本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件的領(lǐng)域，具體涉及一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件及制備方法。

背景技術(shù)：

三族氮化物由于具有有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為目前半導(dǎo)體技術(shù)研究的熱點。三族氮化物GaN(禁帶寬度3.4eV)、AlN(禁帶寬度6.2eV)、InN(禁帶寬度0.7eV)及其組成的合金禁帶寬度覆蓋了從紅外到可見光、紫外光的能量范圍，因此在光電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如大功率白光LED，激光器，紫外波段的日盲探測器等。目前三族氮化物LED、激光器及電子器件已經(jīng)實現(xiàn)了商品化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于顯示器背光源、照明、信息存儲等領(lǐng)域。

由于大尺寸三族氮化物單晶材料生長十分困難，這使得同質(zhì)外延生長難以大規(guī)模實現(xiàn)。目前主要是采用異質(zhì)外延生長的辦法在藍寶石、碳化硅、硅等襯底上生長。經(jīng)過外延技術(shù)的不斷革新，在異質(zhì)襯底上已經(jīng)生長實現(xiàn)了較高質(zhì)量的三族氮化物材料及其相關(guān)的光電器件，并實現(xiàn)了產(chǎn)品的商業(yè)化。然而，日趨成熟的技術(shù)也促進了對三族氮化物光電器件性能的進一步要求，特別的是在激光器、量子信息存儲、單光子源器件的應(yīng)用方面。但是由于晶格失配和熱失配等原因，異質(zhì)外延的三族氮化物材料無可避免的存在較高密度的位錯，光電器件的量子效率由于位錯的存在導(dǎo)致急速下降，極大地影響了器件性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中三族氮化物發(fā)光器件因高位錯密度導(dǎo)致的低量子效率的問題及p型電極陰影問題，本發(fā)明提出了一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件及制備方法，在圖形化掩膜上選擇區(qū)域生長微納結(jié)構(gòu)的三族氮化物，減小了材料的位錯密度，提高了內(nèi)量子效率。然后將襯底剝離后倒裝器件，把金屬p型電極作為新的支撐襯底，這樣器件的導(dǎo)熱性能更加優(yōu)越，而且金屬p型電極可以作為反射鏡，倒裝器件解決了p型電極陰影問題，提高了發(fā)光效率。此外，微納結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件作為顯示時具有更高的分辨率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件，包括發(fā)光器件本體，所述發(fā)光器件本體自上而下依次有第一n型三族氮化物層(1)、圖形化掩膜層(2)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5)、反光導(dǎo)電層(6)、p型電極(7)，所述第一n型三族氮化物層(1)上設(shè)有n型電極(8)。

優(yōu)選的，所述第二n型三族氮化物層(3)為六角金字塔結(jié)構(gòu)或六角截頂金字塔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述圖形化掩膜層(2)的圖形為周期性多邊形或圓孔，尺寸為1μm～20μm，陣列周期為50μm～200μm。

優(yōu)選的，所述圖形化掩膜層(2)的材料為SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一種，其厚度為100nm～1000nm。

優(yōu)選的，所述第二n型三族氮化物層(3)為AlN、GaN、InN、不同組分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的單層或復(fù)合層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述反光導(dǎo)電層(6)為Ti、Al、Ag、Pt其中的一種，厚度為100nm～1000nm。

優(yōu)選的，所述n型電極(8)為Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的兩種、三種或者四種合金，其中每種合金的厚度為50nm～1000nm。

優(yōu)選的，所述p型電極(7)為Cu或者Zn，其厚度為100μm～500μm。

一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長第一n型三族氮化物層(1)；

步驟2：在第一n型三族氮化物層(1)上制備圖形化掩膜層(2)；

步驟3：在上述圖形化掩膜層(2)的窗口上生長第二n型三族氮化物層(3)；

步驟4：在第二n型三族氮化物層(3)上繼續(xù)生長三族氮化物有源層(4)和p型三族氮化物層(5)；

步驟5：在p型三族氮化物層(5)鍍上反光導(dǎo)電層(6)；

步驟6：在反光導(dǎo)電層(6)上電鍍p型電極(7)；

步驟7：剝離襯底得到發(fā)光器件本體；

步驟8：將發(fā)光器件本體倒裝，在第一n型三族氮化物層(1)制備n型電極(8)得到倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件。

進一步的，所述襯底的材料為Si、藍寶石、SiC、GaN、AlN、或ZnO中的一種；

進一步的，所述第二n型三族氮化物層(3)為六角金字塔結(jié)構(gòu)或六角截頂金字塔結(jié)構(gòu)；

進一步的，所述圖形化掩膜層(2)的圖形為周期性多邊形或圓孔，尺寸為1μm～20μm，陣列周期為50μm～200μm，所述圖形化掩膜層(2)的圖形是采用濕法或干法刻蝕而成；

進一步的，所述圖形化掩膜層(2)的材料為SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一種，其厚度為100nm～1000nm，其制備方法為等離子增強化學(xué)氣相沉積，電子束蒸發(fā)或者磁控濺射。；

