一种新型LED与激光器集成结构及其制备方法

一种新型led与激光器集成结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及led制造与激光器集成领域，更具体地，涉及一种新型led与激光器集成结构及其制备方法。


背景技术：

2.相比于传统的白炽灯和荧光灯，ingan/gan发光二极管(led)具有功耗低、亮度大、寿命长、易调制、响应速度快等优点，在公路照明、智能显示、可见光通信等领域具有广泛的应用前景。
3.在目前可见光通信的研究中，绝大部分都是采用基于单一的白色荧光粉发光的gan蓝光led或rgb-led作为光源。因为交流信号无法直接驱动led，可见光通信系统的信号调制度小，随着距离增大，系统的通信信噪比降低，噪声增大。而激光器作为一种光源，由于硅材料本身不能发光，因此如何将激光器(譬如，iii-v族激光器)与led芯片集成是可见光通信收发模块的关键。然而，现有的激光器与led芯片集成技术存在对准精度要求高，光输出功率低及耦合效率低等问题。
4.现有技术公开了一种光波导耦合封装结构、安装方法及光模块，所述光波导耦合封装结构包括激光器、硅光芯片、集成于所述硅光芯片上且与所述激光器的正向发射端对准的第一波导，其中所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器导电连接的激光器载板，所述激光器设于所述激光器载板上并与所述激光器载板导电连接，所述激光器载板固定于所述硅光芯片上且与所述硅光芯片导电连接。本发明提供的光波导耦合封装结构的封装尺寸较小、封装良率高及结构简单。
5.现有技术公开了一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构，该结构包括激光器芯片，其上设有对准标记；硅光芯片，其上设有波导、端面耦合器以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽；以及连接激光器芯片与硅光芯片的金属键合层。本发明能够实现半导体激光器芯片与硅光波导芯片的高效率耦合，能够解决硅基光子学中实用化光源的问题；本发明在硅光波导芯片上直接刻蚀激光器放置槽，通过控制刻蚀深度提高耦合精度；采用倒装键合的方式进行激光器与硅光波导的无源耦合，具有易于控制、高精度、高耦合效率、集成化、一体化的特点。


