一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法与流程

本发明涉及一种led芯片及其制备方法，特别是一种基于光子晶体的垂直结构led芯片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(led)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，led发光产品的应用正吸引着世人的目光，led作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以led为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段led的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制led向高效节能环保的方向发展。

目前，led大多是基于gan半导体材料的。然而，gan材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代led半导体材料是十分必要和急迫的。zno半导体材料的激子束缚能高达60mev，远远大于gan的(25mev)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且zno的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，zno有望成为gan的理想替代材料之一。然而，由于zno材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性zno基led大多是基于异质结构，主要以p氧化物/n型zno和p型gan/n型zno为主。与p型氧化物相比，p型gan具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，因此，p型gan/n型zno异质结led成为主流发展方向。

在led中ito被用来充当电极层，提高电流分布的均匀性。然而，ito也存在较大的电阻，而且它还会在一定程度上降低出光效率。如果在保证或者进一步提高电流分布均匀性和led性能的前提下，能够取消ito，那么这对于提高led的性能、减少工序和降低成本将会产生意义深远的影响。

光子晶体是一种新型的技术，可以有效提高led器件的出光效率和改善led的内部热场。此外，垂直结构led也是改善器件内部电流分布均匀性的有效手段之一。

基于上述考虑，以金属光子晶体取代ito发展垂直结构led芯片将会对有效的提高led的性能，极大地促进led的发展。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光子晶体的垂直结构led芯片及其制备方法，具有结构简单、光电性能好的优点。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种基于光子晶体的垂直结构led芯片，包括由下至上依次排列的si或者cu衬底层、al单晶金属薄膜层、p－gan薄膜层、i－aln薄膜层、n－zno层薄膜和单晶光子晶体薄膜层。本led芯片采用p型gan/n型zno异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ito发展垂直结构的led芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高led器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。

进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为alag、alau、alcu或者alni，其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形，其厚度为150－2000nm。规则排列的图案有利于提高led器件的出光效率。

进一步，所述al单晶金属薄膜层厚度为150－2000nm。

进一步，所述p－gan薄膜层的厚度为150－3500nm，且掺杂有mg、ti、c和si元素，所述p－gan薄膜层还包括一层8－12nm的ag纳米层。

进一步，所述i－aln薄膜层厚度为2－30nm。

进一步，所述n－zno层薄膜的厚度为150－500nm，且掺杂有al、si、cu和ag元素。

一种基于光子晶体的垂直结构led芯片制备方法，包括以下步骤：

a、将si或者cu衬底层放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除si或者cu衬底层表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯n2吹干；

b、将经过清洗和吹干的si或者cu衬底层放入真空室，高温700－1200℃退火30－120min，除去si或者cu衬底层表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；

c、制备al单晶金属薄膜层：将si或者cu衬底层加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯n2，将al源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在si或者cu衬底层上沉积一层150－2000nm厚的al单晶金属薄膜层；

d、制备p－gan薄膜层：将si或者cu衬底层加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯n2等离子体，将ga源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在al单晶金属薄膜层上沉积一层150－3500nm厚的p－gan薄膜层，所述p－gan薄膜层掺杂有mg、ti、c和si元素；

e、制备i－aln薄膜层：将si或者cu衬底层加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯n2等离子体，采用分子束外延方法在p－gan薄膜层上沉积一层2－30nm厚的i－aln薄膜层；

f、制备n－zno薄膜层：将si或者cu衬底层加热至200－600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i－aln薄膜层上沉积一层150－500nm厚的n－zno薄膜层，所述n－zno层薄膜掺杂有al、si、cu和ag元素；

g、制备单晶光子晶体薄膜层：将si或者cu衬底层加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯n2，采用分子束外延方法在n－zno薄膜层上沉积一层150－2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层；

h、在单晶光子晶体薄膜层上匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀单晶光子晶体薄膜层形成n电极，获得规则排列的出光窗口；所述icp刻蚀为感应耦合等离子刻蚀。

i、接着对al单晶金属薄膜层进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀al单晶金属薄膜层形成p电极；

j、对si或者cu衬底层进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构led芯片。

本方法的led芯片制作工艺简单，生产成本低，制作出的led芯片结构简单，采用光子晶体取代ito发展垂直结构的led芯片，可以有效提高led器件的出光效率，改善led的内部热场和电流分布均匀性，光电性能优异。

