本发明涉及面向可见光通信的led芯片领域，具体涉及宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片及其制备方法。
背景技术
随着互联网、物联网、人工智能等技术的快速发展，无线电频谱的承载能力也显得更加匮乏，愈见拥挤。可见光通信技术利用led发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。同时作为照明源与信号源的高发光效率和大调制带宽的led芯片成为研究热点。
led芯片的调制带宽是影响可见光通信系统中数据传输速率的重要因素。gan基led是目前主流的商用照明光源，但是其调制带宽仅3‐50mhz，远远不能满足可见光通信光源的要求。二维光子晶体由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。lin,tungching和yin,yufeng等人[lintcandhuangjjhigh‐speedmodulationofgan‐basedlightemittingdiodewithembeddedphotoniccrystals[c].sixteenthinternationalconferenceonsolidstatelightingandled‐basedilluminationsystems,2017:34；yinyf,lanwy,lintc,etal.high‐speedvisiblelightcommunicationusinggan‐basedlight‐emittingdiodeswithphotoniccrystals[j].2017,pp(99):1‐1.]通过制备空气孔光子晶体led正装芯片，将led芯片的调制带宽提升到几百mhz。但是正装结构有诸多缺点，如散热不佳，电极挡光，电流拥挤等问题。
技术实现要素：
本发明针对面向可见光通信的gan基led芯片，提供一种出光面为蓝宝石透明衬底，出光面更大，提高分辨率，p‐电极键合散热基板直接散热，散热效率高，单元互不干扰的宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：
一种宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片，在透明衬底上由x行y列的发光单元组成，其中x和y的取值为大于4的整数；每个发光单元为结构相同的倒装结构，都包括gan外延层、金属反射镜层、保护层、钝化层、n‐电极和p‐电极；gan外延层由缓冲层、非故意掺杂gan层、n‐gan层、量子阱层和p‐gan层从下到上依次连接组成；其中，从图形化处理后gan外延片表面的p‐gan层到n‐gan层以及sog形成二维光子晶体结构，从p‐gan层上表面到n‐gan层底部构成二维光子晶体结构的深度，二维光子晶体结构的深度为1.0‐1.5μm；sog108位于n‐gan层、量子阱层和p‐gan层形成的柱状结构间隙；
所述发光单元的顶部截面小于等于100μm，相邻发光单元之间的间距小于50μm；n‐gan层为台基结构，在n‐gan层的台基上设置圆环状的n‐电极，在p‐gan层顶部设置金属反射镜层，金属反射镜层和gan外延层的外周设有保护层，保护层外周设有p‐电极；
每一行发光单元的p‐电极通过金属线串连，金属线连接到led倒装阵列芯片边缘的p焊盘；每一列的n‐电极通过金属线串连，金属线连接到led倒装阵列芯片边缘的n焊盘。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述二维光子晶体结构的几何参数可随不同光源波长而改变，晶格常数在波长量级，占空比在0.1‐0.9之间。
优选地，所述透明衬底的材料为蓝宝石，金属反射镜层为圆盘形。
优选地，所述发光单元为圆柱形或者方柱形，发光单元的直径或边长在于微米数量级。
优选地，所述金属反射电极层为银镜或dbr；所述钝化层的材料为sio2、sin、sion、al2o3、hfo2和sog等绝缘介质材料中的一种。
优选地，所述p焊盘为圆形结构；所述n焊盘为方形。
优选地，所述n‐电极或p‐电极的材料为au、cr、ni、ag、ti、al、pt、pd等材料中的一种或多种及其合金。
优选地，所述二维光子晶体结构采用电子束光刻法、纳米压印法、ps小球法、sio2小球法或aao模板法制备。
优选地，所述纳米压印法制备二维光子晶体结构包括如下步骤：
1)清洗透明衬底上的gan外延片，gan外延片包括由下到上依次连接的缓冲层、非故意掺杂gan层、n‐gan层、量子阱层3和p‐gan层；
2)将gan外延片清洗后，在gan外延片p‐gan表面制备一层掩膜；
3)在掩膜表面旋涂纳米压印胶；
