一种具有环形光场调控结构的微型发光二极管及制备方法

本发明涉及半导体发光器件及微纳光子结构，具体涉及一种具有环形光场调控结构的微型发光二极管及制备方法。

背景技术：

1、微型发光二极管（micro-led）具有自发光、高亮度、响应速度快和像素尺寸小等特点，是微显示、增强现实、近眼显示和微型投影等方向的重要光源。随着像素尺寸减小，氮化镓与空气之间较大的折射率差、器件台面边界及出射面的光学约束会影响光在器件内部的传播与出射分布。因此，如何在不显著增加像素体积的条件下，对出射光进行有效调控，以改善近场分布或光功率空间分布，是提升器件性能的重要方向之一。

2、现有技术中，对led出射光进行准直调控的常见方案是贴装透镜。该方案通常在led芯片的出光面外侧，通过对准和贴装工艺，将预先制备好的微型透镜或透镜阵列固定于芯片表面。此外，现有技术中也出现了利用环形或微环结构对micro-led出射光进行调控的方案。

3、公开号cn102341740a公开了一种发光单元阵列、其制造方法和投影设备的发明专利，其在每个micro-led上形成微环衍射单元，并通过刻蚀micro-led表面形成多个同心凹进区域，以构成一维周期微环光栅并对出射光进行准直。该方案证明了微环结构参与micro-led光束调控的技术需求。

4、公开号cn115084324a公开了一种纳米环micro-led像素、阵列、芯片及制备方法的发明专利，其由多个周期排列的纳米环子像素构成的micro-led像素，其每个纳米环子像素包括n型氮化镓上部、多色量子阱、p型层和电流扩展层，并在环内壁设置颜色转换材料；该结构把包含有源层的子像素台面整体刻蚀成环。

5、公开号cn111453693a公开了一种纳米环的制备方法的发明专利，其利用图案化光刻胶和氧化膜制备阵列排布的纳米级环状凸起，并可将图案转移至氮化镓基led晶片的方法，重点在纳米环阵列及其掩膜转移工艺。

6、公开号cn101878568a公开了一种光量子环形激光器及其制造方法的发明专利，其公开了光量子环形激光器，其环形台面刻蚀涉及n型氮化镓层、活性层和p型氮化镓层并使活性层侧面暴露。

7、现有成果已经证明了两点：一是micro-led存在芯片级光场调控需求；二是环形、周向传播或微纳图案可以参与光场控制。然而，现有技术多侧重纳米环阵列制备、环形电极，或者将有源区本身制成环形等。因此，如何在保持micro-led多量子阱有源层连续和器件主体电学结构完整的前提下，提供一种无需另行贴装微透镜、无需构成多单元周期超表面、且能够与现有氮化镓加工路线兼容的芯片级环形光场调控结构，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种具有环形光场调控结构的微型发光二极管及制备方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种具有环形光场调控结构的微型发光二极管，具有由发光外延层叠体形成的发光台面，其中，所述发光外延层叠体包括沿出光方向依次设置的p型氮化镓层、多量子阱有源层和n型氮化镓层，所述n型氮化镓层包括n型氮化镓耦合层和环形正脊，所述环形正脊由所述n型氮化镓层局部浅刻蚀形成，所述环形正脊呈单个闭合非周期形态，所述环形正脊与所述n型氮化镓耦合层一体晶态连接，所述环形正脊将n型氮化镓耦合层分为环内连续n型氮化镓区和环外连续n型氮化镓区，所述环形正脊高于所述环内连续n型氮化镓区和所述环外连续n型氮化镓区。

4、进一步的，还包括支撑衬底、p型电极及键合层、侧壁钝化层和n型电极，所述支撑衬底上由下至上依次设置有p型电极及键合层和发光外延层叠体，所述侧壁钝化层覆盖在所述发光外延层叠体的侧壁上，所述n型电极设置在所述发光外延层叠体上。

5、进一步的，所述p型电极及键合层位于所述支撑衬底和所述p型氮化镓层之间并与所述p型氮化镓层电连接，所述n型电极设置在所述n型氮化镓耦合层平面上并与n型氮化镓耦合层电连接，且所述n型电极与所述环形正脊相互分离。