技术实现要素：

6.本发明为克服上述现有技术所述的激光器与led芯片集成技术存在对准精度要求高，光输出功率低以及耦合效率低等问题，提供一种新型led与激光器集成结构。
7.同时，提供一种新型led与激光器集成结构的制备方法。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
9.一种新型led与激光器集成结构，包括led芯片和激光器芯片，所述led芯片和激光芯片通过组合区域连接，所述组合区域包括led键合区和激光器键合区，所述led键合区具有键合金属层，所述激光器键合区具有接触键合结构，所述键合金属层对准所述接触键合
结构。
10.优选地，所述led芯片自下而上依次包括导电衬底层、aln缓冲层，u-gan层，n-gan层，ingan/gan多量子阱层(mqws)，p-gan层，p接触反射镜金属及保护层，p电极，所述led键合区位于导电衬底层上表面。
11.优选地，所述激光器芯片自下而上包括soi第二衬底，n电极，n-algan光限制层，n-ingan第一波导，ingan/gan多量子阱层(mqws)，p-ingan第二波导，p-ingan光限制层，p-algan电子阻挡层(ebl)和p电极，所述激光器键合区位于soi第二衬底下表面。
12.优选地，所述键合金属层为ni、au、sn、ti中的任意一种，厚度为500nm-5μm。
13.优选地，所述导电衬底为si导电衬底，厚度为1000-5000nm；所述aln缓存层厚度为1000-3000nm。
14.优选地，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属和保护层，所述反射镜金属为ag和ni中的任意一种或两种组成，厚度为50-5000nm；所述保护层为tiw层，厚度为50-300nm。
15.优选地，所述p电极为cr、pt、au中的一种或由其中两种以上组成的合金，厚度为2-6μm。
16.优选地，所述soi第二衬底为金属衬底，所述金属衬底为ni，au中的任意一种，厚度为100-500μm。
17.优选地，所述p电极为cr、pt、au中的一种或由其中两种以上组成的合金，厚度为3-4μm；所述n电极为ti、cr、ag、au、pt中的一种或由两种以上组成的合金，厚度为2-5μm。
18.一种所述新型led与激光器集成结构的制备方法，包括以下制备步骤：
19.步骤一，在si衬底表面依次生长aln缓冲层，u-gan层，n-gan层，ingan/gan多量子阱层(mqws)，p-gan层，p接触反射镜金属及保护层，再在所述p接触反射镜金属及保护层表面沉积p电极，得led外延片；
20.步骤二，在导电衬底上表面制作键合金属层，并进行表面活化，退火处理得到led键合衬底；
21.步骤三，将步骤一所述led外延片上的si衬底剥离，将暴露出的aln缓冲层与步骤二所述led键合衬底上表面没有所述键合金属层的区域进行键合，得到led芯片；
22.步骤四，在si衬底表面依次生长n-algan光限制层，n-ingan第一波导，ingan/gan多量子阱层(mqws)，p-ingan第二波导，p-ingan光限制层，p-algan电子阻挡层(ebl)，并在所述p-algan电子阻挡层(ebl)上沉积p电极，然后将外延si衬底剥离，暴露出所述n-algan光限制层，接着在所述n-algan光限制层表面沉积n电极，得到激光器外延片；
23.步骤五，在soi第二衬底下表面刻蚀出接触键合结构，所述接触键合结构与步骤二所述键合金属层对应；
24.步骤六，将步骤四所述激光器外延片上的n电极与步骤五所述soi第二衬底的上表面进行键合，获得激光器芯片；
25.步骤七，将步骤三led芯片的金属键合层和步骤六激光器芯片的接触键合结构进行表面活化，并对准进行预键合，退火，最终得到新型led与激光器集成结构。
26.优选地，键合过程中从第二晶圆的转移衬底的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2mpa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃
下保温30min。
27.优选地，采用机械减薄、化学抛光、化学腐蚀中的任意一种方法进行剥离。
28.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
29.本发明提供的led与激光器集成芯片，除了具有led成本低，发光效率高的优势外，还结合激光器的光波导耦合作用，有效提升了芯片的光输出功率、耦合效率。
30.本发明提供的led与激光器集成芯片，其激光器制作以及转移衬底采用了金属键合工艺，流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。
附图说明
31.图1为实施例1中led与激光器集成结构的结构剖视图；
32.图2为实施例1中led芯片与激光器芯片对准键合示意图；
33.图3为实施例1中led与激光器集成结构的led芯片剖视图；
34.图4为实施例1中led与激光器集成结构的激光器芯片剖视图；
35.图5为实施例1中led与激光器集成结构的电极结构俯视剖视示意图；
36.图6为实施例1中led与激光器集成结构(led-ii)与对比例2传统结构led(led
‑ⅰ
)的光输出功率对比图；
37.图7为实施例3中led与激光器集成结构(led-iii)与对比例1中led(led-iv)的光输出功率对比图(led并联3
×
3)；
38.图8为对比例4中led(led-v)的光输出功率图(led并联2
×
2)。
具体实施方式
39.下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
40.除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
41.实施例1
42.如图1～6所示，一种新型led与激光器集成结构，包括led芯片和激光器芯片，led芯片和激光芯片通过组合区域连接，组合区域包括led键合区和激光器键合区，led键合区具有键合金属层18，激光器键合区具有接触键合结构，键合金属层18对准接触键合结构；
43.led芯片自下而上依次包括导电衬底层1、aln缓冲层2，u-gan层3，n-gan层4，ingan/gan多量子阱层mqws5，p-gan层6，p接触反射镜ag金属及保护层7，p电极8，led键合区位于导电衬底层1上表面；
44.激光器芯片自下而上包括soi第二衬底16，n电极15，n-algan光限制层14，n-ingan第一波导13，ingan/gan多量子阱层mqws12，p-ingan第二波导11，p-ingan光限制层10，p-algan电子阻挡层ebl9和p电极17，激光器键合区位于soi第二衬底16下表面。
45.键合金属层18为ni、au的柱状合金，厚度为500nm。
