专利名称：发射圆偏振光的led芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发射圆偏振光的LED芯片，尤其是一种发射圆偏振光的GaN 基LED芯片。
背景技术：
光电子技术是21世纪的尖端技术，LED (light emitting diode)是光电子产业中最重要的光电子材料和组件之一。LED是一种电致发光器件，它通过正向偏置的PN结中电子与空穴的辐射复合发光。在传统LED器件中，电子只被看着电荷的载体，自旋这一概念常常被人们忽略。圆偏振光最为接近自然光，适合于人眼长期观看。因此，现实应用中常用偏振片来产生偏振光。但是，使用偏振片来产生偏振光将导致光的大量损失。例如，作为液晶显示器的LED背光源，当其光通过下层偏振片时，光的浪费已达50%。
发明内容本实用新型的目的是提供一种利用LED芯片发射圆偏振光的产品，该LED芯片能够直接发射出圆偏振光，可以克服利用偏振片产生偏振光时导致大量光被损失掉的不足。本实用新型是这样实现的发射圆偏振光的LED芯片，包括衬底基片，在衬底基片上设有缓冲层，在缓冲层上设有非磁性或磁性的半导体底层，在半导体底层上设有发光层， 在发光层上设有磁性半导体顶层，在磁性半导体顶层上设有透明电极层；在半导体底层及透明电极层上分别连接有底层电极及顶层电极；在外部设有露出底层电极及顶层电极顶面的钝化保护层。发光层为发光层、量子阱、衬底图形化阵列生长的发光层、量子点发光层、纳米线发光层等中的一种或几种的复合结构。通过调整LED芯片的发光层结构及材料组分，可以发射出不同颜色圆偏振光；其中发光层、量子阱的层数可以为单层或多层，其层数根据所需要发光的颜色进行选择。所述的磁性的半导体底层或磁性半导体顶层是在半导体材料中加入2 7%摩尔百分比的过渡金属元素，经过沉积得到的η型层或P型层，半导体底层与磁性半导体顶层的层形相反。加入过渡金属元素后，使η型层成稀磁半导体层，以形成载流子的自旋方向有序排列，而不是很关注掺入磁性粒子的量。过渡金属元素的加入量与具体加入的元素有关，在 2 7%摩尔百分比的范围内选择比较合适；芯片的几何形状、金属电极的几何形状与位置可以按需要调整和改变。在自旋电子学领域，电子或空穴的自旋极化指的是作为载流子的电子或空穴会朝相反的方向自旋，分别称为上自旋和下自旋。例如，在费米能级处，铁磁金属中的电子是 100%的下自旋极化。如果用磁性材料将传统LED的电子或空穴极化，为传统LED芯片提供自旋极化的电子或空穴注入，就能够将材料的磁性功能与LED的发光功能结合，得到发射圆偏振光的LED。在半导体化合物材料中掺入少量的过渡金属元素可以形成一种磁性化合物半导体。其晶体结构与化学键结最能与现有电子元件中半导体材料相匹配，在居里温度以下其能带的基曼分裂(Zeeman splitting)可以产生大的自旋偏极化，因此可以用作“为传统LED提供自旋极化”的载流子源。例如掺锰的^vxMnxN薄膜，掺入的Mn离子取代部分的( 离子，除了提供Mn本身的磁矩外，还提供自旋空穴(针对ρ型Gai_xMrixN薄膜)，因而非常适合于传统氮化镓基LED载流子自旋极化需求。引入自旋载流子后的LED发射的是圆偏振光。若是直接发射圆偏振光的LED作为 LCD背光源，如果能够利用光选择定则，通过外加磁场调制其圆偏振光为线偏振光，则不再需要下偏振片，从而解决一些相应技术问题。无论在通用照明领域，还是在诸如背光源、汽车前灯、显示屏、景观照明、指示标牌、特种照明等领域，圆偏振光的LED都具有无限的应用潜能。引入自旋载流子后的LED，还涉及到另一个至关重要的问题是自旋载流子(电子或空穴)输运问题，即不考虑磁性层与发光层界面缺陷等各种工艺因素时，载流子极化自旋注入后的寿命问题或能否输运到发光层的问题。