欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制作方法

本实用新型涉及光子晶体LED芯片领域，具体涉及一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片。

背景技术：

可见光通信是新一代的无线通信研究热点。该技术利用LED(发光二极管)发出的人眼难以响应的高速明暗闪烁信号进行数据信息的传输，能有效避免无线电磁波通信中信号泄露等潜在危害，具有十分广阔的开发和应用前景。

照明用大尺寸LED芯片的调制带宽十分有限，约3～20MHz，限制了通信的传输速度。与这种毫米数量级的大尺寸芯片相比，微米尺寸芯片具有更小的电阻、更优的电流扩展能力和更大的表面积/体积比，故能产生更少的焦耳热、更均匀的电流密度分布和更快的热对流，因此可工作在更大的电流密度下。研究表明，当注入的电流密度增加时，微米尺寸的LED芯片的调制带宽增加。此外，微尺寸LED的调制带宽还受到载流子寿命的限制。通过引入光子晶体可以调节光子局域态密度，增大载流子辐射复合速率，从而提高调制带宽。

光子晶体的制备一般采用“制备光子晶体→表面平坦化→暴露半导体材料→制备欧姆接触层→制备电极”的工艺流程。在GaN基LED外延片上干法刻蚀形成光子晶体后，GaN材料中镶嵌着纳米尺寸的空气孔，且空气孔的深度超过量子阱层的深度。在光子晶体区域制备电极时，为了避免电极材料落入空气孔导致GaN材料的空穴注入层(P型掺杂GaN层)和电子注入层(N型掺杂GaN层)短路，需要采用介质材料填充这些空气孔。一种常用的填充办法是，在外延片上旋涂SOG使得外延片表面平坦化，经高温处理后，SOG转变成绝缘的SiO2介质层。该SiO2介质层不仅填充在光子晶体的空气孔内，而且包覆在光子晶体的表面。为了暴露导电层，需要采用干法刻蚀等方法将光子晶体表面的介质绝缘层去除。此时，在外延片表面，GaN材料中镶嵌着纳米尺寸的SiO2介质层。使用电子束蒸发在光子晶体的表面沉积电流扩展层，并退火形成欧姆接触，再在电流扩展层上制备金属电极。由于欧姆接触层与半导体材料的接触面积较小，因此欧姆接触性能较差，芯片的电压偏高。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片，具有提高欧姆接触性能、工艺简单、制备方式快速的优点，在负电极与N型掺杂GaN材料分界面上形成接触面光子晶体，并形成欧姆接触层和电流横向扩散层双层结构，提升芯片性能。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片，主体为发光单元，包括金属反射电极、透明电流扩展层、P型掺杂GaN层、P型掺杂AlGaN层、量子阱层、N型掺杂GaN层、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和蓝宝石衬底，所述金属反射电极包括正电极和负电极，所述蓝宝石衬底与GaN缓冲层接触连接，所述GaN缓冲层与非故意掺杂GaN层接触连接，所述非故意掺杂GaN层与N型掺杂GaN层接触连接，所述N型掺杂GaN层与量子阱层接触连接，所述量子阱层与P型掺杂AlGaN层接触连接，所述P型掺杂AlGaN层与P型掺杂GaN层接触连接，所述P型掺杂GaN层与透明电流扩展层接触连接，所述透明电流扩展层与正电极接触连接，所述N型掺杂GaN层还与负电极接触连接。

进一步地，所述光子晶体LED芯片为倒装结构，所述发光单元呈圆台形状，圆台直径为120～220μm，分布有有源区光子晶体。

进一步地，所述正电极呈圆盘状，设置在透明电流扩展层和有源区光子晶体上，所述透明电流扩展层包括欧姆接触层和电流横向扩散层。

进一步地，所述负电极与N型掺杂GaN层的接触面上分布有接触面光子晶体，在无金属电极区域的N型掺杂GaN层上分布有无金属电极区域光子晶体和介质DBR，所述无金属电极区域光子晶体与介质DBR接触连接。

进一步地，所述有源区光子晶体、接触面光子晶体和无金属电极区域光子晶体的直径均为300～1000nm，所述有源区光子晶体材料为半导体材料中镶嵌着介质材料，深度为透明电流扩展层延伸至超过量子阱层深度50nm以上；所述半导体材料包含透明电流扩展层、P型掺杂GaN层、P型掺杂AlGaN层、量子阱层、N型掺杂GaN层。所述无金属电极区域光子晶体一部分覆盖金属负电极，另一部分覆盖介质DBR，深度为200～1500nm。

