一种高电光转换率倒装结构深紫外micro-LED及其制备方法与流程

本发明涉及led元器件制备技术，具体涉及一种高电光转换率倒装结构深紫外micro-led及其制备方法。

背景技术：

相比传统的汞灯，algan基紫外发光二极管(uvleds)具有诸多优势，例如小型化、节能化，对环境友好，且易于集成。随着材料外延技术的不断发展，algan晶体质量不断提高，使得uvled的内量子效率(iqe)已超过60％。然而，深紫外(duvleds)的光提取效率(lee)却难以越过10％，无法达到大规模商用化、实用化的技术指标。造成如此之低lee的一个主要原因在于当发光波长低于280nm后紫外led出光模式由垂直于外延生长方向的te模式转变为平行于外延生长方向的横向出光，该方向发射出的紫外光线易于在器件界面处发生全反射，大部分光线被反射至uvled结构中p型gan及algan层后被吸收损耗，最终造成光提取效率的骤降。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高电光转换率倒装结构深紫外micro-led及其制备方法。

本发明的一个目的在于提出一种高电光转换率的倒装结构深紫外micro-led。

本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led包括：半导体led外延片、微台面、n型欧姆接触金属、微栅p型欧姆接触电极、金属反射层、分布式布拉格dbr反射镜、p型焊盘和n型焊盘；其中，半导体led外延片从下至上依次为衬底、成核层、缓冲层、n型掺杂层、多量子阱有源区、电子阻挡层和p型掺杂层；对半导体led外延片进行刻蚀至n型掺杂层的上表面，保留下来的p型掺杂层的表面形成微台面；在暴露出的n型掺杂层的上表面进行光刻并沉积金属形成n型欧姆接触金属；在微台面的部分表面光刻并沉积金属形成p型欧姆接触金属，对p型欧姆接触金属进行光刻并刻蚀，保留下来的p型欧姆接触金属为多个周期性排列的小图形单元构成的二维阵列，形成微栅p型欧姆接触电极；在微台面的表面沉积金属反射层，金属反射层完全嵌入微栅p型欧姆接触电极的缝隙中，从而提高高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的出光面的出光效率；在上述结构的上表面和侧面沉积具有电气绝缘性的分布式布拉格dbr反射镜，dbr反射镜对紫外光具高反射率，从而有效提取高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的侧面模式的发光，即发光模式为tm模；去除金属反射层上方以及n型欧姆接触金属上方的dbr反射镜，并沉积金属，分别形成p型焊盘和n型焊盘；上述结构采用倒装工艺焊接在基板上；去除半导体led外延片的衬底，得到高电光转换率倒装结构深紫外micro-led。

金属反射层采用al金属。dbr反射镜的结构为对紫外光具高反射率的高折射率介质层和低折射率介质层依次交叠组成的叠层，其中，每层高折射率介质层和低折射率介质层的厚度分别为被反射波长的1/4，一层高折射率介质层和一层低折射率介质层为一组，总组数为20至30组。

本发明的另一个目的在于提出一种高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的制备方法。

本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的制备方法，包括以下步骤：

1)选取半导体led外延片，半导体led外延片从下至上依次为衬底、成核层、缓冲层、

n型掺杂层、多量子阱有源区、电子阻挡层和p型掺杂层，对半导体led外延片进行预处理，使得表面洁净；

2)根据所制备的micro-led的要求，设计曝光版图；在p型掺杂层的上表面旋涂光刻胶，经曝光机曝光、显影后，利用等离子体刻蚀(icp)半导体led外延片至n型掺杂层的上表面，暴露出部分n型掺杂层的上表面，刻蚀后在n2氛围中快速热退火以消除n型掺杂层界面的刻蚀损伤，保留下来的p型掺杂层的表面形成微台面；

3)在暴露出的n型掺杂层的上表面旋涂负性光刻胶，曝光出n型欧姆接触金属窗口，显影后采用物理气相沉积(pvd)沉积金属，去除光刻胶后经高温快速热退火形成n型欧姆接触金属；

4)在微台面的表面旋涂负性光刻胶，在微台面上曝光出p型欧姆接触合金窗口，显影后采用物理气相沉积(pvd)沉积金属，去除光刻胶后经高温快速热退火，在微台面的部分表面形成p型欧姆接触金属；

5)在p型欧姆接触金属的表面，旋涂正性光刻胶，经曝光机曝光并显影后，采用icp对p型欧姆接触金属进行刻蚀，刻蚀后保留下来的p型欧姆接触金属为多个周期性排列的小图形单元构成的二维阵列，形成微栅p型欧姆接触电极；