极化的自旋电子或空穴，其自旋保持(弛豫) 时间比普通电子或空穴长，即具有更长的寿命和较远的输运距离，这为更多的载流子到达发光层复合发光提供了有利条件。这就表明，在合理的工艺条件下，施加同等的电流时，经由磁性层注入到LED发光层进行辐射复合发光的电子或空穴可以比传统LED多。引入自旋载流子后的LED，还有一个重要问题，那就是制备问题，也就是是否能与现有半导体工艺兼容的问题。目前，除MOCVD法外，MBE法能在低温下得到居里温度达到或高于室温的高质量的氮化物稀磁性半导体薄膜。所得薄膜材料具有大的直接能隙，可以放出短波长的蓝光或紫外光，还具有高热导率、好的化学惰性、适合于高温条件操作等特点， 并且，可以成功掺杂为η型或P型，且适合于异质结构，能与现有半导体工艺相兼容。这表明，过渡金属掺杂的磁性化合物半导体薄膜已能尽快推广到传统LED芯片现有工艺中。MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文缩写。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种III-V族、II -VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(IO-IOOTorr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200°C， 用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方)，H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。MBE是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)的英文缩写。MBE是一种新的晶体生长技术，其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好， 而且面积较大均勻性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。由于采用了上述的技术方案，与现有技术相比，本实用新型采用在LED芯片pn结半导体层的材料中加入过渡金属的方法，使半导体层能为发光层提供极化的自旋载流子注入，这些极化的空穴或电子输运到发光层后与另一侧提供的未极化或极化的电子或空穴辐射复合，以实现LED芯片发出圆偏振光的目的。并且，还可以通过调整所述LED芯片的发光层的结构及材料组分，以获得不同颜色的圆偏振光。本实用新型的方法简单，容易实施，产品的质量稳定性好，适用范围广，使用效果好。
图1为本实用新型的结构示意图；图2、图3及图4为本实用新型的制作过程示意图；图5为钝化保护后待切割的芯片平面示意图。
具体实施方式
本实用新型的实施例1 发射圆偏振光的LED芯片，芯片顶层为ρ型磁性层，在顶部的P型层中掺杂Mn，使顶层的P型层成为具有磁性的半导体层，ρ型层为发光层提供自旋载流子(空穴)注入，输运到发光层中的自旋载流子与η型层中输运的未自旋极化的载流子 (电子)辐射复合，使发光层发出圆偏振光(发光层为10个周期的氮化镓铟(GalnN/GaN)多量子阱结构)。上述发射圆偏振光的LED芯片的结构如图1所示，包括衬底基片1，在衬底基片1 上设有缓冲层2，在缓冲层2的上设有非磁性的半导体底层3，在半导体底层3上设有发光层4，在发光层4上设有磁性半导体顶层5，在磁性半导体顶层5上设有透明电极层6 ；在半导体底层3及透明电极层6上分别连接有底层电极7及顶层电极8 ；在外部设有露出底层电极7及顶层电极8顶面的钝化保护层9。