6、进一步的，所述发光台面为圆形发光台面，所述环形正脊为与所述发光台面同心设置的圆环形正脊。

7、进一步的，所述环形正脊的径向宽度w为300～500nm，所述环形正脊的高度h为250～450nm。

8、进一步的，所述n型氮化镓耦合层的厚度t为100～200nm，所述环外连续n型氮化镓区的环外间距g为200～600nm。

9、根据本发明的第二方面，提供了一种具有环形光场调控结构的微型发光二极管的制备方法，用于制备上述任一项所述的具有环形光场调控结构的微型发光二极管，包括以下步骤：

10、步骤s1：在生长衬底上依次外延生长n型氮化镓层、多量子阱有源层和p型氮化镓层，得到外延片；

11、步骤s2：在所述外延片的p型氮化镓层上沉积p型电极及键合层，得到带p侧结构的晶圆；

12、步骤s3：将所述晶圆的p侧结构键合到支撑衬底上，键合完成后，得到带双衬底结构的芯片；

13、步骤s4：将所述芯片进行翻转，使芯片的生长衬底朝上，并去除生长衬底，或者先减薄后去除剩余生长衬底，直至n型氮化镓层暴露出光面；

14、步骤s5：在所述n型氮化镓层上覆盖有环形正脊对应形状的掩膜，对所述掩膜内侧和外侧未被覆盖的n型氮化镓层同时进行浅刻蚀，去除掩膜后，得到具有环形正脊的发光台面；

15、步骤s6：在所述发光台面的侧壁和顶面上分别沉积侧壁钝化层和n型电极，得到具有环形光场调控结构的微型发光二极管。

16、进一步的，所述步骤s5中进行浅刻蚀时，控制刻蚀深度，使刻蚀终点位于所述n型氮化镓层内而不进入所述多量子阱有源层。

17、进一步的，所述n型氮化镓层经步骤s5刻蚀后被分为n型氮化镓耦合层和环形正脊，所述n型氮化镓耦合层的厚度t为100～200nm。

18、进一步的，所述步骤s6中n型电极沉积于所述n型氮化镓耦合层的平面上，并与所述环形正脊相互分离。

19、本发明具有如下优点：

20、本技术提供的微型二极管具有由发光外延层叠体形成的发光台面，其中，发光外延层叠体包括沿出光方向依次设置的p型氮化镓层、多量子阱有源层和n型氮化镓层，n型氮化镓层包括n型氮化镓耦合层和环形正脊，环形正脊由n型氮化镓层局部浅刻蚀形成，环形正脊呈单个闭合非周期形态，环形正脊与n型氮化镓耦合层一体晶态连接，环形正脊将n型氮化镓耦合层分为环内连续n型氮化镓区和环外连续n型氮化镓区，环形正脊高于环内连续n型氮化镓区和环外连续n型氮化镓区。本技术提供了一个在连续n型氮化镓耦合层上保留单个一体晶态、闭合且非周期的环形正脊，并同时保留连续量子阱有源层、环内连续n型氮化镓区和环外连续n型氮化镓区的器件结构。

21、本技术提供的光场调控结构为环形正脊，光场调控结构直接来源于器件自身n型氮化镓层，减少异质介质沉积、对准和贴装界面；本技术提供的单个非周期环形正脊不等同于多个微环衍射单元阵列，结构定义集中；本技术提供的多量子阱有源层没有被刻蚀，其发光区域保持连续，区别于将有源区本身制成环形的周向激光器，避免对多量子阱有源层进行直接刻蚀，有利于降低因有源层刻蚀损伤导致的发光效率下降风险；本技术提供的环形正脊与发光台面侧壁相互分离，能够分别设计发光台面边界和环形正脊结构，并在二者之间保留环外连续n型氮化镓区，使发光台面尺寸和环形正脊参数具有一定的设计空间，可结合台面半径、环形正脊中心线半径、径向宽度及环外间距进行协同优化。