6)在微台面的表面旋涂负性光刻胶，经曝光机曝光并显影后，采用pvd沉积在微台面的表面沉积金属反射层，使得金属反射层完全嵌入微栅p型欧姆接触电极的缝隙中，从而提高高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的出光面的出光效率；

7)在上述结构的外表面，包括上表面和侧面，沉积具有电气绝缘性的dbr反射镜，在增强紫外光线反射的同时起到p型欧姆接触电极和n型欧姆接触金属之间的电气绝缘作用，dbr反射镜对紫外光具有高反射率，从而有效提取高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的侧面模式的发光，即发光模式为tm模；

8)在金属反射层和n型欧姆接触金属之上的dbr反射镜上旋涂正性光刻胶，去除反射层以及n型欧姆接触金属上的dbr反射镜，并沉积金属，分别形成p型焊盘和n型焊盘，从而形成芯片；

9)倒装工艺将上述制备的芯片焊接在基板上；

10)激光剥离半导体led外延片的衬底，得到高电光转换率倒装结构深紫外micro-led。

进一步，在步骤2)中，如果形成多个微台面单元呈二维阵列分布，则在制备微栅p型欧姆接触电极和n型欧姆接触金属之后，并在沉积dbr反射镜之前，需要对多个微台面进行切割。在整个微台面的表面旋涂正性光刻胶，作为掩膜，使得每个微台面单元之间刻蚀出深凹槽，作为切割道，进行切割分离成单独的微台面单元，每一个单独的微台面单元形成一个芯片单元。

在步骤1)中，半导体led外延片采用iii族氮化物半导体外延片；根据应用需求选择氮化物半导体led外延片的发光波长为255nm～350nm可调。

在步骤2)中，微台面的特征水平尺寸长和宽为1μm～100μm，属于微台面定义的范围内，微台面侧壁的倾斜角度可通过调控icp刻蚀参数在30～90度之间调整。

在步骤3)中，n型欧姆接触金属采用ti/al/ti/au，厚度分别为30～40nm/120～160nm/30～40nm/60～100nm，其中第一层ti和第二层al的厚度比例在1：3～1：4之间，合金在900～950℃的氮气氛围中进行，时间约为60～120秒。

在步骤4)中，p型欧姆接触金属采用ni/au，厚度为50nm～100/100～200nm，合金在450～550℃的氧气或空气中进行，时间约为90～240秒。

在步骤5)中，微栅p型欧姆接触电极为多个周期性排列的小图形单元构成二维阵列，特征尺寸小于1μm，小图形单元构成的二维阵列为条状阵列、圆柱形二维阵列或叉指阵列，以降低串联电阻，适当的降低刻蚀台面的尺寸可以最大程度的降低p型掺杂层对有源区发射紫外光的吸收。

如果形成多个微台面单元呈二维阵列分布，则在制备微栅p型欧姆接触电极和n型欧姆接触金属之后，并在沉积绝缘层之前，需要对多个微台面进行切割；在整个微台面的表面旋涂正性光刻胶，作为掩膜，使得每个微台面单元之间刻蚀出深凹槽，作为切割道，进行切割分离成单独的微台面单元，每一个单独的微台面单元形成一个芯片单元。

在步骤6)中，在微台面上光刻出窗口，填充具有对紫外光具有高反射率的al金属，厚度为光刻胶的20～30％，去除光刻胶后al金属完全嵌入微栅p型欧姆接触电极的缝隙中。

在步骤7)中，dbr反射镜为对紫外光具高反射率的高折射率介质层和低折射率介质层依次交叠组成的叠层，其中，每层高折射率介质层和低折射率介质层的厚度分别为被反射波长的1/4，一层高折射率介质层和一层低折射率介质层为一组，总组数为20至30组，高折射率介质层和低折射率介质层分别采用hfo2和sio2交替堆叠，针对不同的反射波长，每层hfo2和sio2的厚度原则为对应反射光学波长的1/4，实际沉积过程中可根据实验参数误差以及材料生长质量要求在±3nm之间适当调整，在控制外延质量的前提下，dbr反射镜的总厚度优选在2～4μm。