進一步的，所述第二n型三族氮化物層(3)為AlN、GaN、InN、不同組分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的單層或復(fù)合層結(jié)構(gòu)，其制備方法為金屬有機氣相化學(xué)沉積或分子束外延；

進一步的，所述反光導(dǎo)電層(6)為Ti、Al、Ag、Pt其中的一種，厚度為100nm～1000nm；

進一步的，所述n型電極(8)為Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的兩種、三種或者四種合金，其中每種合金的厚度為50nm～1000nm，其制備方法為電子束蒸發(fā)或者磁控濺射；

進一步的，所述p型電極(7)為Cu或者Zn，其厚度為100μm～500μm，其制備方法為電鍍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)、本發(fā)明在圖形化掩膜層上選擇區(qū)域生長微納結(jié)構(gòu)的三族氮化物(如第一n型三族氮化物層(1)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5))，減小了材料的位錯密度，提高了內(nèi)量子效率；(2)、本發(fā)明將襯底剝離后倒裝器件，把金屬p型電極作為新的支撐襯底，這樣器件的導(dǎo)熱性能更加優(yōu)越，且金屬p型電極還可以作為反射鏡，倒裝器件解決了p型電極陰影問題，提高了發(fā)光效率。此外，微納結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件作為顯示時具有更高的分辨率；(3)、本發(fā)明的制備方法可以通過控制圖形化掩膜層的周期及圖形尺寸，從而控制選擇區(qū)域生長的第二n型三族氮化物層的尺寸，進而控制發(fā)光器件的尺寸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件所用的圖形掩膜示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法工藝流程示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法工藝流程第三步的掃描電子顯微鏡照片。

圖4是本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法工藝流程第四步的立體示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的立體示意圖。

圖6本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件所用的圖形掩膜示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的截面示意圖。

圖8是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法工藝流程第三步的掃描電子顯微鏡照片。

圖9是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法工藝流程第四步的立體示意圖。

圖10是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的立體示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1-10所示，一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件，包括發(fā)光器件本體，所述發(fā)光器件本體自上而下依次有第一n型三族氮化物層(1)、圖形化掩膜層(2)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5)、反光導(dǎo)電層(6)、p型電極(7)，所述第一n型三族氮化物層(1)上設(shè)有n型電極(8)。

在本發(fā)明的具體技術(shù)方案中，所述第二n型三族氮化物層(3)為六角金字塔結(jié)構(gòu)或六角截頂金字塔結(jié)構(gòu)，所述圖形化掩膜層(2)的圖形為周期性多邊形或圓孔，尺寸為1μm～20μm，陣列周期為50μm～200μm，所述圖形化掩膜層(2)的材料為SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一種，其厚度為100nm～1000nm，所述第二n型三族氮化物層(3)為AlN、GaN、InN、不同組分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的單層或復(fù)合層結(jié)構(gòu)。

在圖形化掩膜層上選擇區(qū)域生長微納結(jié)構(gòu)的三族氮化物，如第一n型三族氮化物層(1)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5)，減小了材料的位錯密度，提高了內(nèi)量子效率。

在本發(fā)明的具體技術(shù)方案中，所述反光導(dǎo)電層(6)為Ti、Al、Ag、Pt其中的一種，厚度為100nm～1000nm，所述n型電極(8)為Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的兩種、三種或者四種合金，其中每種合金的厚度為50nm～1000nm，所述p型電極(7)為Cu或者Zn，其厚度為100μm～500μm。

本發(fā)明將襯底剝離后倒裝器件，把金屬p型電極作為新的支撐襯底，這樣器件的導(dǎo)熱性能更加優(yōu)越，且金屬p型電極還可以作為反射鏡，倒裝器件解決了p型電極陰影問題，提高了發(fā)光效率。此外，微納結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件作為顯示時具有更高的分辨率；

一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長第一n型三族氮化物層(1)；

步驟2：在第一n型三族氮化物層(1)上制備圖形化掩膜層(2)；

步驟3：在上述圖形化掩膜層(2)的窗口上生長第二n型三族氮化物層(3)；

步驟4：在第二n型三族氮化物層(3)上繼續(xù)生長三族氮化物有源層(4)和p型三族氮化物層(5)；

步驟5：在p型三族氮化物層(5)鍍上反光導(dǎo)電層(6)；

步驟6：在反光導(dǎo)電層(6)上電鍍p型電極(7)；

步驟7：剝離襯底得到發(fā)光器件本體；

步驟8：將發(fā)光器件本體倒裝，在第一n型三族氮化物層(1)制備n型電極(8)得到倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件。

進一步的，所述襯底的材料為Si、藍寶石、SiC、GaN、AlN、或ZnO中的一種；

進一步的，所述第二n型三族氮化物層(3)為六角金字塔結(jié)構(gòu)或六角截頂金字塔結(jié)構(gòu)；

進一步的，所述圖形化掩膜層(2)的圖形為周期性多邊形或圓孔，尺寸為1μm～20μm，陣列周期為50μm～200μm，所述圖形化掩膜層(2)的圖形是采用濕法或干法刻蝕而成；