上述发射圆偏振光的LED芯片的制备方法a对衬底基片进行处理先将蓝宝石作为材料的衬底基片在1100°c下烘烤20min，然后在800°C下对衬底基片进行IOOs的氮化处理；b生长η型一侧薄膜在经过处理的衬底基片上采用MOCVD法，在800°C的条件下，生长厚度为8nm的AlN缓冲层；600°C的条件下，生长厚度为2um的GaN缓冲层；在600°C的条件下，生长厚度为IOOnm的GaN层；在600°C的条件下，掺杂Si生长厚度为IOOnm的η型GaN 层；c生长多量子阱发光层1)在600°C的条件下，生长厚度为50nm的GaN层；2)600°C的条件下，生长厚度为IOnm的氮化镓铟(InGaN)发光层；3)在600°C的条件下，生长厚度为50nm 的GaN层；4)将步骤2)及步骤3)重复10个周期，最后一个GaN层可以为P型；d采用MBE 法生长ρ型(GivxMnx) N磁性半导体薄膜在240°C的条件下，利用共掺杂方式加入Mn以及比N原子半径小的Mg，生长厚度为80nm的ρ型Gai_xMnxN顶接触层(x=3% 5%)；在略低于生长温度的条件下退火1小时，得到的外延片结构见附图3 ；e清洗使用H2SO4溶液、H2O2溶液、氢氟酸溶液、盐酸、NH4OH等结合超声波清洗技术去除所述LED外延片表面的有机杂质和金属离子；f沉积透明电极层采用溅射法在P型(Gai_xMnx) N磁性半导体薄膜上沉积一层ITO透明电极，厚度为200nm ；g去除η区的透明电极层在ITO上涂一层光刻胶，对η区的方形区域进行光刻、刻蚀，刻蚀方法为反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀完毕后除去光刻胶；h对 η电极区平台光刻、刻蚀对芯片进行清洗后，涂厚的光刻胶；在附图4所示η区位置光刻出一个需要的几何区域，其位置也根据需要可调；刻蚀出比较深的η侧电极区平台，既要保证刻蚀到η型GaN裸露，又不能将η型GaN层刻穿；刻蚀的方法采用增强等离子刻蚀(ICP) 法；刻蚀完毕后去除光刻胶，退火处理；i沉积P区和η区电极对芯片进行清洗后，采用磁控溅射的方法在P型(GivxMnx) N层和η型GaN区沉积Cu电极，厚度为200nm ；对芯片进行清洗后，涂光刻胶，针对P区和η区的金属电极进行光刻、刻蚀；剥离残留的光刻胶，进行退火处理，得到的结构见附图5 ;j制备SiO2保护层对芯片进行清洗后，用MOCVD设备生长一层SiO2保护层。涂光刻胶，对η电极和ρ电极的露出部分的图形进行光刻；用氟化氢(HF) 溶液对电极区的SW2进行刻蚀，完毕后除去光刻胶；k芯片的后期处理对芯片的蓝宝石衬底进行研磨、减薄、划片、切割和成品测试等工序，最后对芯片进行封装。按照所述步骤和工艺，能够制备出含质量较好的P型^vxMnxN磁性薄膜的LED芯片，其中的P型磁性半导体薄膜与发光层上方的GaN构成异质结，成为极化自旋空穴注入器。通过该磁性自旋载流子注入器，可以向发光层注入极化空穴，到达发光层的极化自旋空穴与η型GaN提供的未极化的电子发生辐射复合发射出圆偏振光。通过调整发光层结构及材料组分可以发出不同颜色的圆偏振光。本实用新型的实施例2 发射圆偏振光的LED芯片，芯片的顶层为ρ型磁性层、底层为η型磁性层，即将顶部的ρ型层及底部的η型层中掺杂Fe，同时在ρ型层中加入Si降低受主补偿、在η型层中加入Si增加施主电荷，使顶层的ρ型层及底部的η型层成为具有磁性的半导体层，P型层及η型层同时为发光层提供自旋载流子注入，输运到发光层中辐射复合，使发光层发出圆偏振光(发光层为5个周期的氮化镓铟(GalnN/GaN)多量子阱结构)。上述可发射圆偏振光的LED芯片的制备方法为，a对衬底基片进行处理先将蓝宝石作为材料的衬底基片在1000°c下烘烤22min，然后在500°C下对衬底基片进行160s的氮化处理；b生长η型一侧薄膜在经过处理的衬底基片上采用MOCVD法，在500°C的条件下， 生长厚度为IOnm的AlN缓冲层；500°C的条件下，生长厚度为2um的GaN缓冲层；在500°C 的条件下，生长厚度为200nm的GaN层；在500°C的条件下，掺杂!