进一步地，所述负电极围绕着圆台分布，最窄处的宽度大于10μm；所述正电极和负电极上均分布有介质DBR，所述介质DBR在正电极处设有一个开槽，尺寸≥160×100μm²，在负电极处设有两个开槽，尺寸≥100×100μm²，三个开槽形成负电极-正电极-负电极的GSG结构，用于高频信号传输测试。

一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、使用金属氧化物气相沉积法制备GaN基LED外延片，GaN基LED外延片的结构依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、量子阱层、P型掺杂AlGaN层和P型掺杂GaN层。

步骤2、使用电子束蒸发在GaN基LED外延片上沉积透明电流扩展层，经快速退火形成欧姆接触；所述快速退火工艺的退火温度是500～650℃，升温速率是5～15℃/sec，气氛是氮气和氧气的混合气，退火时间是60～300sec。

步骤3、使用等离子体增强化学气相沉积制备介质掩膜层。

步骤4、在介质掩膜上旋涂增粘剂和纳米压印胶，再使用软膜纳米压印在整个芯片的上表面压印成型光子晶体图案；然后使用感应耦合等离子体刻蚀去除光子晶体的空气孔底部残留的纳米压印胶。

步骤5、使用感应耦合等离子体刻蚀，以纳米压印胶为掩膜，将光子晶体图案转移到介质掩膜层。

步骤6、使用感应耦合等离子体刻蚀，以纳米压印胶为掩膜，将光子晶体图案转移到电流扩展层。

步骤7、使用感应耦合等离子体刻蚀，以纳米压印胶和介质为掩膜，将光子晶体图案转移到GaN材料外延层。

步骤8、在具有光子晶体的外延层填充介质材料，使表面平坦化；并使用感应耦合等离子体刻蚀，去除外延层表面的介质材料以暴露透明电流扩展层，且保留光子晶体的介质材料以隔离P型掺杂GaN材料和N型掺杂GaN材料。

步骤9、使用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀，暴露N型掺杂GaN层，形成发光单元的圆台结构，然后采用湿法腐蚀去除残留的表面平坦化填充材料。

步骤10、使用负胶剥离和电子束蒸发，在发光单元的圆台上制备圆盘状的正电极，在发光单元的圆台下制备负电极。

步骤11、使用光学镀膜设备在GaN基LED外延片上制备介质DBR。

步骤12、使用紫外光刻和湿法腐蚀，在电极焊盘区域开槽暴露金属电极。

进一步地，所述步骤2中，所述电流扩展层是ITO(氧化铟锡)，使用电子束蒸发在GaN基LED外延片沉积包括以下步骤：

步骤21、在低温(室温～50℃)、高真空环境下沉积；

步骤22、在通入少量(0～5sccm)氧的气氛下沉积，且步骤21和步骤22的沉积厚度比为1：4至1：6之间；

步骤23、在550℃至600℃范围内、氮气/氧气混合气体下快速退火。所述快速退火工艺的退火温度是500～650℃，升温速率是5～15℃/sec，气氛是氮气和氧气的混合气，退火时间是60～300sec。

进一步地，所述步骤8中，填充的介质材料常温常压(25℃，1标准大气压)下为液态，高温(300～800℃)退火后，形成固态的绝缘介质材料，所述填充的介质材料为SOG(旋转涂布玻璃)、BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型提供的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片，一方面，正电极分布在电流扩展层上，电流扩展层包含欧姆接触层和电流横向扩散层双层结构，退火后的欧姆接触层有利于降低电流扩展层和半导体材料之间的界面电阻，提高欧姆接触性能；另一方面，负电极分布在具有光子晶体的N型掺杂GaN材料上，光子晶体使得金属薄膜与N型掺杂半导体之间的接触面积增大，有利于提高欧姆接触性能。

