層，諧振光柵設(shè)置在P-GaN接觸層上表面，P-GaN接觸層上表面位于諧振光柵一側(cè)的區(qū)域蒸鍍有沉積金屬材料為Ni/Au的P-電極，N-GaN接觸層上表面為刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，階梯狀臺(tái)面包括一個(gè)上臺(tái)面和位于上臺(tái)面一側(cè)的下臺(tái)面，上臺(tái)面與量子阱的底面連接，下臺(tái)面上蒸鍍有沉積金屬材料為Ti/Al的N-電極。
[0008]本發(fā)明的制備上述懸空氮化物薄膜LED器件的方法，以生長有P-N結(jié)的硅基氮化物晶片為載體，包括如下步驟:
[0009]I)硅基氮化物晶片的氮化鎵層上生長的P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層、量子阱和P-GaN接觸層，在P-GaN接觸層上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出諧振光柵的結(jié)構(gòu)；
[0010]2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將步驟I)中定義的諧振光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到P-GaN接觸層中，然后利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的光刻膠；
[0011]3)在P-GaN接觸層上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義出N-GaN接觸層下臺(tái)面區(qū)域的窗口，在該窗口采用反應(yīng)離子束向下刻蝕氮化物，刻穿P-GaN接觸層和量子阱，直至N-GaN接觸層，然后去除殘余蝕刻光刻膠；
[0012]4)P_GaN接觸層上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義用于蒸鍍P-電極區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500±5°C的退火技術(shù)，在窗口蒸鍍Ni/Au，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)P-電極，然后去除殘余蝕刻光刻膠；
[0013]5)在下臺(tái)面區(qū)域上光刻定義用于蒸鍍N-電極區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500±5°C的退火技術(shù)，在窗口蒸鍍Ti/Al，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)N-電極后，去除殘余蝕刻光刻膠；
[0014]6)在生長有N-GaN接觸層、量子阱和P-GaN接觸層的硅基氮化物晶片的頂層涂膠保護(hù)，防止刻蝕過程中損傷表面器件，在硅基氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層下表面的光刻膠層上打開一個(gè)刻蝕窗口 ；然后將氮化物層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕技術(shù)，通過刻蝕窗口將硅襯底層貫穿刻蝕至氮化物層的下表面，在硅襯底層中形成一個(gè)位于LED發(fā)光器件下方的空腔；
[0015]7)采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，從下往上刻穿氮化鎵層，對N-GaN接觸層進(jìn)行氮化物減薄處理后，去除殘余光刻膠，即獲得懸空氮化物薄膜LED器件。
[0016]本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件解決了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(yán)重，加上氮化鎵材料和硅材料的晶格不匹配導(dǎo)致應(yīng)力的作用導(dǎo)致的硅襯底吸收一部分出射光，特別是藍(lán)光，降低了 LED的發(fā)光效率的問題，還解決了一般硅基LED器件散熱難的問題。所以本發(fā)明提供的技術(shù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)的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。
[0017]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018]本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件，采用了消除硅層底和氮化物層減薄技術(shù)，減少了由于硅襯底層太厚導(dǎo)致的光的內(nèi)部消耗，大大提高了出光效率，相比與存在硅襯底層的LED器件，本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件在出光效率上至少能提高其15倍以上；
[0019]本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件，在LED發(fā)光器件發(fā)光區(qū)域消除硅襯底層，使得LED器件的散熱能力大大增強(qiáng)，提高了 LED器件的工作壽命；
[0020]本發(fā)明是生長在硅材料上的氮化鎵LED器件，不是藍(lán)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。