4)使用压印设备将纳米压印模板上的纳米图案转移至纳米压印胶上，形成光子晶体结构；。纳米图案为周期性的纳米凸点或纳米凹点；
5)使用icp‐rie设备干法刻蚀纳米压印胶和掩膜，使图案转移至掩膜上；
6)使用icp‐rie设备干法刻蚀掩膜和gan外延片，使光子晶体图案转移至gan外延片上；
7)清洗gan外延片后旋涂sog，并退火处理使之填充紧密；
8)使用icp‐rie设备干法刻蚀sog至p‐gan表面，完成二维光子晶体的制备。
所述的宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)在已经制备二维光子晶体结构的led的gan外延层上沉积反射层，并高温退火进行合金，再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，然后进行湿法腐蚀，侧向腐蚀使得电流扩展层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸为1～5μm；
(2)以步骤(1)制备的光刻胶掩模层作为刻蚀台面结构的掩模层，通过干法刻蚀制备台面结构，暴露n‐gan层，然后去除光刻胶；
(3)在步骤(2)所述的台面结构和暴露的n‐gan上形成掩模层，掩模层的横向尺寸大于台面结构50μm以上，干法刻蚀制备隔离槽，暴露衬底，去除掩模层；
(4)通过紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤(3)所得的台基上和隔离槽制备处n电极圆环、n电极金属线和n焊盘；
(5)通过介质薄膜沉积技术在步骤(3)所得的台面结构和步骤(4)所得的台基结构的顶部和侧壁沉积钝化层；再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，掩模层分别在台面结构的顶部有一个圆形开口暴露反射电极，在台基结构n电极和p电极不交叠处有个半环形开口暴露n电极；
(6)通过普通紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤(5)所得的台面结构的顶部和隔离槽处制备p电极、p电极金属线和p焊盘。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1)本发明通过在p‐gan层上制备反射电极，使出光面为蓝宝石透明衬底，不再通过蓝宝石散热，由p‐电极键合散热基板直接散热，提高散热能力。
2)本发明倒装结构消除晶片正面出光中电极挡光提高出光效率，倒装结构出光面更大，能将芯片尺寸做的更小提高分辨率。
3)本发明二维光子晶体led倒装阵列芯片是在普通外延片上进行图案转移，与现有工艺兼容，因此不会对外延片的生长产生影响，有效避免外延片生长的质量问题，提高芯片可靠性。
4)本发明不同于传统倒装芯片在出光面制备光子晶体的方法，选择在外延片的内部，从表面的p‐gan层到n‐gan层制备光子晶体，可以有效提高led芯片的调制带宽和出光效率。
5)本发明二维光子晶体led倒装阵列芯片采用倒装结构，散热效果好，出光效率高，分辨率高。同时采用n、p电极分层，实现阵列单元矩阵寻址。相邻发光单元通过隔离沟槽实现单元独立，减少了单元之间光、电串扰，提升了led阵列的可靠性和分辨率。
6)本发明阵列结构中同一列发光单元的n‐gan连通实现共阴极，而同一行发光单元的p‐gan连通实现共阳极，从而实现单元可寻址控制。
附图说明
图1为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的阵列图；
图2为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装芯片单元的结构示意图；
图3为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的p电极的横截面示意图；
图4a～图4h为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片中二维光子晶体结构制备方法的各步骤所得产物示意图；
图5a～图5f为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的制备过程各步骤所得产物示意图。
图中示出：透明衬底99、缓冲层100、非故意掺杂gan层101、n‐gan层102、量子阱层103、p‐gan层104、掩膜105、纳米压印胶106、sog108、金属反射镜层109、保护层110、钝化层111、n‐电极112、p‐电极113。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。为表达的更简洁清晰，公知的功能和结构没有进行特别详细的描述。