46.导电衬底1为si导电衬底，厚度为1000nm；aln缓存层2厚度为1000nm(含u-gan层3的厚度)。
47.n-gan层4的厚度为4μm；
48.ingan/gan多量子阱层5为5个周期，厚度为40nm；
49.p-gan层6的厚度为200nm。
50.p接触反射镜金属及保护层7包括p接触反射镜金属和保护层，反射镜金属为ag层和ni层交替生长2个周期形成的，每个周期中ag层的厚度为100nm，ni层的厚度为25nm；保护层为tiw层，厚度为80nm。
51.p电极8为cr、au组成的合金，厚度为5μm，位于led芯片顶部。
52.p-algan电子阻挡层(ebl)9厚度为20nm。
53.p-ingan光限制层10厚度为100nm。
54.p-ingan第二波导11厚度为300nm。
55.ingan多量子阱层(mqws)12为3个周期，厚度为40nm。
56.n-ingan第一波导13厚度为100nm。
57.n-algan光限制层14厚度为20nm。
58.n电极15为ti、ag组成的合金，厚度为3μm。
59.soi第二衬底16为金属衬底，金属衬底为ni，厚度为500μm。
60.p电极17为cr、au组成的合金，厚度为3μm；位于激光器芯片顶部。
61.一种新型led与激光器集成结构的制备方法，包括以下制备步骤：
62.步骤一，在si衬底表面依次生长aln缓冲层2，u-gan层3，n-gan层4，ingan/gan多量子阱层mqws5，p-gan层6，p接触反射镜金属及保护层7，再在p接触反射镜金属及保护层7表面沉积p电极8，得led外延片；金属蒸发速率为15埃/秒。
63.步骤二，在导电衬底1上表面制作键合金属层18，并进行表面活化，退火处理得到led键合衬底；
64.步骤三，将步骤一led外延片上的si衬底剥离，将暴露出的aln缓冲层2与步骤二led键合衬底上表面没有键合金属层18的区域进行键合，得到led芯片；
65.步骤四，在si衬底表面依次生长n-algan光限制层14，n-ingan第一波导13，ingan/gan多量子阱层mqws12，p-ingan第二波导11，p-ingan光限制层10，p-algan电子阻挡层ebl9，并在p-algan电子阻挡层ebl9上沉积p电极17，然后将外延si衬底剥离，暴露出n-algan光限制层14，接着在n-algan光限制层14表面沉积n电极15，得到激光器外延片；
66.步骤五，在soi第二衬底16下表面采用深硅刻蚀出接触键合结构，并且选取酸腐去除结构底部，暴露出键合结构的孔底，接触键合结构与步骤二键合金属层18对应；
67.步骤六，将步骤四激光器外延片上的n电极15与步骤五soi第二衬底16的上表面进行键合，获得激光器芯片；
68.步骤七，将步骤三led芯片的金属键合层18和步骤六激光器芯片的接触键合结构进行表面活化，并对准进行预键合，退火，最终得到新型led与激光器集成结构(led-ii)。
69.键合过程中从第二晶圆的转移衬底的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2mpa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min。
70.采用机械减薄、化学抛光、化学腐蚀中的任意一种方法进行剥离。
71.实施例2～5
72.实施例2～5与实施例1的技术方案和工艺基本相同，不同之处如表1所示。
73.表1实施例2～5的部分工艺参数
[0074][0075][0076]
对比例1
[0077]
本对比例制备一种led芯片(led
‑ⅳ
)，该led芯片自下而上依次包括导电衬底层1、aln缓冲层2，u-gan层3，n-gan层4，ingan/gan多量子阱层mqws5，p-gan层6，p接触反射镜ag金属及保护层7，p电极8，led键合区位于导电衬底层1上表面。
[0078]
导电衬底1为si导电衬底，厚度为1000nm；aln缓存层2厚度为1000nm。
[0079]
n-gan层4的厚度为4μm；
[0080]
ingan/gan多量子阱层5为5个周期，每周期垒层厚度为6nm，阱层厚度为10nm；
[0081]
p-gan层6的厚度为250nm。
[0082]
p接触反射镜金属及保护层7包括p接触反射镜金属和保护层，反射镜金属为ag层和ni层交替生长2个周期形成的，每个周期中ag层的厚度为100nm，ni层的厚度为35nm；保护层为tiw层，厚度为100nm。
[0083]
p电极8为cr，厚度为5μm，位于led芯片顶部。
[0084]
对比例2
[0085]
本对比例提供了一种led与激光器集成结构，与实施例1的区别主要在于使用的led芯片不同。该对比例中的led芯片(led
‑ⅰ
)为：自下而上的蓝宝石衬底；n-gan层；5周期ingan/gan多量子阱层；p-gan层；ito层。该芯片为线性结构，电极包括在n-gan层上的cr金属n电极，在ito上的ti金属p电极。
[0086]
对比例3～4
[0087]
本对比例提供了一种led与激光器集成结构，与实施例1的区别主要在于：p接触反射镜金属及保护层7的结构和厚度不同，具体如表2所示：
[0088]
表2对比例3～4的部分工艺参数
[0089] 对比例3对比例4(led-v)
反射镜金属的厚度40nm5500nmtiw层的厚度40nm320nm
[0090]
实验数据分析
[0091]
对于led器件的性能测试，lts-600的点测机系统用于测试电学特性与光学特性，仪器配置的积分球装置通过光电探测器收集led发出的光线完成光学测量，同时配置了keithley2400高性能数字电源测量led芯片的工作电压，漏电流等电学特性。点测的目的是为了测定单颗嵌入式电极结构led芯片的光输出功率等光电性能，也用来测试led的电流-光功率曲线表征连续变化的工作电流下led的性能变化。实施例1、对比例1-2使用的标准测定注入电流为50ma。对比例2的led芯片(led
‑ⅰ
)在60ma注入电流下的光输出功率仅达2mw，而后加大电流达到饱和，本发明的led与激光器集成结构(led-ii)的光输出功率在100ma的注入电流下可达5.1mw，通过与激光器的集成承受更大的注入电流以及更高的光输出功率，同时通过器件内部的光耦合，使光提取效率增加，最终提高了芯片光电性能。
[0092]
从图7可知，对比例1的led芯片(led-iii)与本发明实施例1的led-ii相比，在相同的电流下，光输出功率却显著下降。可见，本发明的led-ii中结合激光器的光波导耦合作用，有效提升了芯片的光输出功率、耦合效率。
[0093]
实验研究发现，实施例2～5的光电输出功率与实施例1的效果相近，保持较高的光电输出功率等。
[0094]
实验研究发现，对比例3和对比例4的光输出功率也出现了显著下降，可见反射镜金属的厚度与tiw层的厚度对芯片的光输出功率、耦合效率具有显著影响。
[0095]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。