悬空氮化物薄膜led器件及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种悬空氮化物薄膜LED器件及其制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，包括顶层氮化物器件层和硅衬底层；该方法能够实现高折射率硅衬底层和氮化物器件层的剥离，消除硅衬底层对激发光的吸收，实现悬空氮化物薄膜LED器件；顶层氮化物器件层的上表面具有纳米结构，用以改善氮化物的界面状态，提高出光效率；结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除LED器件下方的硅衬底层，得到悬空氮化物薄膜LED器件，进一步采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得超薄的悬空氮化物薄膜LED器件，降低LED器件的内部损耗，提高出光效率。
【专利说明】悬空氮化物薄膜LED器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息材料与器件【技术领域】，涉及一种悬空氮化物薄膜LED器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着氮化物材料生长技术的突破，硅衬底氮化物晶片已经逐步实现技术突破，走向商用市场。发展硅衬底氮化物LED器件，具有广阔的应用空间。
[0003]以往的氮化镓LED都是生长在蓝宝石衬底上面，本发明的氮化镓LED是生长在硅衬底上面的。并且和光学微机电器件(MEMS)相结合。实现对光波的调控，同时提高了出光的效率。在氮化物器件层的上表面具有纳米结构，是谐振光栅，用以改善氮化物的界面状态，提高出光效率；
[0004]作为LED发光器件，特别是蓝光的发光效率非常重要。但是由于硅材料对于蓝光的吸收作用，所以对硅衬底的剥离问题也是一个关键问题。生长在硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，获得悬空的氮化物薄膜；利用悬空氮化物薄膜背后减薄技术，可以解决顶层氮化物器件的刻蚀难题，通过背后减薄，获得超薄的氮化物薄膜，减小LED器件的内部损耗。此外，氮化物薄膜LED器件，可以转移到其他低折射率衬底上，实现多种器件的集成。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明提供了一种结合谐振光栅的、具有高出光效率、易散热的悬空氮化物薄膜LED器件，同时提供一种该LED器件的制备方法。
[0006]技术方案:本发明的悬空氮化物薄膜LED器件，以生长有P-N结的硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的氮化镓层、生长在氮化镓层上的P-N结和设置在P-N结上侧的谐振光栅，P-N结和谐振光栅构成LED发光器件，LED发光器件下方设置有贯穿硅衬底层和氮化镓层的空腔，使得LED发光器件完全悬空；
[0007]P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层、量子阱和P-GaN接触层，谐振光栅设置在P-GaN接触层上表面，P-GaN接触层上表面位于谐振光栅一侧的区域蒸镀有沉积金属材料为Ni/Au的P-电极，N-GaN接触层上表面为刻蚀出的阶梯状台面，阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，上台面与量子阱的底面连接，下台面上蒸镀有沉积金属材料为Ti/Al的N-电极。
[0008]本发明的制备上述悬空氮化物薄膜LED器件的方法，以生长有P-N结的硅基氮化物晶片为载体，包括如下步骤:
[0009]I)硅基氮化物晶片的氮化镓层上生长的P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层、量子阱和P-GaN接触层，在P-GaN接触层上表面旋涂一层电子束光刻胶，采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义出谐振光栅的结构；
[0010]2)采用反应耦合等离子体刻蚀技术将步骤I)中定义的谐振光栅结构转移到P-GaN接触层中，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶；
[0011]3)在P-GaN接触层上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出N-GaN接触层下台面区域的窗口，在该窗口采用反应离子束向下刻蚀氮化物，刻穿P-GaN接触层和量子阱，直至N-GaN接触层，然后去除残余蚀刻光刻胶；
[0012]4)P_GaN接触层上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义用于蒸镀P-电极区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500±5°C的退火技术，在窗口蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现P-电极，然后去除残余蚀刻光刻胶；
[0013]5)在下台面区域上光刻定义用于蒸镀N-电极区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500±5°C的退火技术，在窗口蒸镀Ti/Al，形成欧姆接触，实现N-电极后，去除残余蚀刻光刻胶；
[0014]6)在生长有N-GaN接触层、量子阱和P-GaN接触层的硅基氮化物晶片的顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在娃衬底层下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层贯穿刻蚀至氮化物层的下表面，在硅衬底层中形成一个位于LED发光器件下方的空腔；
