纳米发光器件及其制备方法

本申请涉及微纳器件制造，特别是涉及一种纳米发光器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着显示技术的不断发展，增强现实(augmented reality,ar)或虚拟现实(virtual reality,vr)等小型显示设备的市场急速扩大，这种高分辨率的小尺寸显示屏对发光单元的结构和性能提出了更高的技术要求。普遍认为，发光像素尺寸小于1μm的显示器件定义为纳米发光二极管(nano-led)。基于第三代半导体材料氮化镓的nano-led在材料特性上具有饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小等优点，在发光性能上具有发光效率高、功耗低、响应速度快、使用寿命长等优势。

2、发光二极管(light-emitting diode,led)的制备流程主要包括外延工艺、光刻工艺、干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺、镀膜工艺、金属沉积工艺等，在实际的制备中通常涉及多次的套刻、刻蚀和镀膜步骤，从而使显示器件达到预期指标。传统加工工艺在实现百纳米级发光二极管器件时存在巨大挑战，随着发光二极管器件尺寸减小，器件的侧壁粗糙严重、加工精度不高、光电转化效率低等问题越发突出。因此，如何发展一套技术方法用于制造性能良好的纳米发光器件是技术难题之一。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种纳米发光器件及其制备方法，能够有效地制造出性能良好的纳米发光器件。

2、为了实现上述目的，一方面，本申请提供了一种纳米发光器件的制备方法。所述纳米发光器件的制备方法包括：

3、提供外延片，所述外延片包括自下而上依次设置的衬底、氮化镓叠层、量子阱有源层、第一氮化镓层和第一导电层；

4、于所述第一导电层上形成牺牲层；

5、刻蚀所述牺牲层、所述第一导电层、所述第一氮化镓层和所述量子阱有源层，以于所述氮化镓叠层上形成至少一纳米柱结构；

6、采用湿法刻蚀去除所述纳米柱结构周侧的杂质粒子；

7、于所述氮化镓叠层和所述纳米柱结构上形成氧化硅层；

8、去除所述牺牲层以及部分的所述氧化硅层，以露出所述纳米柱结构的所述第一导电层；

9、于所述纳米柱结构和所述氧化硅层上形成第一电极，且所述第一电极与所述第一导电层接触设置；

10、于所述氮化镓叠层上形成第二电极，所述第二电极与所述纳米柱结构、所述氧化硅层间隔设置。

11、在其中一个实施例中，所述刻蚀所述牺牲层、所述第一导电层、所述第一氮化镓层和所述量子阱有源层，以于所述氮化镓叠层上形成至少一纳米柱结构，包括：

12、采用聚焦离子束刻蚀技术，刻蚀所述牺牲层、所述第一导电层、所述第一氮化镓层和所述量子阱有源层，以于所述氮化镓叠层上形成至少一纳米柱结构。

13、在其中一个实施例中，所述于所述氮化镓叠层和所述纳米柱结构上形成氧化硅层，包括：

14、将形成有所述纳米柱结构的纳米发光器件放入第一溶液并超声处理，于所述氮化镓叠层和所述纳米柱结构的表面形成化学桥联键；其中，所述第一溶液包括甲苯、3-氨丙基三乙氧基硅烷和水；

15、将表面形成有所述化学桥联键的纳米发光器件放入第二溶液并低压处理，以及在空气静置后于所述氮化镓叠层和所述纳米柱结构上形成所述氧化硅层；其中，所述第二溶液包括所述甲苯、无水乙醇和氨水。

16、在其中一个实施例中，所述采用湿法刻蚀去除所述纳米柱结构周侧的杂质粒子，包括：

17、在预设温度环境下，基于氢氧化钾溶液采用湿法刻蚀去除所述纳米柱结构周侧的杂质粒子。

18、在其中一个实施例中，所述于所述氮化镓叠层上形成第二电极，包括：

19、于所述第一电极上形成光刻胶层；

20、对所述光刻胶层进行图形化处理，并刻蚀所述第一电极和所述氧化硅层，以于所述氮化镓叠层上形成电极接触窗口；

21、于所述电极接触窗口填充导电材料形成第二电极；

22、去除所述光刻胶层。

23、另一方面，本申请还提供了一种纳米发光器件。所述纳米发光器件包括：

24、衬底；

25、氮化镓叠层，位于所述衬底上；

26、至少一纳米柱结构，所述纳米柱结构包括自下而上依次设置的量子阱有源层、第一氮化镓层和第一导电层；其中，所述量子阱有源层位于所述氮化镓叠层上；

27、氧化硅层，位于所述氮化镓叠层上且与所述纳米柱结构接触设置，所述氧化硅层的上表面与所述纳米柱结构的上表面齐平；

28、第一电极，位于所述纳米柱结构和所述氧化硅层上，且与所述第一导电层接触设置；

29、第二电极，位于所述氮化镓叠层上，分别与所述纳米柱结构和所述氧化硅层间隔设置。

30、在其中一个实施例中，所述纳米发光器件包括多个呈阵列设置的所述纳米柱结构，各所述纳米柱结构间隔设置，且相邻两个所述纳米柱结构之间设有所述氧化硅层。

31、在其中一个实施例中，各所述纳米柱结构的高度为1.5μm-2.5μm，各所述纳米柱结构的直径为100nm-1000nm，相邻两个所述纳米柱结构之间的间距为100nm-5μm。