在步骤8)中，金属反射层以及n型欧姆接触金属上的dbr反射镜可使用等离子体刻蚀(icp)或者hf缓冲溶液湿法腐蚀去除。

本发明的优点：

本发明采用微栅p型欧姆接触电极，降低了紫外光在led结构中的吸收损耗，填充在微栅p型欧姆接触电极中的al金属增强了紫外光线的在电极处的反射，同时hfo2/sio2叠层结构的dbr反射镜既能够增强紫外反射率，也能够起到器件之间的电气绝缘，使大部分的出射光从倒装结构的背面出射，从而大幅度提高了uvled中紫外光的光提取效率和抗静电击穿能力，大幅降低正向导通电压和反向漏电电流；本发明灵活性强，兼容面内、垂直结构的倒装micro-led、mini-led等，有利于改善器件性能，实现批量生产。

附图说明

图1为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一所述的algan基led结构外延片结构示意图；

图2为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中micro-mesa结构制备后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图3为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中制备n型和p型欧姆接触制备后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图4为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中微栅电极制备后的示意图，其中，(a)为填充al前的俯视图；(b)为填充al后的俯视图(c)为填充al前的侧视图；(d)为填充al之后的侧视图；

图5为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中dbr反射镜制备后的侧视示意图；

图6为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中pad制备后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图7为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例一中倒装转移及蓝宝石剥离后的示意图；

图8为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中micro-mesa结构制备后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图9为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中制备n型和p型欧姆接触制备后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图10为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中微栅电极制备后的示意图，其中，(a)为填充al前的俯视图；(b)为填充al后的俯视图(c)为填充al前的侧视图；(d)为填充al之后的侧视图；

图11为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中切割道制备后的侧视示意图；

图12为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中制备钝化层和pad后的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图13为根据本发明的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led制备方法的实例二中完整结构制备后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

本实施例为一个tm模式出光增强的发光波长222nm的芯片单元的制备方法，本实施例的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的制备方法，包括以下步骤：

1)选取氮化物半导体led外延片，半导体led外延片从下至上依次为采用蓝宝石的衬底1-1、采用aln的成核层1-2、采用algan的缓冲层1-3、algan的n型掺杂层1-4、algan/algan的多量子阱有源区1-5、电子阻挡层1-6以及algan1-7和gan1-8构成的p型掺杂层，对氮化物半导体led外延片进行预处理，使得表面洁净，如图1所示；

2)根据所制备的micro-led的要求，设计曝光版图，尺寸为长50μm宽50μm；在p型掺杂层的上表面旋涂正性光刻胶，经曝光机曝光、显影后，利用残余的光刻胶作为刻蚀掩膜，利用等离子体刻蚀(icp)氮化物半导体led外延片至n型掺杂层的上表面，暴露出部分n型掺杂层的上表面，通过控制icp刻蚀条件(功率和直流偏压)，使得刻蚀的台面具有θ＝30～45°倾斜角。刻蚀后在900度的n2氛围中快速热退火2分钟以消除n型掺杂层界面的刻蚀损伤，保留下来的p型掺杂层的表面形成微台面，如图2所示；

3)在暴露出的n型掺杂层的上表面旋涂负性光刻胶，曝光出n型欧姆接触金属窗口，接着利用pvd在该窗口中依次沉积厚度为30nm、150nm、30nm和100nm的ti、al、ti、au，剥离光刻胶后在900度的n2氛围中快速热退火60秒，形成n型欧姆接触金属1-10；

4)在微台面的表面旋涂负性光刻胶，在微台面上曝光出p型欧姆接触合金窗口，显影后采用物理气相沉积(pvd)沉积100nm的ni和200nm的au金属，去除光刻胶后经500度高温快速热退火120秒，在微台面的部分表面形成微栅p型欧姆接触金属1-9，如图3所示；

5)在微栅p型欧姆接触金属的表面，旋涂正性光刻胶，经曝光机曝光并显影后，采用等离子体刻蚀(icp)对p型欧姆接触金属进行刻蚀，刻蚀后保留下来的欧姆接触金属为多个周期性排列的小图形单元构成二维阵列，形成微栅p型欧姆接触电极；

6)在微台面的表面采用pvd沉积1200nm的al金属1-11，在微台面的表面形成反射层覆盖微台面，并且al金属完全嵌入微栅p型欧姆接触电极的缝隙中，如图4所示，从而提高高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的出光面的出光效率，出光面为半导体led的衬底；

7)步骤6)形成的结构的外表面，包括上表面和侧面，沉积dbr反射镜1-12，经过实际沉积参数校准后，每个hfo2/sio2周期中hfo2的厚度为55.5nm，sio2的厚度为56.5nm，共计20对，厚度为3.36μm，如图5所示；

8)在反射层上以及n型欧姆接触金属之上的dbr反射镜上旋涂正性光刻胶，去除反射层以及n型欧姆接触金属上的dbr反射镜，并沉积500nm、100nm、200nm及100nm厚的al/ti/au/sn金属，在150度的n2氛围中完成合金，分别形成p型焊盘和n型焊盘1-13，从而形成芯片，如图6所示；