[0015]7)采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，从下往上刻穿氮化镓层，对N-GaN接触层进行氮化物减薄处理后，去除残余光刻胶，即获得悬空氮化物薄膜LED器件。
[0016]本发明的悬空氮化物薄膜LED器件解决了由于硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度较大，内部损耗严重，加上氮化镓材料和硅材料的晶格不匹配导致应力的作用导致的硅衬底吸收一部分出射光，特别是蓝光，降低了 LED的发光效率的问题，还解决了一般硅基LED器件散热难的问题。所以本发明提供的技术方法能够实现的硅衬底和氮化物器件层的剥离，发展悬空氮化物薄膜LED器件，利用背后减薄技术，减小器件的内部损耗，获得高出光效率的超薄LED器件。
[0017]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0018]本发明的悬空氮化物薄膜LED器件，采用了消除硅层底和氮化物层减薄技术，减少了由于硅衬底层太厚导致的光的内部消耗，大大提高了出光效率，相比与存在硅衬底层的LED器件，本发明的悬空氮化物薄膜LED器件在出光效率上至少能提高其15倍以上；
[0019]本发明的悬空氮化物薄膜LED器件，在LED发光器件发光区域消除硅衬底层，使得LED器件的散热能力大大增强，提高了 LED器件的工作寿命；
[0020]本发明是生长在硅材料上的氮化镓LED器件，不是蓝宝石衬底，通过背后减薄工艺解决了硅材料和氮化镓材料的晶格不匹配问题，解决了应力释放的问题。
[0021]本发明的悬空氮化物薄膜LED器件，在P-GaN接触层刻蚀有谐振光栅结构，特定的该结构能够实现光的高透射率、波长选择等作用，丰富了 LED器件的用途。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明悬空氮化物薄膜LED器件侧面示意图；
[0023]图2为本发明悬空氮化物薄膜LED器件平面示意图；
[0024]图3为本发明悬空氮化物薄膜LED器件剖面结构示意图；
[0025]图4为本发明悬空氮化物薄膜LED器件制备工艺流程图。[0026]图中有:硅衬底层1、氮化镓层2、谐振光栅3、N-GaN接触层4、量子阱5、P-GaN接触层6、P-电极7、N-电极8。
【具体实施方式】
[0027]下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步具体说明。
[0028]图1、图2、图3给出了本发明的悬空氮化物薄膜LED器件的结构示意图，该器件以生长有P-N结的硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层1、设置在硅衬底层I上的氮化镓层
2、生长在氮化镓层2上的P-N结和设置在P-N结上侧的谐振光栅3，P-N结和谐振光栅3构成LED发光器件，LED发光器件下方设置有贯穿硅衬底层I和作为缓冲作用的氮化镓层2的空腔，使得LED发光器件完全悬空；
[0029]P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层4、量子阱5和P-GaN接触层6，谐振光栅3设置在P-GaN接触层6上表面，P-GaN接触层6上表面位于谐振光栅3 —侧的区域蒸镀有沉积金属材料为Ni/Au的P-电极7，N-GaN接触层4上表面为刻蚀出的阶梯状台面，阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，上台面与量子阱5的底面连接，下台面上蒸镀有沉积金属材料为Ti/Al的N-电极8。
[0030]本发明的悬空薄膜LED器件，刻蚀在P-GaN接触层6上表面的谐振光栅3是条形光栅，该光栅具有波长选择作用，选择需要的光谱，提高利用效率。
[0031]本发明的悬空薄膜LED器件实现的硅衬底层I和氮化镓层2的剥离，发展悬空氮化物薄膜LED器件，利用背后减薄技术，减小器件的内部损耗，获得高出光效率的超薄LED器件，同时在LED发光器件发光区域消除硅衬底层1，使得LED器件的散热能力大大增强。
[0032]本发明的悬空薄膜LED器件，因消除硅衬底层1，减薄氮化镓层2和N-GaN接触层4，在LED器件的P-电极7和N-电极8加比普通带硅衬底LED器件更小的正/负电压下，产生同样量载流子漂移，N-GaN接触层4和P-GaN接触层6的载流子作用，在P-GaN接触层6激发出光子，沿P-GaN接触层6上表面出射光，出射光会经过P-GaN接触层6上表面的谐振光栅3选择，选择出需要的光谱，使选择光得到高效利用。
[0033]本发明的制备悬空氮化物薄膜LED器件的工艺方法，具体步骤如下:
[0034]I)硅基氮化物晶片的氮化镓层2上生长的P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层4、量子阱5和P-GaN接触层6，在P-GaN接触层6上表面旋涂一层电子束光刻胶，采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义出谐振光栅3的结构；
[0035]2)采用反应耦合等离子体刻蚀技术将步骤I)中定义的谐振光栅3结构转移到P-GaN接触层6中，不破坏P-N结的量子阱5，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶;
[0036]3)在P-GaN接触层6上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出N-GaN接触层4下台面区域的窗口，在该窗口采用反应离子束向下刻蚀氮化物，刻穿P-GaN接触层6和量子阱5，并刻蚀掉一部分N-GaN接触层4，然后去除残余蚀刻光刻胶；
[0037]4)P_GaN接触层6上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义用于蒸镀P-电极7区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500±5°C的退火技术，在窗口蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现P-电极7，然后去除残余蚀刻光刻胶；