[0021]本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件，在P-GaN接觸層刻蝕有諧振光柵結(jié)構(gòu)，特定的該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)光的高透射率、波長選擇等作用，豐富了 LED器件的用途。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明懸空氮化物薄膜LED器件側(cè)面示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明懸空氮化物薄膜LED器件平面示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明懸空氮化物薄膜LED器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明懸空氮化物薄膜LED器件制備工藝流程圖。[0026]圖中有:硅襯底層1、氮化鎵層2、諧振光柵3、N-GaN接觸層4、量子阱5、P-GaN接觸層6、P-電極7、N-電極8。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步具體說明。
[0028]圖1、圖2、圖3給出了本發(fā)明的懸空氮化物薄膜LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖，該器件以生長有P-N結(jié)的硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層1、設(shè)置在硅襯底層I上的氮化鎵層
2、生長在氮化鎵層2上的P-N結(jié)和設(shè)置在P-N結(jié)上側(cè)的諧振光柵3，P-N結(jié)和諧振光柵3構(gòu)成LED發(fā)光器件，LED發(fā)光器件下方設(shè)置有貫穿硅襯底層I和作為緩沖作用的氮化鎵層2的空腔，使得LED發(fā)光器件完全懸空；
[0029]P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層4、量子阱5和P-GaN接觸層6，諧振光柵3設(shè)置在P-GaN接觸層6上表面，P-GaN接觸層6上表面位于諧振光柵3 —側(cè)的區(qū)域蒸鍍有沉積金屬材料為Ni/Au的P-電極7，N-GaN接觸層4上表面為刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，階梯狀臺(tái)面包括一個(gè)上臺(tái)面和位于上臺(tái)面一側(cè)的下臺(tái)面，上臺(tái)面與量子阱5的底面連接，下臺(tái)面上蒸鍍有沉積金屬材料為Ti/Al的N-電極8。
[0030]本發(fā)明的懸空薄膜LED器件，刻蝕在P-GaN接觸層6上表面的諧振光柵3是條形光柵，該光柵具有波長選擇作用，選擇需要的光譜，提高利用效率。
[0031]本發(fā)明的懸空薄膜LED器件實(shí)現(xiàn)的硅襯底層I和氮化鎵層2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，同時(shí)在LED發(fā)光器件發(fā)光區(qū)域消除硅襯底層1，使得LED器件的散熱能力大大增強(qiáng)。
[0032]本發(fā)明的懸空薄膜LED器件，因消除硅襯底層1，減薄氮化鎵層2和N-GaN接觸層4，在LED器件的P-電極7和N-電極8加比普通帶硅襯底LED器件更小的正/負(fù)電壓下，產(chǎn)生同樣量載流子漂移，N-GaN接觸層4和P-GaN接觸層6的載流子作用，在P-GaN接觸層6激發(fā)出光子，沿P-GaN接觸層6上表面出射光，出射光會(huì)經(jīng)過P-GaN接觸層6上表面的諧振光柵3選擇，選擇出需要的光譜，使選擇光得到高效利用。
[0033]本發(fā)明的制備懸空氮化物薄膜LED器件的工藝方法，具體步驟如下:
[0034]I)硅基氮化物晶片的氮化鎵層2上生長的P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層4、量子阱5和P-GaN接觸層6，在P-GaN接觸層6上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出諧振光柵3的結(jié)構(gòu)；
[0035]2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將步驟I)中定義的諧振光柵3結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到P-GaN接觸層6中，不破壞P-N結(jié)的量子阱5，然后利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的光刻膠;
[0036]3)在P-GaN接觸層6上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義出N-GaN接觸層4下臺(tái)面區(qū)域的窗口，在該窗口采用反應(yīng)離子束向下刻蝕氮化物，刻穿P-GaN接觸層6和量子阱5，并刻蝕掉一部分N-GaN接觸層4，然后去除殘余蝕刻光刻膠；
[0037]4)P_GaN接觸層6上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義用于蒸鍍P-電極7區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500±5°C的退火技術(shù)，在窗口蒸鍍Ni/Au，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)P-電極7，然后去除殘余蝕刻光刻膠；
[0038]5)在下臺(tái)面區(qū)域上光刻定義用于蒸鍍N-電極8區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500 土 5 V的退火技術(shù)，在窗口蒸鍍Ti/Al，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)N-電極8后，去除殘余蝕刻光刻膠；