32、在其中一个实施例中，所述量子阱有源层为掺杂铟原子的氮化镓层；其中，所述量子阱有源层中铟原子的掺杂比例与所述纳米发光器件的发光波段相关。

33、在其中一个实施例中，所述氮化镓叠层包括自下而上依次设置的第二氮化镓层和第三氮化镓层；其中，所述第二电极位于所述第三氮化镓层上，所述第三氮化镓层的导电类型与所述第一氮化镓层的导电类型不同。

34、上述实施例提供的纳米发光器件及其制备方法，提供外延片，于外延片的第一导电层上形成牺牲层后，自上而下刻蚀形成贯穿牺牲层、第一导电层、第一氮化镓层、量子阱有源层，深至氮化镓叠层的至少一纳米柱结构，保证了纳米发光器件的纳米柱结构的完整性，且每一纳米柱结构均可作为一颗nano-led的像素点；然后采用湿法刻蚀去除纳米柱结构周侧的杂质粒子，避免了杂质粒子对纳米发光器件的影响，提高了纳米发光器件的发光性能；接着，于氮化镓叠层和纳米柱结构上形成氧化硅层，再去除牺牲层以及部分氧化硅层，以露出纳米柱结构的第一导电层，并在纳米柱结构和氧化硅层上形成第一电极，该第一电极与第一导电层接触设置，以及在氮化镓叠层上形成第二电极，该第二电极与纳米柱结构、氧化硅层间隔设置，由此制备出的nano-led的纳米柱结构形状完整，提高了nano-led器件的出光效率和发光性能，在纳米级加工工艺上更大程度地释放了应力，缓解了应力集中带来的极化场影响，并且在垂直方向的电子输送过程中，加强了纳米级尺度的电流限制能力，带来了更高的电光转化效率。

技术特征：

1.一种纳米发光器件的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的纳米发光器件的制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述牺牲层、所述第一导电层、所述第一氮化镓层和所述量子阱有源层，以于所述氮化镓叠层上形成至少一纳米柱结构，包括：

3.根据权利要求1所述的纳米发光器件的制备方法，其特征在于，所述于所述氮化镓叠层和所述纳米柱结构上形成氧化硅层，包括：

4.根据权利要求1所述的纳米发光器件的制备方法，其特征在于，所述采用湿法刻蚀去除所述纳米柱结构周侧的杂质粒子，包括：

5.根据权利要求1所述的纳米发光器件的制备方法，其特征在于，所述于所述氮化镓叠层上形成第二电极，包括：

6.一种纳米发光器件，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的纳米发光器件，其特征在于，所述纳米发光器件包括多个呈阵列设置的所述纳米柱结构，各所述纳米柱结构间隔设置，且相邻两个所述纳米柱结构之间设有所述氧化硅层。

8.根据权利要求7所述的纳米发光器件，其特征在于，各所述纳米柱结构的高度为1.5μm-2.5μm，各所述纳米柱结构的直径为100nm-1000nm，相邻两个所述纳米柱结构之间的间距为100nm-5μm。

9.根据权利要求6所述的纳米发光器件，其特征在于，所述量子阱有源层为掺杂铟原子的氮化镓层；其中，所述量子阱有源层中铟原子的掺杂比例与所述纳米发光器件的发光波段相关。

10.根据权利要求6所述的纳米发光器件，其特征在于，所述氮化镓叠层包括自下而上依次设置的第二氮化镓层和第三氮化镓层；其中，所述第二电极位于所述第三氮化镓层上，所述第三氮化镓层的导电类型与所述第一氮化镓层的导电类型不同。

技术总结
本发明涉及一种纳米发光器件及其制备方法，该纳米发光器件的制备方法，提供外延片，然后于外延片上形成牺牲层，再自上而下刻蚀形成贯穿牺牲层、第一导电层、第一氮化镓层和量子阱有源层，深至氮化镓叠层的至少一纳米柱结构，每一纳米柱结构均可作为一颗纳米发光器件的像素点。纳米柱结构采用氧化硅层填平后，去除牺牲层及部分氧化硅层，并在纳米柱结构和氮化镓叠层上形成第一电极且在氮化镓叠层上形成第二电极，由此制备的纳米发光器件的纳米柱结构形状完整，提高了纳米发光器件的出光效率和发光性能，释放了应力，缓解了应力集中带来的极化场影响，且在垂直方向的电子输送过程中，加强了纳米级尺度的电流限制能力，提高了电光转化效率。

技术研发人员：潘安练,吴家鑫,李梓维
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13