一种垂直结构并联阵列LED芯片及其制备方法

一种垂直结构并联阵列led芯片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及led技术领域，更具体地，涉及一种垂直结构并联阵列led芯片及其制备方法。


背景技术：

2.随着led照明市场份额的不断扩大，对于led的应用场景也越来越广阔，随着可见光通信技术的逐渐发展，将led因为光电性能优异、成本低、寿命长，调制速率快被认为是可见光通信技术最理想的光源。
3.根据led不同组成结构的排列和堆叠方式，led主要可以归为以下几类：正装(也称之为水平)结构、倒装结构以及垂直结构。垂直结构led的各个层结构都在同一垂直面上，电流几乎可以直接垂直传导，有效地解决了正装(也称之为水平)结构、倒装结构两种结构存在的电流拥挤问题，并且无需另外刻蚀出n区，保证了发光面积，由于p-gan下选用的是导热、导电的金属衬底或硅衬底，器件内部产生的热量可以有效传导出去。故而垂直结构led不论是从发光性能上还是使用寿命上都有很大优势。
4.现有技术公开了一种适用于可见光通信的并联阵列led芯片包括从下到上依次连接的导电衬底、键合金属层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层和发光有源区，发光有源区包括p电极和多个阵列分布的发光有源单元，相邻的发光有源单元之间设有刻蚀通道，每个发光有源单元均包括功能层和至少一个柱状n电极，所述功能层包括p型gan层、ingan/gan多量子阱层和n型gan层，所述柱状n电极位于所述功能层的内部，所述柱状n电极的顶部与所述n型gan层欧姆接触，所述柱状n电极的底部键合金属层形成电导通。
5.现有技术公开了面向可见光通信的gan垂直结构光电器件研究，其以多量子阱(mqw)作为有源区，采用垂直结构，在4英寸的晶圆上设计制备出蓝光通信器件。制备过程中，利用了光刻工艺、无掩膜刻蚀技术、蒸镀电极和退火等工艺，为了提升器件的发光性能，将外延层的厚度减薄至1.1μm，有效减少器件内部的光波导模式，器件尺寸结构的优化降低了器件的rc常数，也提升了器件的响应速率；另外，在p-gan下集成了ni/ag作为反射镜，以及粗糙的出光表面进一步提升了出光效率。
6.综上所述，上述现有技术公开的垂直结构led虽然在一定程度上降低了器件的rc常数和提升光输出功率，但仍调制带宽和光输出功率等性能方面仍不足。