(2)本实用新型提供的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制备方法，采用“制备电流扩展层→制备介质掩膜层→软膜纳米压印→刻蚀光子晶体→表面平坦化→暴露电流扩展层→制备MESA圆台结构→制备金属电极”的工艺流程。本实用新型的工艺流程的一个特点是，在没有图案的平坦的外延片表面沉积电流扩展层，并退火形成欧姆接触，再刻蚀光子晶体及制备金属电极；与通常采用的“制备光子晶体→表面平坦化→干法刻蚀暴露半导体材料→制备欧姆接触层→制备电极”的工艺流程相比，在沉积电流扩展层和退火的过程中，电流扩展层与半导体材料的接触面积较大，因此欧姆接触性能较好。本实用新型的工艺流程的第二个特点是，制备电流扩展层并在其上制备介质掩膜层，然后再刻蚀光子晶体；在后续工艺中刻蚀光子晶体时，下电极的射频偏置功率一般较大，介质掩膜层可避免干法刻蚀时高能量的等离子体轰击电流扩展层导致欧姆接触性能退化。本实用新型的工艺流程的第三个特点是，使用软膜纳米压印，在芯片的整个表面都能得到纳米压印成型的光子晶体图案，然后再制备MESA圆台结构和金属电极，使得有源区域的光子晶体和金属负电极下面的光子晶体可在一次工艺中制备完成。

(3)本实用新型提供的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制备方法，采用的电流扩展层是ITO(氧化铟锡)时，使用电子束蒸发在GaN基LED外延片上分两步沉积，第一步是在低温、高真空环境下沉积，第二步是在通入少量氧的气氛下沉积，且第一层和第二层的厚度比是1：4至1：6之间；电流扩展层在550℃至600℃范围内、氮气/氧气混合气体下退火，可形成性能优良的欧姆接触层和电流横向扩散层双层结构。

(4)本实用新型提供的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制备方法，在制备光子晶体并实现表面平坦化后，采用干法刻蚀形成圆台结构时，表面平坦化的填充材料成为N型掺杂GaN材料区域刻蚀光子晶体的掩膜层，由于表面平坦化的填充材料与GaN材料的刻蚀选择比足够大，可以通过改变刻蚀时间调节N型掺杂GaN材料区域的光子晶体的深度，有利于负电极形成性能优良的欧姆接触。

附图说明

图1为本实用新型的具体实施例中欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的横截面示意图。

图2为本实用新型的具体实施例中欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的表面俯视示意图。

图3a为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中LED外延片的横截面示意图。

图3b为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中制备电流扩展层后的横截面示意图。

图3c为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中制备介质掩膜层后的横截面示意图。

图3d为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中软膜纳米压印后的横截面示意图。

图3e为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中光子晶体图案转移到介质掩膜层后的横截面示意图。

图3f为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中光子晶体图案转移到电流扩展层后的的横截面示意图。

图3g为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中光子晶体图案转移到半导体材料后的的横截面示意图。

图3h为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中表面平坦化且暴露电流扩展层后的横截面示意图。

图3i为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中制备MESA圆台结构后的横截面示意图。

图3j为实施例1的欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片制备过程中制备金属电极后的截面示意图。

图中包括：1蓝宝石衬底；2GaN缓冲层；3非故意掺杂GaN层；4N型掺杂GaN层；41光子晶体刻蚀完成后的N型掺杂GaN层；42MESA圆台结构刻蚀完成后的N型掺杂GaN层；5量子阱层；6P型掺杂AlGaN层；7P型掺杂GaN层；8透明电流扩展层；9介质掩膜层；10纳米压印后在光刻胶上形成光子晶体图案；101光子晶体图案转移至介质掩膜层后的纳米结构；102光子晶体图案转移至电流扩展层后的纳米结构；103光子晶体刻蚀完成后的纳米结构；104圆台刻蚀完成后N型掺杂GaN材料的纳米结构；11介质材料；111圆台刻蚀完成后填充材料的纳米结构；12正电极；13负电极；14有源区光子晶体；15无金属电极区域光子晶体；16接触面光子晶体；17介质DBR；18正电极区域的介质DBR层开槽；19负电极区域的介质DBR层开槽；AA’横截面的切割线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示为本实用新型具体实施例中的一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片，光子晶体LED芯片的发光单元呈圆台结构，圆台的直径为180μm。正电极12呈圆盘状，分布在表面平坦化的透明电流扩展层8和有源区光子晶体14上，有源区光子晶体14的深度是900nm，直径是400nm；其中透明电流扩展层8表面平坦化的填充介质材料11是SOG。负电极13分布在MESA圆台结构刻蚀完成后的N型掺杂GaN层42上，负电极13与MESA圆台结构刻蚀完成后的N型掺杂GaN层42的接触面上分布有接触面光子晶体16，接触面光子晶体16的深度是300nm，直径是400nm。在无金属电极区域的N型掺杂GaN层上分布有无金属电极区域光子晶体15和介质DBR 17，无金属电极区域光子晶体15的深度是300nm，直径是400nm；介质DBR 17由10对SiO2/Ta2O5介质组成，反射率99％。