如图1‐3所示，一种宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片，在透明衬底99上由x行y列的发光单元组成，其中x和y的取值为大于4的整数；每个发光单元为结构相同的倒装结构，都包括gan外延层、金属反射镜层109、保护层110、钝化层111、n‐电极112和p‐电极113；gan外延层由缓冲层100、非故意掺杂gan层101、n‐gan层102、量子阱层103和p‐gan层104从下到上依次连接组成；其中，从图形化处理后gan外延片表面的p‐gan104层到n‐gan层102以及sog108形成二维光子晶体结构，从p‐gan104层上表面到n‐gan层102底部构成二维光子晶体结构深度，优选为1.0‐1.5μm；sog108位于n‐gan层102、量子阱层103和p‐gan层104形成的柱状结构间隙；所述金属反射镜层相接触的gan外延层具有二维光子晶体结构，由外延层和间隙材料sog108组成不同折射率的介质排列周期。
发光单元的顶部截面小于等于100μm，相邻发光单元之间的间距小于50μm；n‐gan层102为台基结构，在n‐gan102层的台基上设置圆环状的n‐电极112，在p‐gan层104顶部设置金属反射镜层109，金属反射镜层109和gan外延层的外周设有保护层110，保护层110外周设有p‐电极113。n‐电极112和p‐电极113通过钝化层111进行电学隔离。
每一行的发光单元的p‐电极113通过金属线串连，金属线连接到led倒装阵列芯片边缘的圆形p焊盘；每一列的n‐电极112通过金属线串连，金属线连接到led倒装阵列芯片边缘的方形n焊盘；驱动对应焊盘实现矩阵芯片单元的可寻址控制。
二维光子晶体结构的在外延片的内部，从外延片表面的p‐gan104层到n‐gan层102，深度优选为1.2‐1.3μm；二维光子晶体结构的几何参数可随不同光源波长而改变，晶格常数在波长量级，占空比在0.1‐0.9之间。
透明衬底99是蓝宝石材料，金属反射镜层109优选为圆盘形。
所述发光单元为圆柱形或者方柱形，发光单元的直径或边长在于微米数量级。gan外延层优选为台柱形结构。
所述金属反射电极层109为银镜或dbr。所述钝化层111的材料为sio2、sin、sion、al2o3、hfo2和sog等绝缘介质材料中的一种。
所述n‐电极112或p‐电极113的材料为au、cr、ni、ag、ti、al、pt、pd等材料中的一种或多种及其合金。
所述二维光子晶体结构可采用电子束光刻法、纳米压印法、ps小球法、sio2小球法、aao模板法等方法制备。
未制备n‐电极112和p‐电极113的金属电极前，相邻发光单元通过隔离沟槽实现电绝缘，隔离沟槽从芯片表面延伸至绝缘衬底；制备金属电极后，p‐电极113分布在表面的中心，n‐电极112围绕p‐电极113分布在发光单元的边缘。
n‐电极112与p‐电极113金属线实现电隔离的结构在于：先通过电子束溅射制备圆环状的n‐电极112、n焊盘和他们相连的金属线，接着利用pecvd沉积钝化层111，然后通过光刻和刻蚀暴露出n焊盘、圆盘状的p‐电极113和p焊盘区域，再制备p‐电极113、p焊盘和他们相连的金属线，形成n‐电极112、钝化层111、p‐电极113三层结构。
本发明同一列发光单元的n‐电极112通过金属线和n焊盘相连实现共阴极，同一行发光单元的p‐gan113通过金属线和p焊盘相连实现共阳极。
所述光子晶体结构可采用纳米压印法、电子束光刻法、ps小球法、sio2小球法、aao模板法等。图4a～图4h为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片中二维光子晶体结构制备方法的各步骤所得产物示意图；如图4a～图4h所示，以纳米压印法为例介绍二维光子晶体led倒装阵列芯片中二维光子晶体结构制备方法，包括如下步骤：
1)清洗透明衬底99上的gan外延片，gan外延片的结构如如图4a所示，包括由下到上依次连接的缓冲层100、非故意掺杂gan层101、n‐gan层102、量子阱层103和p‐gan层104；透明衬底99为蓝宝石材料制成。gan外延片采用一般的商用gan外延片。
2)将gan外延片清洗后，在gan外延片p‐gan104表面制备一层掩膜105，如图4b；掩膜可采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、铟锡氧化物、氧化锌、金、银、镍、铝、铬和钛等中的一种。
3)在掩膜105表面旋涂纳米压印胶106，如图4c；
4)使用压印设备将纳米压印模板上的纳米图案转移至纳米压印胶106上，形成光子晶体结构，如图4d；纳米压印模板可选用硬模板(如：石英玻璃)或软模板(如：聚二甲基硅氧烷)。纳米图案为周期性的纳米凸点或纳米凹点。