技术实现要素：

7.本发明为克服上述现有技术所述垂直结构led器件的调制带宽和光输出功率不足的问题，提供一种垂直结构并联阵列led芯片。
8.同时，提供一种垂直结构并联阵列led芯片的制备方法。
9.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
10.一种垂直结构并联阵列led芯片，包括从下到上依次排列分布的导电衬底、键合金属层、p接触反射镜金属及保护层、p型gan层、ingan/gan多量子阱层、n型gan层、n电极；
11.所述n型gan层、ingan/gan多量子阱层和p型gan层通过刻蚀分割成若干个独立单元，独立单元之间的刻蚀通道沉积绝缘材料形成隔离；
12.所述n电极与各独立单元连接构成并联阵列。
13.led器件的rc常数与通信性能的调制带宽息息相关，并联led的电容c和电阻r可以由以下公式表示：
14.c＝nc1 c0[0015][0016]
其中，其中n为阵列单元数目，c1为单个单元的结电容，c0为寄生电容等电容常数项；r1为单个单元电阻，r0为串联电阻项。在并列单元的led中，由公式可知随着阵列数目的提升而导致的电容的增幅并不明显。而led的电阻随阵列数目的提升而减小的幅度较大，所以并列阵列可以有效减小rc时间常数，进而增加调制带宽，提高器件通信性能。
[0017]
优选地，所述n电极与各独立单元的n型gan层上表面形成欧姆接触。
[0018]
优选地，所述n电极为ti、cr、ag、au、pt中的一种或两种及以上的合金，厚度为500～1000nm。
[0019]
优选地，所述导电衬底为导电硅衬底，厚度为200～500μm；所述绝缘材料为sio2。
[0020]
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p接触反射镜金属为ag和ni中的一种或两种，厚度为600～1000nm；所述保护层为tiw层，所述保护层的厚度为200～300nm。
[0021]
优选地，所述键合金属层为ni、au、sn、ti中的一种或多种组成的合金，厚度为700～1000nm。
[0022]
一种所述垂直结构并联阵列led芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0023]
(1)取si衬底，采用mocvd设备在所述si衬底上依次生长5um厚的algan缓冲层、n型gan层、ingan/gan多量子阱层和p型gan层(105)，得到led外延片；其中n型gan的掺杂通过在生长时引入硅烷气体实现si元素的掺杂，p型gan的掺杂通过在生长时引入二茂镁气体实现mg的掺杂；
[0024]
继续使用电子束蒸发设备在p型gan层上沉积p接触反射镜金属及保护层，金属蒸发速率为15埃/秒；
[0025]
(2)在步骤(1)所述得led芯片上通过沉积键和金属层，从而得到第一晶圆；
[0026]
(3)在另一导电硅衬底上通过沉积工艺制备得到键和金属层，从而得到第二晶圆；
[0027]
(4)将制得的第一晶圆与第二晶圆的键合金属层进行表面活化，将处理后的键合金属层对准，然后一起送入键合机进行预键合，预键合的晶圆间形成牢固的键合，得到led芯片半成品；
[0028]
(5)将所述led芯片半成品的si衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中，腐蚀至si衬底消失为止，再采用icp刻蚀去除algan缓冲层，暴露出n型gan层；
[0029]
(6)然后，采用icp刻蚀将n型gan层、ingan/gan多量子阱层及p型gan层分割成若干个独立单元，将整块外延结构分割成各个相互不连接的小块，每个小块对应一个led芯片，然后沉积p电极焊盘金属与接触层金属相连接，至此p电极从芯片内部引出至表面；然后采用pecvd进行sio2沉积将不同独立单元隔离；sio2层厚度为2μm；
[0030]
(7)最终通过光刻刻出n电极的台阶，沉积n电极，得到垂直结构并联阵列led芯片。
[0031]
优选地，步骤(5)中氢氟酸：冰乙酸：硝酸的物质的量浓度之比为5:1:5。
[0032]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0033]
本发明提供的一种垂直结构并联阵列led芯片，除过具有垂直结构led芯片的优势外，采用并联阵列的方法，降低了芯片的结电容，从而降低了rc时间常数，相比现有技术有显著的性能提升，可用于制备适用于可见光通信的高带宽led芯片。
[0034]
本发明提供的垂直结构并联阵列led芯片，可通过提升并联芯片的数目来进一步提升led的光输出功率，适用于更多的应用场景。
[0035]
本发明提供的阵列led芯片，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
[0036]
图1为垂直结构并联阵列led芯片结构主视图；
[0037]
图2为垂直结构并联阵列led芯片结构俯视图。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0040]
实施例1
[0041]
如图1～2所示，一种垂直结构并联阵列led芯片，包括从下到上依次排列分布的导电衬底101、键合金属层102、p接触反射镜金属及保护层103、p型gan层105、ingan/gan多量子阱层106、n型gan层107、n电极108；
[0042]
n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106和p型gan层105通过刻蚀分割成若干个独立单元，独立单元之间的刻蚀通道沉积绝缘材料形成隔离；
[0043]
n电极018与各独立单元连接构成并联阵列。
[0044]
n电极108与各独立单元的n型gan层上表面形成欧姆接触。
[0045]
n电极108为ti、cr合金，厚度为500nm。
[0046]
导电衬底为导电硅衬底，厚度为500μm；绝缘材料为sio2。
[0047]
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；p接触反射镜金属为ag，厚度为800nm；保护层为tiw层，保护层的厚度为300nm。