^e及Si生长厚度为200nm 的η型(Gai_xFex) N层(χ=3% 5%) ；c生长多量子阱发光层1)在500°C的条件下，生长厚度为IOOnm的GaN层；2) 500°C的条件下，生长厚度为15nm的氮化镓铟(InGaN)发光层；3) 在500°C的条件下，生长厚度为IOOnm的GaN层；4)将步骤2)及步骤3)重复5个周期，最后一个GaN层可以为P型；d采用MOCVD法生长ρ型(Gai_xFi3x)N磁性半导体薄膜在500°C 的条件下，利用共掺杂方式加入狗以及Zn，生长厚度为SOnm的ρ型(Gai_xFex) N顶接触层 (x=2. 5% 5%); e清洗使用H2SO4溶液、H2A溶液、氢氟酸溶液、盐酸、NH4OH等结合超声波清洗技术去除所述LED外延片表面的有机杂质和金属离子；f沉积透明电极层采用溅射法在ρ型(Gi^xFi5x)N磁性半导体薄膜上沉积一层ITO透明电极，厚度为200nm ；去除η区的透明电极层。在ITO上涂一层光刻胶，对η区的方形区域进行光刻、刻蚀，刻蚀方法为反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀完毕后除去光刻胶；g对η电极区平台光刻、刻蚀对芯片进行清洗后，
6涂厚的光刻胶；在η区位置光刻出一个需要的几何区域，其位置也根据需要可调；刻蚀出比较深的η侧电极区平台，既要保证刻蚀到η型GaN裸露，又不能将η型GaN层刻穿；刻蚀的方法采用增强等离子刻蚀(ICP)法；刻蚀完毕后去除光刻胶，退火处理；h沉积ρ区和η区电极对芯片进行清洗后，采用磁控溅射的方法在P型(Gi^xFex) N层和η型(Gi^xFex) N区沉积Au电极，厚度为200nm ；对芯片进行清洗后，涂光刻胶，针对ρ区和η区的金属电极进行光刻、刻蚀；剥离残留的光刻胶，进行退火处理；i制备SiO2保护层对芯片进行清洗后，用 MOCVD设备生长一层SiO2保护层。涂光刻胶，对η电极和ρ电极的露出部分的图形进行光刻；用氟化氢(HF)溶液对电极区的SW2进行刻蚀，完毕后除去光刻胶；j芯片的后期处理 对芯片的蓝宝石衬底进行研磨、减薄、划片、切割和成品测试等工序，最后对芯片进行封装。本实用新型的实施例3 发射圆偏振光的LED芯片，芯片为反转的LED外延层结构，即顶层为η型磁性层的LED芯片。方法是将顶部的η型层中掺杂Co和Si、底部ρ型层中加入Mg，使顶层的η型层成为具有磁性的半导体层，该η型层为发光层提供自旋载流子 (电子)注入，输运到发光层中的自旋载流子与P型层中输运的未自旋极化的载流子(空穴) 辐射复合，使发光层发出圆偏振光(发光层为15个周期的氮化镓铟(GalnN/GaN)多量子阱结构)。上述可发射圆偏振光的LED芯片的制备方法为，a对衬底基片进行处理先将蓝宝石作为材料的衬底基片在1200°C下烘烤18min，然后在1000°C下对衬底基片进行60s的氮化处理；b生长ρ型层一侧薄膜在经过处理的衬底基片上采用MOCVD法，在1000°C的条件下，生长厚度为5nm的AlN缓冲层；700°C的条件下，生长厚度为2um的GaN缓冲层；在700°C 的条件下，生长厚度为50nm的GaN层；在700°C的条件下，掺杂Mg生长厚度为50nm的ρ型 GaN层；c生长多量子阱发光层1)在650°C的条件下，生长厚度为IOOnm的GaN层；2)650°C 的条件下，生长厚度为5nm的氮化镓铟(InGaN)发光层；3)在650°C的条件下，生长厚度为 IOOnm的GaN层；4)将步骤2)及步骤3)重复15个周期；d采用MBE法生长η型(Gi^xC0x) N磁性半导体薄膜在220°C的条件下，利用共掺杂方式加入Co以及Si，生长厚度为20nm的 