9)倒装工艺将上述制备的芯片焊接在基板1-14上，如图7所示；

10)激光剥离氮化物半导体led外延片的衬底，得到高电光转换率倒装结构深紫外micro-led。

实施例二

本实施例为多个发光波长在278nm的芯片单元的制备方法，本实施例的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led的制备方法，包括以下步骤：

1)选取氮化物半导体led外延片，半导体led外延片从下至上依次为采用蓝宝石的衬底1-1、采用aln的成核层1-2、采用algan的缓冲层1-3、algan的n型掺杂层1-4、algan/algan的多量子阱有源区1-5、电子阻挡层1-6以及algan1-7和gan1-8构成的p型掺杂层，对氮化物半导体led外延片进行预处理，使得表面洁净；

2)根据所制备的micro-led的要求，设计曝光版图，包括多个微台面单元，每个微台面单元的尺寸为长25μm宽25μm；在p型掺杂层的上表面旋涂正性光刻胶，经曝光机曝光、显影后，利用残余的光刻胶作为刻蚀掩膜，利用等离子体刻蚀(icp)氮化物半导体led外延片至n型掺杂层的上表面，暴露出部分n型掺杂层的上表面，刻蚀后在900度的n2氛围中快速热退火2分钟以消除n型掺杂层界面的刻蚀损伤，保留下来的p型掺杂层的表面形成微台面，如图8所示；

3)在暴露出的n型掺杂层的上表面旋涂负性光刻胶，曝光出n型欧姆接触金属窗口，接着利用pvd在该窗口中依次沉积厚度为30nm、150nm、30nm和100nm的ti、al、ti、au，剥离光刻胶后在900度的n2氛围中快速热退火60秒，形成n型欧姆接触金属1-10，宽度6μm；

4)在微台面的表面旋涂负性光刻胶，在微台面上曝光出p型欧姆接触合金窗口，显影后采用物理气相沉积(pvd)沉积100nm的ni和200nm的au金属，去除光刻胶后经500度高温快速热退火120秒，在微台面的部分表面形成p型欧姆接触金属1-9，宽度为8μm；

5)在p型欧姆接触金属的表面，旋涂正性光刻胶，经曝光机曝光并显影后，采用等离子体刻蚀(icp)对p型欧姆接触金属进行刻蚀，刻蚀后保留下来的欧姆接触金属为多个周期性排列的小图形单元构成二维阵列，形成微栅p型欧姆接触电极，如图9所示；

6)在微台面的表面采用pvd沉积1200nm的al金属，在微台面的表面形成反射层覆盖微台面，并且al金属1-11完全嵌入微栅p型欧姆接触电极的缝隙中，如图10所示；

7)在上述结构的外表面旋涂正性光刻胶，作为掩膜，等离子体刻蚀至衬底，使得每个微台面单元之间刻蚀出深凹槽，作为切割道2-14，如图11所示；

8)在形成了独立的微台面单元的外表面，包括上表面和侧面，沉积dbr反射镜1-12，经过实际沉积参数校准后，每个hfo2/sio2周期中hfo2的厚度为58.7nm，sio2的厚度为58.3nm，共计30组hfo2/sio2，总厚度为3.51μm；

9)在反射层上以及n型欧姆接触金属之上的dbr反射镜上旋涂正性光刻胶，去除反射层以及n型欧姆接触金属上的dbr反射镜，并沉积50nm、150nm、30nm和100nm的ti、al、ti和au，在150度的n2氛围中完成合金，分别形成p型焊盘和n型焊盘1-13，从而形成芯片，如图12所示；

10)使用激光切割设备，将激光对准上述切割道，进行切割分离成单独的微台面单元，每一个单独的微台面单元形成一个芯片单元，采用用电磁力吸附转移技术、静电吸附转移技术、弹性印膜转移技术、激光剥离转移、滚轴转印转移技术等巨量转移的方式的适当的一种将上述已切割的芯片单元转移到设计已制备控制电路的pet柔性基底2-15上，为进一步提高反射率，键合金属为sn/au，如图13所示；

11)激光剥离氮化物半导体led外延片的衬底，得到高电光转换率倒装结构深紫外micro-led。

本实施例获得的高电光转换率倒装结构深紫外micro-led，具有微型化、可折叠、卷曲、低能耗等优点，可用于cov-19等病毒的杀灭，能够与可穿戴设备集成，实现低能耗、高效的杀菌、消毒用途。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。