5)使用icp‐rie设备干法刻蚀纳米压印胶106和掩膜105，使图案转移至掩膜105上，如图4e；
6)使用icp‐rie设备干法刻蚀掩膜105和gan外延片，使光子晶体图案转移至gan外延片上，如图4f；
7)清洗gan外延片后旋涂sog108绝缘介质材料，并退火处理使之填充紧密，如图4g；
8)使用icp‐rie设备干法刻蚀sog108至p‐gan104表面，完成二维光子晶体的制备。芯片横截面如图4h所示。
图5a～图5f为本发明宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的制备过程各步骤所得产物示意图；如图5a～图5f所示，一种宽带高效的二维光子晶体led倒装阵列芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)在已经制备二维光子晶体结构的gan外延层上，使用电子束蒸发沉积ni/ag/ni(0.5/150/2nm)金属反射电极层109，并在475℃氧气气氛下快速退火3min，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，再使用ag腐蚀液在35℃下湿法腐蚀30sec，反射率约95％，并适当的侧向腐蚀使得电流扩展层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸约1～5μm；然后使用磁控溅射沉积tiw(400nm)金属保护层110，使用普通紫外光刻工艺形成光刻胶掩模，再使用tiw腐蚀液在35℃下湿法腐蚀4min30sec，形成圆盘状的金属保护层110，完成金属反射镜层109的制备，使出光面为蓝宝石透明衬底99(倒装结构)。芯片横截面如图5a所示；
(2)在105℃热板上烘烤5min后，通过感应耦合等离子体(icp)干法刻蚀7min制备台柱结构，然后采用丙酮超声去除光刻胶；圆台上深度约为1.3μm；芯片横截面如图5b所示；
(3)采用光刻工艺在台面结构和暴露的n‐gan102上形成光刻胶圆盘型掩模层，掩模层的半径略大于台面结构50μm，再进行icp干法刻蚀刻蚀35min直至透明衬底99，制备隔离槽，以暴露衬底99，然后采用丙酮超声去除光刻胶；芯片横截面如图5c所示；
(4)采用负性光刻胶和普通紫外光刻技术，利用电子束蒸发沉积cr/au电极，厚度为1200nm；然后放入丙酮浸泡20min，并采用蓝膜撕金，在台基上和隔离槽制备处形成圆环状的n‐电极112、n‐电极金属线和n‐焊盘的图案；芯片横截面如图5d所示；
(5)采用等离子增强化学气相沉积在300℃沉积sio2薄膜作为介质绝缘层；再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，掩模层分别在台面结构的顶部设有一个圆形开口，开口直径为10μm，在台基结构n‐电极112和p‐电极113不交叠处有个半环形开口暴露n‐电极，方便散热；通过icp干法刻蚀完成图案转移；然后采用丙酮超声去除光刻胶；芯片横截面如图5e所示；
(6)采用负性光刻胶和普通紫外光刻技术，形成p‐电极113、p‐电极金属线和p焊盘的图案；利用电子束蒸发沉积cr/au电极，厚度为1200nm；然后放入丙酮浸泡20min，并采用蓝膜撕金，在台基上和隔离槽制备处p‐电极113圆盘、p‐电极金属线和p焊盘；芯片横截面如图5f所示。
如上即可较好完成所述微米尺寸倒装led芯片的制备
在表面制备二维光子晶体，只能修正量子阱中出射光的角度，增大出光角度。本发明通过驱动对应焊盘实现矩阵芯片单元亮暗操作，在gan外延片的内部制备二维光子晶体，能实现对光子寿命调控，降低载流子寿命从而提升led芯片的调制带宽。
本发明通过在p‐gan层104层上制备反射电极109，使出光面为蓝宝石透明衬底99，不再通过蓝宝石散热，由p‐电极113键合散热基板直接散热，提高散热能力。消除晶片正面出光中电极挡光提高出光效率。倒装结构出光面更大，能将芯片尺寸做的更小提高分辨率。
本发明通过驱动对应焊盘实现阵列单元的矩阵寻址。高密度的阵列芯片集成会造成芯片单元间的光学和电学串扰，深刻蚀到蓝宝石衬底的隔离槽能将芯片单元分离成相互独立的、互不干扰的单元。
本发明使用纳米技术对外延结构进行图形化处理，形成二维光子晶体结构。结合金属反射镜层109和二维光子晶体结构同时提高led芯片的出光效率和调制带宽，成为可见光通信的理想光源和信号源。
上述实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的原理进行形式和细节上的各种修正和改变，这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。