进一步，步骤d还包括在p－gan薄膜层生长100－120nm之后，在室温下沉积一层8－12nm的ag膜，在800－950℃温度下退火30－120s形成ag纳米层。

进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为alag、alau、alcu或者alni。

进一步，步骤h中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。规则排列的出光窗口有利于提高led器件的出光效率。

本发明的有益效果是：本发明采用的一种光子晶体的垂直结构led芯片及其制备方法，采用p型gan/n型zno异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ito发展垂直结构的led芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高led器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种基于光子晶体的垂直结构led芯片的示意图；

图2是本发明一种基于光子晶体的垂直结构led芯片正面俯视图；

图3是本发明一种基于光子晶体的垂直结构led芯片正面俯视图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种基于光子晶体的垂直结构led芯片，包括由下至上依次排列的si或者cu衬底层11、al单晶金属薄膜层12、p－gan薄膜层13、i－aln薄膜层14、n－zno层薄膜15和单晶光子晶体薄膜层16。本led芯片采用p型gan/n型zno异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ito发展垂直结构的led芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高led器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。

进一步，所述单晶光子晶体薄膜层16的材料为alag、alau、alcu或者alni，其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形，其厚度为150－2000nm。规则排列的图案有利于提高led器件的出光效率。

进一步，所述al单晶金属薄膜层12厚度为150－2000nm。

进一步，所述p－gan薄膜层13的厚度为150－3500nm，且掺杂有mg、ti、c和si元素，所述p－gan薄膜层13还包括一层8－12nm的ag纳米层17。

进一步，所述i－aln薄膜层14厚度为2－30nm。

进一步，所述n－zno层薄膜15的厚度为150－500nm，且掺杂有al、si、cu和ag元素。

一种基于光子晶体的垂直结构led芯片制备方法，包括以下步骤：

a、将si或者cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除si或者cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯n2吹干，注意不能使用高纯n2等离子体；

b、将经过清洗和吹干的si或者cu衬底层11放入真空室，高温700－1200℃退火30－120min，除去si或者cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；

c、制备al单晶金属薄膜层12：将si或者cu衬底层11加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯n2，注意不能使用高纯n2等离子体，将al源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在si或者cu衬底层11上沉积一层150－2000nm厚的al单晶金属薄膜层12；

d、制备p－gan薄膜层13：将si或者cu衬底层11加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯n2等离子体，将ga源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在al单晶金属薄膜层12上沉积一层150－3500nm厚的p－gan薄膜层13，所述p－gan薄膜层13掺杂有mg、ti、c和si元素；

e、制备i－aln薄膜层14：将si或者cu衬底层11加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯n2等离子体，采用分子束外延方法在p－gan薄膜层13上沉积一层2－30nm厚的i－aln薄膜层14；

f、制备n－zno薄膜层15：将si或者cu衬底层11加热至200－600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i－aln薄膜层14上沉积一层150－500nm厚的n－zno薄膜层15，所述n－zno薄膜层15掺杂有al、si、cu和ag元素；

g、制备单晶光子晶体薄膜层16：将si或者cu衬底层11加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯n2，采用分子束外延方法在n－zno薄膜层15上沉积一层150－2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；

h、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成n电极，获得规则排列的出光窗口；

i、接着对al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀al单晶金属薄膜层12形成p电极；

j、对si或者cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构led芯片。

本方法的led芯片制作工艺简单，生产成本低，制作出的led芯片结构简单，采用光子晶体取代ito发展垂直结构的led芯片，可以有效提高led器件的出光效率，改善led的内部热场和电流分布均匀性，光电性能优异。

进一步，步骤d还包括在p－gan薄膜层13生长100－120nm之后，在室温下沉积一层8－12nm的ag膜，在800－950℃温度下退火30－120s形成ag纳米层17。

进一步，所述单晶光子晶体薄膜层16的材料为alag、alau、alcu或者alni。

进一步，步骤h中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。规则排列的出光窗口有利于提高led器件的出光效率。