[0038]5)在下台面区域上光刻定义用于蒸镀N-电极8区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500 土 5 V的退火技术，在窗口蒸镀Ti/Al，形成欧姆接触，实现N-电极8后，去除残余蚀刻光刻胶；
[0039]6)在生长有N-GaN接触层4、量子阱5和P-GaN接触层6的硅基氮化物晶片的顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层I下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在娃衬底层I下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层I作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层I贯穿刻蚀至氮化物层2的下表面，在硅衬底层I中形成一个位于LED发光器件下方的空腔；
[0040]7)采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，从下往上刻穿氮化镓层2，对N-GaN接触层4进行氮化物减薄处理后，去除残余光刻胶，即获得悬空氮化物薄膜LED器件。
【权利要求】
1.一种悬空氮化物薄膜LED器件，其特征在于，该器件以生长有P-N结的硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(I )、设置在所述硅衬底层(I)上的氮化镓层(2)、生长在所述氮化镓层(2)上的P-N结和设置在所述P-N结上侧的谐振光栅(3)，所述P-N结和谐振光栅(3)构成LED发光器件，所述LED发光器件下方设置有贯穿硅衬底层(I)和氮化镓层(2)的空腔，使得LED发光器件完全悬空； 所述P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层(4)、量子阱(5)和P-GaN接触层(6 )，所述谐振光栅(3 )设置在P-GaN接触层(6 )上表面，所述P-GaN接触层(6 )上表面位于谐振光栅(3) —侧的区域蒸镀有沉积金属材料为Ni/Au的P-电极(7)，所述N-GaN接触层(4)上表面为刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与量子阱(5)的底面连接，所述下台面上蒸镀有沉积金属材料为Ti/Al的N-电极(8)。
2.一种制备权利要求1所述悬空氮化物薄膜LED器件的方法，其特征在于，该方法以生长有P-N结的硅基氮化物晶片为载体，包括如下步骤: .1)所述硅基氮化物晶片的氮化镓层(2)上生长的P-N结包括从下至上依次连接设置的N-GaN接触层(4 )、量子阱(5 )和P-GaN接触层(6 )，在P-GaN接触层(6 )上表面旋涂一层电子束光刻胶，采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义出谐振光栅(3)的结构； .2)采用反应耦合等离子体刻蚀技术将所述步骤I)中定义的谐振光栅(3)结构转移到P-GaN接触层(6)中，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶； .3)在P-GaN接触层(6)上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出N-GaN接触层(4)下台面区域的窗口，在该窗口采用反应离子束向下刻蚀氮化物，刻穿P-GaN接触层(6 )和量子阱(5 )，直至N-GaN接触层(4 )，然后去除残余蚀刻光刻胶； .4)P-GaN接触层(6)上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义用于蒸镀P-电极(7)区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500 ± 5°C的退火技术，在所述窗口蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现P-电极(7)，然后去除残余蚀刻光刻胶； . 5)在下台面区域上光刻定义用于蒸镀N-电极(8)区域的窗口，然后采用剥离工艺和温度控制在500±5°C的退火技术，在所述窗口蒸镀Ti/Al，形成欧姆接触，实现N-电极(8)后，去除残余蚀刻光刻胶； . 6 )在生长有N-GaN接触层(4)、量子阱(5 )和P-GaN接触层(6 )的硅基氮化物晶片的顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层(I)下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在娃衬底层(I)下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层(2)作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将所述硅衬底层(I)贯穿刻蚀至氮化物层(2 )的下表面，在硅衬底层(I)中形成一个位于LED发光器件下方的空腔； .7)采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，从下往上刻穿氮化镓层(2)，对N-GaN接触层(4)进行氮化物减薄处理后，去除残余光刻胶，即获得悬空氮化物薄膜LED器件。
【文档编号】H01L33/00GK103779452SQ201410026373
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】王永进, 白丹, 施政, 李欣, 高绪敏, 陈佳佳, 朱洪波 申请人:南京邮电大学