ρ型(Gai_xCox) N顶接触层(x=3% 5%)；在略低于生长温度的条件下退火1小时；e清洗 使用溶液、H2A溶液、氢氟酸溶液、盐酸、NH4OH等结合超声波清洗技术去除所述LED外延片表面的有机杂质和金属离子；f沉积透明电极层采用溅射法在η型(Gai_xCox) N磁性半导体薄膜上沉积一层ITO透明电极，厚度为200nm ；g去除ρ区的透明电极层在ITO上涂一层光刻胶，对P区的方形区域进行光刻、刻蚀，刻蚀方法为反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀完毕后除去光刻胶；h对ρ电极区平台光刻、刻蚀对芯片进行清洗后，涂厚的光刻胶；在ρ区位置光刻出一个需要的几何区域，其位置也根据需要可调；刻蚀出比较深的P侧电极区平台，既要保证刻蚀到P型GaN裸露，又不能将ρ型GaN层刻穿；刻蚀的方法采用增强等离子刻蚀(ICP)法；刻蚀完毕后去除光刻胶，退火处理；i沉积ρ区和η区电极对芯片进行清洗后，采用磁控溅射的方法在η型(((;ai_xC0x) N层和ρ型GaN区沉积Cu电极，厚度为200nm ； 对芯片进行清洗后，涂光刻胶，针对P区和η区的金属电极进行光刻、刻蚀；剥离残留的光刻胶，进行退火处理；j制备SW2保护层对芯片进行清洗后，用MOCVD设备生长一层SW2保护层。涂光刻胶，对η电极和ρ电极的露出部分的图形进行光刻；用氟化氢(HF)溶液对电极区的SW2进行刻蚀，完毕后除去光刻胶；k芯片的后期处理对芯片的蓝宝石衬底进行研磨、减薄、划片、切割和成品测试等工序，最后对芯片进行封装。[0028] 按照所述步骤和工艺，能够制备出含质量较好的η型(Gai_xCox) N磁性薄膜的LED 芯片，其中的η型(Gai_xCox) N磁性半导体薄膜与发光层上方的GaN构成异质结，成为极化自旋电子注入器，通过该磁性自旋载流子注入器，可以向发光层注入极化电子，到达发光层的极化自旋电子与P型GaN提供的未极化的空穴发生辐射复合发射出圆偏振光。
权利要求1.一种发射圆偏振光的LED芯片，包括衬底基片(1 )，其特征在于在衬底基片(1)上设有缓冲层(2)，在缓冲层(2)上设有非磁性或磁性的半导体底层(3)，在半导体底层(3)上设有发光层(4 )，在发光层(4 )上设有磁性半导体顶层(5 )，在磁性半导体顶层(5 )上设有透明电极层(6);在半导体底层(3)及透明电极层(6)上分别连接有底层电极(7)及顶层电极 (8)；在外部设有露出底层电极(7)及顶层电极(8)顶面的钝化保护层(9)。
2.根据权利要求1所述的发射圆偏振光的LED芯片，其特征在于发光层(4)为发光层、量子阱、衬底图形化阵列生长的发光层、量子点发光层、纳米线发光层中的一种或几种的复合结构。
3.根据权利要求1所述的发射圆偏振光的LED芯片，其特征在于半导体底层(3)及磁性半导体顶层(5)为η型层或ρ型层，它们的层型相反。
专利摘要本实用新型公开了一种发射圆偏振光的LED芯片，包括衬底基片，在衬底基片上设有缓冲层，在缓冲层上设有非磁性或磁性的半导体底层，在半导体底层上设有发光层，在发光层上设有磁性半导体顶层，在磁性半导体顶层上设有透明电极层；在半导体底层及透明电极层上分别连接有底层电极及顶层电极；在外部设有露出底层电极及顶层电极顶面的钝化保护层。本实用新型采用在LED芯片pn结半导体层的材料中加入过渡金属的方法，使半导体层能为发光层提供极化的自旋载流子注入，这些极化的空穴或电子输运到发光层后与另一侧提供的未极化或极化的电子或空穴辐射复合，以实现LED芯片发出圆偏振光的目的。
文档编号H01L33/00GK202120976SQ201120238700
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者张荣芬, 李绪诚, 杨利忠, 许铖, 邓朝勇 申请人:贵州大学