光子晶体LED芯片呈倒装结构，包括金属反射电极、透明电流扩展层8、P型掺杂GaN层7、P型掺杂AlGaN层6、量子阱层5、N型掺杂GaN层4、非故意掺杂GaN层3、GaN缓冲层2和蓝宝石衬底1，所述金属反射电极包括正电极12和负电极13，所述蓝宝石衬底1与GaN缓冲层2接触连接，所述GaN缓冲层2与非故意掺杂GaN层3接触连接，所述非故意掺杂GaN层3与N型掺杂GaN层4接触连接，所述N型掺杂GaN层4与量子阱层5接触连接，所述量子阱层5与P型掺杂AlGaN层6接触连接，所述P型掺杂AlGaN层6与P型掺杂GaN层7接触连接，所述P型掺杂GaN层7与透明电流扩展层8接触连接，所述透明电流扩展层8与正电极12接触连接，所述N型掺杂GaN层4还与负电极13接触连接。金属反射电极的结构由Ni、Ag、Ni和TiW四层金属薄膜构成，四层金属薄膜的厚度分别为0.5nm、150nm、1nm和450nm，反射率是93％。

所述发光单元的正电极12呈圆盘状，直径是170μm，发光单元的负电极13围绕圆台分布，外边为方形，长为420μm，宽为210μm；内边为圆形开槽，暴露出圆台结构，开槽直径为190μm。在正电极和负电极上都分布有介质DBR 17，介质DBR 17在正电极上有一个正电极区域的介质DBR层开槽18，正电极区域的介质DBR层开槽18的直径为160μm，在负电极上有两个负电极区域的介质DBR层开槽19，负电极区域的介质DBR层开槽19的边长为100μm，这两个负电极区域的介质DBR层开槽19一个分布在正电极12的左边，另一份分布在正电极12的右边，形成负电极/正电极/负电极的GSG结构，用于高频信号传输的测试。

实施例1

所述一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片的制备方法，步骤如下。

步骤1、使用金属氧化物气相沉积法制备GaN基LED外延片，GaN基LED外延片的结构依次包括蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、非故意掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、量子阱层5、P型掺杂AlGaN层6和P型掺杂GaN层7，如图3a所示。

步骤2、使用电子束蒸发在GaN基LED外延片上沉积透明电流扩展层8。分两步沉积，第一步是在35℃、高真空环境下进行电子束蒸发，沉积厚度为16.7nm；第二步通入O2，流量为2sccm，在35℃下进行电子束蒸发，沉积厚度为83.3nm，然后将外延片在550℃、N2/O2流量为200/35sccm的混合气氛下快速退火3min，形成欧姆接触，如图3b所示。

步骤3、使用等离子体增强化学气相沉积制备SiO2介质掩膜层9，在350℃下沉积200nm。如图3c所示。

步骤4、在SiO2介质掩膜层9上旋涂增粘剂和纳米压印胶，胶厚度300nm；再使用软膜纳米压印在整个芯片的上表面压印成型，纳米压印后在光刻胶上形成光子晶体图案10，压印时间5min，紫外曝光量4000mJ/cm²，压印深度为280nm，纳米压印后在光刻胶上形成光子晶体图案10的空气孔底部的胶厚度为20nm，空气孔的直径是400nm，如图3d所示。

步骤5、使用感应耦合等离子体刻蚀在CHF3和Ar混合气氛下处理，CHF3流量15sccm，Ar流量50sccm，下电极射频功率500W，等离子体射频功率200W，处理时间60sec，去除纳米压印后在光刻胶上形成光子晶体图案10底部残留的纳米压印胶。此时，纳米压印胶中的光子晶体已穿透压印胶层，压印胶厚度280nm，光子晶体深度280nm。