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于光子晶体的垂直结构led芯片制备方法，包括以下步骤：

a、将si或者cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除si或者cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯n2吹干；

b、将经过清洗和吹干的si或者cu衬底层11放入真空室，高温700－1200℃退火30－120min，除去si或者cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；

c、制备al单晶金属薄膜层12：将si或者cu衬底层11加热至850℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯n2，将al源加热到1100℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在si或者cu衬底层11上沉积一层1500nm厚的al单晶金属薄膜层12；

d、制备p－gan薄膜层13：将si或者cu衬底层11加热至700℃，充入1sccm的高纯n2等离子体，将ga源加热到1050℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在al单晶金属薄膜层12上沉积一层2500nm厚的p－gan薄膜层13，所述p－gan薄膜层13掺杂有mg、ti、c和si元素；在p－gan薄膜层13生长100nm之后，在室温下沉积一层10nm的ag膜，在800℃温度下退火60s形成ag纳米层17；

e、制备i－aln薄膜层14：将si或者cu衬底层11加热至850℃，充入1sccm的高纯n2等离子体，采用分子束外延方法在p－gan薄膜层13上沉积一层20nm厚的i－aln薄膜层14；

f、制备n－zno薄膜层15：将si或者cu衬底层11加热至500℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i－aln薄膜层14上沉积一层300nm厚的n－zno薄膜层15，所述n－zno薄膜层15掺杂有al元素；

g、制备单晶光子晶体薄膜层16：将si或者cu衬底层11加热至800℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯n2，采用分子束外延方法在n－zno薄膜层15上沉积一层500nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；

h、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成n电极，获得规则排列的出光窗口；所述icp刻蚀为感应耦合等离子刻蚀；

i、接着对al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀al单晶金属薄膜层12形成p电极；

j、对si或者cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构led芯片。

参照图1，本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构led芯片，包括由下至上依次排列的导热性能好的si或者cu衬底层11、al单晶金属薄膜层12(p电极)、p－gan薄膜层13、i－aln薄膜层14、n－zno层薄膜15和单晶光子晶体薄膜层16(n电极)。

参照图2，为本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构led芯片正面俯视图，正面是大面积的n电极金属，中间绝大部分是规则排列的方形光子晶体图案。

实施例2

一种基于光子晶体的垂直结构led芯片制备方法，包括以下步骤：

a、将si或者cu衬底层11放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除si或者cu衬底层11表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯n2吹干；

b、将经过清洗和吹干的si或者cu衬底层11放入真空室，高温1200℃退火60min，除去si或者cu衬底层11表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；

c、制备al单晶金属薄膜层12：将si或者cu衬底层11加热至850℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯n2，将al源加热到1100℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在si或者cu衬底层11上沉积一层2000nm厚的al单晶金属薄膜层12；

d、制备p－gan薄膜层13：将si或者cu衬底层11加热至750℃，充入1sccm的高纯n2等离子体，将ga源加热到1050℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在al单晶金属薄膜层12上沉积一层2500nm厚的p－gan薄膜层13，所述p－gan薄膜层13掺杂有mg元素；在p－gan薄膜层13生长100nm之后，在室温下沉积一层8nm的ag膜，在850℃温度下退火30s形成ag纳米层17；

e、制备i－aln薄膜层14：将si或者cu衬底层11加热至850℃，充入1sccm的高纯n2等离子体，采用分子束外延方法在p－gan薄膜层13上沉积一层20nm厚的i－aln薄膜层14；

f、制备n－zno薄膜层15：将si或者cu衬底层11加热至500℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i－aln薄膜层14上沉积一层300nm厚的n－zno薄膜层15，所述n－zno薄膜层15掺杂有al；

g、制备单晶光子晶体薄膜层16：将si或者cu衬底层11加热至800℃，高真空条件下，充入1sccm的高纯n2，采用分子束外延方法在n－zno薄膜层15上沉积一层500nm厚的单晶光子晶体薄膜层16；

h、在单晶光子晶体薄膜层16上匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀单晶光子晶体薄膜层16形成n电极，获得规则排列的出光窗口；所述icp刻蚀为感应耦合等离子刻蚀。

i、接着对al单晶金属薄膜层12进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，icp刻蚀al单晶金属薄膜层12形成p电极；

j、对si或者cu衬底层11进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构led芯片。

参照图3，为本实施例制备的基于光子晶体的垂直结构led芯片正面俯视图，正面是大面积的n电极金属，中间绝大部分是规则排列的圆形光子晶体图案。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。