進一步的，所述圖形化掩膜層(2)的材料為SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一種，其厚度為100nm～1000nm，其制備方法為等離子增強化學(xué)氣相沉積，電子束蒸發(fā)或者磁控濺射。；

進一步的，所述第二n型三族氮化物層(3)為AlN、GaN、InN、不同組分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的單層或復(fù)合層結(jié)構(gòu)，其制備方法為金屬有機氣相化學(xué)沉積或分子束外延；

進一步的，所述反光導(dǎo)電層(6)為Ti、Al、Ag、Pt其中的一種，厚度為100nm～1000nm；

進一步的，所述n型電極(8)為Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的兩種、三種或者四種合金，其中每種合金的厚度為50nm～1000nm，其制備方法為電子束蒸發(fā)或者磁控濺射；

進一步的，所述p型電極(7)為Cu或者Zn，其厚度為100μm～500μm，其制備方法為電鍍。

本發(fā)明的制備方法可以通過控制圖形化掩膜層的周期及圖形尺寸，從而控制選擇區(qū)域生長的第二n型三族氮化物層的尺寸，進而控制發(fā)光器件的尺寸。

實施例1

如圖2第八步所示，一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件，包括發(fā)光器件本體，所述發(fā)光器件本體自上而下依次有第一n型三族氮化物層(1)、圖形化掩膜層(2)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5)、反光導(dǎo)電層(6)、p型電極(7)，所述第一n型三族氮化物層(1)上設(shè)有n型電極(8)。

在本發(fā)明的具體技術(shù)方案中，襯底(9)為Si襯底，第一n型三族氮化物層(1)是摻Si的AlGaN，所述第二n型三族氮化物層(3)為六角金字塔結(jié)構(gòu)，所述圖形化掩膜層(2)材料是SiO₂，厚度為200nm，圖形化掩膜層(2)的圖形為周期性圓孔，尺寸為2μm，陣列周期為100μm；第二n型三族氮化物層(3)是摻Si的GaN，其掃描電子顯微鏡照片如圖3所示，外貌為六角金字塔結(jié)構(gòu)；三族氮化物有源層(4)為InGN，p型三族氮化物層(5)為摻Mg的AlGaN，其立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示；。

在圖形化掩膜層上選擇區(qū)域生長微納結(jié)構(gòu)的三族氮化物，如第一n型三族氮化物層(1)、第二n型三族氮化物層(3)、三族氮化物有源層(4)、p型三族氮化物層(5)，減小了材料的位錯密度，提高了內(nèi)量子效率。

在本發(fā)明的具體技術(shù)方案中，所述反光導(dǎo)電層(6)為Ag，厚度為100nm；所述p型電極(7)為Cu，其厚度為100μm；其中，n型電極(8)是Ti(20nm)/Al(30nm)/Ni(50nm)/Au(200nm)。

其具體制備步驟為：

步驟1：在襯底(9)上生長第一n型三族氮化物層(1)，其中，襯底(9)為Si襯底，第一n型三族氮化物層(1)是摻Si的AlGaN；

步驟2：在第一n型三族氮化物層1上制備圖形化掩膜層2，其中，圖形化掩膜層(2)材料是SiO₂，厚度為200nm；

步驟3：在上述圖形化掩膜層(2)的窗口上生長第二n型三族氮化物層(3)，其中，第二n型三族氮化物層(3)是摻Si的GaN，其掃描電子顯微鏡照片如圖3所示，外貌為六角金字塔結(jié)構(gòu)；

步驟4：在第二n型三族氮化物層(3)上繼續(xù)生長三族氮化物有源層(9)和p型三族氮化物層(5)，其中，三族氮化物有源層(4)為InGN，p型三族氮化物層(5)為摻Mg的AlGaN，其立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示；

步驟5：在p型三族氮化物層(5)鍍上反光導(dǎo)電層(6)，其中，反光導(dǎo)電層(6)為Ag，厚度為100nm；

步驟6：在反光導(dǎo)電層(6)上電鍍p型電極(7)，其中，p型電極(7)為Cu，厚度為100μm；

步驟7：剝離襯底(9)；

步驟8：將樣品倒裝，在第一n型三族氮化物層1制備n型電極(8)，其中，n型電極(8)是Ti(20nm)/Al(30nm)/Ni(50nm)/Au(200nm)。

最終，本發(fā)明實施例1提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的立體示意圖如圖5所示。

實施例2

本實施例采用與實施例1基本一致的制備流程，區(qū)別是：把實施例1中的圖形化掩膜(2)替換為六邊形陣列，內(nèi)徑為3μm，周期為150μm，掩膜材料為TiO₂，如圖6所示。

最終，本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的截面示意圖如圖7所示。

圖8是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件及制備方法工藝流程第三步的掃描電子顯微鏡照片，可見其外貌為六角截頂金字塔結(jié)構(gòu)。

圖9是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件及制備方法工藝流程第四步的立體示意圖。

圖10是本發(fā)明實施例2提供的一種倒裝結(jié)構(gòu)的三族氮化物微納發(fā)光器件的立體示意圖。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。