继续使用感应耦合等离子体刻蚀，下电极射频功率200W，等离子体射频功率400W，CHF3流量10sccm，CF4流量20sccm，时间2min，此时，光子晶体已穿透SiO2介质掩膜层9，组成光子晶体图案转移至介质掩膜层后的纳米结构101，如图3e所示。

步骤6、使用感应耦合等离子体刻蚀，下电极射频功率150W，等离子体射频功率500W，BCl3流量30sccm，Ar流量60sccm，时间1min，此时，光子晶体已穿透电流扩展层8，组成光子晶体图案转移至电流扩展层后的纳米结构102，如图3f所示。

步骤7、使用感应耦合等离子体刻蚀，下电极射频功率500W，等离子体射频功率365W，Cl2流量90sccm，BCl3流量10sccm，时间4min，此时，光子晶体已到达GaN材料深900nm处，组成光子晶体刻蚀完成后的纳米结构103和光子晶体刻蚀完成后的N型掺杂GaN层41，如图3g所示。

步骤8、在具有光子晶体刻蚀完成后的纳米结构103的外延层旋涂液态的SOG，转速是3000转/分，时间是40sec，在105℃的热板烘烤1min后，放入快速退火炉在400℃下退火30min，形成固态的SiO2介质材料。

使用感应耦合等离子体刻蚀，下电极射频功率200W，等离子体射频功率400W，CHF3流量10sccm，CF4流量20sccm，时间1min30sec，此时，包覆在光子晶体刻蚀完成后的纳米结构103表面的SOG被去除，暴露出电流扩展层8；而填充在光子晶体刻蚀完成后的纳米结构103之间的空气孔里的SOG 11仍然保留，隔离了P型掺杂GaN材料和N型掺杂GaN材料。表面平坦化后的组成有源区光子晶体14，如图3h所示。

步骤9、使用紫外光刻形成圆台结构的光刻胶掩膜，再使用感应耦合等离子体刻蚀，下电极射频功率500W，等离子体射频功率365W，Cl2流量90sccm，BCl3流量10sccm，时间1min20sec，形成发光单元的圆台结构，圆台结构的直径是180μm。由于表面平坦化的填充介质11SOG成为N型掺杂GaN材料区域的刻蚀掩膜层，在圆台刻蚀完成后，可在N型掺杂GaN材料区域得到光子晶体，该光子晶体的纳米结构由填充介质11SOG的圆台刻蚀完成后填充材料的纳米结构111和圆台刻蚀完成后N型掺杂GaN材料的纳米结构104构成，圆台刻蚀完成后N型掺杂GaN材料的纳米结构104的高度是300nm。最后，采用湿法腐蚀去除圆台刻蚀完成后填充材料的纳米结构111，完成MESA圆台结构刻蚀完成后的N型掺杂GaN层42，如图3i所示。

步骤10、使用负胶剥离和电子束蒸发Ni、Ag、Ni和TiW四层金属薄膜，四层金属薄膜的厚度分别为0.5nm、150nm、1nm和450nm，在发光单元的透明电流扩展层8上制备圆盘状的正电极12，直径是170μm，在发光单元的N型掺杂GaN材料区域制备负电极13，负电极13围绕圆台分布，外边为方形，长为420μm，宽为210μm；内边为圆形开槽，暴露出圆台结构，开槽直径为190μm，N型掺杂GaN材料上的光子晶体区域分两部分，一部分为无金属电极区域光子晶体15，另一部分为接触面光子晶体16，如图3j所示。

步骤11、使用光学镀膜设备在GaN基LED外延片上制备10对SiO2/Ta2O5介质DBR 17。

步骤12、使用紫外光刻和湿法腐蚀，在正电极区域的介质DBR层开槽18，在负电极区域的介质DBR层开槽19暴露金属电极，正电极开槽的直径为160μm，负电极开槽的边长为100μm，负电极的两个开槽一个分布在正电极的左边，另一份分布在正电极的右边，形成负电极/正电极/负电极的GSG结构，如图3j和图2所示。

综上所述，本实用新型的一种欧姆接触性能优化的光子晶体LED芯片及其制备方法，具有提高欧姆接触性能、工艺简单、制备方式快速的优点，并形成欧姆接触层和电流横向扩散层双层结构，提升芯片性能。