[0039]6)在生長有N-GaN接觸層4、量子阱5和P-GaN接觸層6的硅基氮化物晶片的頂層涂膠保護(hù)，防止刻蝕過程中損傷表面器件，在硅基氮化物晶片的硅襯底層I下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層I下表面的光刻膠層上打開一個(gè)刻蝕窗口 ；然后將氮化物層I作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕技術(shù)，通過刻蝕窗口將硅襯底層I貫穿刻蝕至氮化物層2的下表面，在硅襯底層I中形成一個(gè)位于LED發(fā)光器件下方的空腔；
[0040]7)采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，從下往上刻穿氮化鎵層2，對N-GaN接觸層4進(jìn)行氮化物減薄處理后，去除殘余光刻膠，即獲得懸空氮化物薄膜LED器件。
【權(quán)利要求】
1.一種懸空氮化物薄膜LED器件，其特征在于，該器件以生長有P-N結(jié)的硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層(I )、設(shè)置在所述硅襯底層(I)上的氮化鎵層(2)、生長在所述氮化鎵層(2)上的P-N結(jié)和設(shè)置在所述P-N結(jié)上側(cè)的諧振光柵(3)，所述P-N結(jié)和諧振光柵(3)構(gòu)成LED發(fā)光器件，所述LED發(fā)光器件下方設(shè)置有貫穿硅襯底層(I)和氮化鎵層(2)的空腔，使得LED發(fā)光器件完全懸空； 所述P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層(4)、量子阱(5)和P-GaN接觸層(6 )，所述諧振光柵(3 )設(shè)置在P-GaN接觸層(6 )上表面，所述P-GaN接觸層(6 )上表面位于諧振光柵(3) —側(cè)的區(qū)域蒸鍍有沉積金屬材料為Ni/Au的P-電極(7)，所述N-GaN接觸層(4)上表面為刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括一個(gè)上臺(tái)面和位于上臺(tái)面一側(cè)的下臺(tái)面，所述上臺(tái)面與量子阱(5)的底面連接，所述下臺(tái)面上蒸鍍有沉積金屬材料為Ti/Al的N-電極(8)。
2.一種制備權(quán)利要求1所述懸空氮化物薄膜LED器件的方法，其特征在于，該方法以生長有P-N結(jié)的硅基氮化物晶片為載體，包括如下步驟: .1)所述硅基氮化物晶片的氮化鎵層(2)上生長的P-N結(jié)包括從下至上依次連接設(shè)置的N-GaN接觸層(4 )、量子阱(5 )和P-GaN接觸層(6 )，在P-GaN接觸層(6 )上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出諧振光柵(3)的結(jié)構(gòu)； .2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將所述步驟I)中定義的諧振光柵(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到P-GaN接觸層(6)中，然后利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的光刻膠； .3)在P-GaN接觸層(6)上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義出N-GaN接觸層(4)下臺(tái)面區(qū)域的窗口，在該窗口采用反應(yīng)離子束向下刻蝕氮化物，刻穿P-GaN接觸層(6 )和量子阱(5 )，直至N-GaN接觸層(4 )，然后去除殘余蝕刻光刻膠； .4)P-GaN接觸層(6)上表面均勻涂上一層光刻膠，光刻定義用于蒸鍍P-電極(7)區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500 ± 5°C的退火技術(shù)，在所述窗口蒸鍍Ni/Au，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)P-電極(7)，然后去除殘余蝕刻光刻膠； . 5)在下臺(tái)面區(qū)域上光刻定義用于蒸鍍N-電極(8)區(qū)域的窗口，然后采用剝離工藝和溫度控制在500±5°C的退火技術(shù)，在所述窗口蒸鍍Ti/Al，形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)N-電極(8)后，去除殘余蝕刻光刻膠； . 6 )在生長有N-GaN接觸層(4)、量子阱(5 )和P-GaN接觸層(6 )的硅基氮化物晶片的頂層涂膠保護(hù)，防止刻蝕過程中損傷表面器件，在硅基氮化物晶片的硅襯底層(I)下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層(I)下表面的光刻膠層上打開一個(gè)刻蝕窗口 ；然后將氮化物層(2)作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕技術(shù)，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層(I)貫穿刻蝕至氮化物層(2 )的下表面，在硅襯底層(I)中形成一個(gè)位于LED發(fā)光器件下方的空腔； .7)采用離子束轟擊或反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)，從下往上刻穿氮化鎵層(2)，對N-GaN接觸層(4)進(jìn)行氮化物減薄處理后，去除殘余光刻膠，即獲得懸空氮化物薄膜LED器件。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK103779452SQ201410026373
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】王永進(jìn), 白丹, 施政, 李欣, 高緒敏, 陳佳佳, 朱洪波 申請人:南京郵電大學(xué)