[0048]
键合金属层为ni、au的合金，厚度为1000nm。
[0049]
一种垂直结构并联阵列led芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0050]
(1)取si衬底，采用mocvd设备在si衬底上依次生长5um厚的algan缓冲层、n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106和p型gan层105，得到led外延片；其中n型gan的掺杂通过在生长时引入硅烷气体实现si元素的掺杂，p型gan的掺杂通过在生长时引入二茂镁气体实现mg的掺杂；
[0051]
继续使用电子束蒸发设备在p型gan层105上沉积p接触反射镜金属及保护层103，
金属蒸发速率为15埃/秒；
[0052]
(2)在步骤(1)得led芯片上通过沉积键和金属层102，从而得到第一晶圆；
[0053]
(3)在另一导电硅衬底101上通过沉积工艺制备得到键和金属层102，从而得到第二晶圆；
[0054]
(4)将制得的第一晶圆与第二晶圆的键合金属层进行表面活化，将处理后的键合金属层对准，然后一起送入键合机进行预键合，预键合的晶圆间形成牢固的键合，得到led芯片半成品；
[0055]
(5)将led芯片半成品的si衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中，腐蚀至si衬底消失为止，再采用icp刻蚀去除algan缓冲层，暴露出n型gan层107；
[0056]
步骤(5)中氢氟酸：冰乙酸：硝酸的物质的量浓度之比为5:1:5。
[0057]
(6)然后，采用icp刻蚀将n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106及p型gan层105分割成若干个独立单元，将整块外延结构分割成各个相互不连接的小块，每个小块对应一个led芯片，然后沉积p电极焊盘金属与接触层金属相连接，至此p电极从芯片内部引出至表面；然后采用pecvd进行sio2沉积将不同独立单元隔离；sio2层厚度为2μm；
[0058]
(7)最终通过光刻刻出n电极的台阶，沉积n电极108，得到垂直结构并联阵列led芯片。
[0059]
实施例2
[0060]
如图1～2所示，一种垂直结构并联阵列led芯片，包括从下到上依次排列分布的导电衬底101、键合金属层102、p接触反射镜金属及保护层103、p型gan层105、ingan/gan多量子阱层106、n型gan层107、n电极108；
[0061]
n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106和p型gan层105通过刻蚀分割成若干个独立单元，独立单元之间的刻蚀通道沉积绝缘材料形成隔离；
[0062]
n电极018与各独立单元连接构成并联阵列。
[0063]
n电极108与各独立单元的n型gan层上表面形成欧姆接触。
[0064]
n电极108为cr，厚度为500nm。
[0065]
导电衬底为导电硅衬底，厚度为200μm；绝缘材料为sio2。
[0066]
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；p接触反射镜金属为ni，厚度为600nm；保护层为tiw层，保护层的厚度为200nm。
[0067]
键合金属层为sn，厚度为700nm。
[0068]
一种垂直结构并联阵列led芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0069]
(1)取si衬底，采用mocvd设备在si衬底上依次生长5um厚的algan缓冲层、n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106和p型gan层105，得到led外延片；其中n型gan的掺杂通过在生长时引入硅烷气体实现si元素的掺杂，p型gan的掺杂通过在生长时引入二茂镁气体实现mg的掺杂；
[0070]
继续使用电子束蒸发设备在p型gan层105上沉积p接触反射镜金属及保护层103，金属蒸发速率为15埃/秒；
[0071]
(2)在步骤(1)得led芯片上通过沉积键和金属层102，从而得到第一晶圆；
[0072]
(3)在另一导电硅衬底101上通过沉积工艺制备得到键和金属层102，从而得到第二晶圆；
[0073]
(4)将制得的第一晶圆与第二晶圆的键合金属层进行表面活化，将处理后的键合金属层对准，然后一起送入键合机进行预键合，预键合的晶圆间形成牢固的键合，得到led芯片半成品；
[0074]
(5)将led芯片半成品的si衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中，腐蚀至si衬底消失为止，再采用icp刻蚀去除algan缓冲层，暴露出n型gan层107；
[0075]
步骤(5)中氢氟酸：冰乙酸：硝酸的物质的量浓度之比为5:1:5。
[0076]
(6)然后，采用icp刻蚀将n型gan层107、ingan/gan多量子阱层106及p型gan层105分割成若干个独立单元，将整块外延结构分割成各个相互不连接的小块，每个小块对应一个led芯片，然后沉积p电极焊盘金属与接触层金属相连接，至此p电极从芯片内部引出至表面；然后采用pecvd进行sio2沉积将不同独立单元隔离；sio2层厚度为2μm；
[0077]
(7)最终通过光刻刻出n电极的台阶，沉积n电极108，得到垂直结构并联阵列led芯片。
[0078]
实施例3～5
[0079]
实施例3～5的技术方案与实施例1相似，不同之处在于如表1所示。
[0080]
表1实施例3～5的技术方案
[0081][0082]
性能测试
[0083]
将实施例1～5的led芯片进行性能测试，性能测试工艺为：
[0084]
光电性能测试：测试所采用的积分球为远方光电型号为haas-2000的0.5m直径积分球。通过al基板样品制备采用对应的夹具可对led样品进行iv、lop以及发光光谱等参数的测量。
[0085]
积分球由金属材料制成，球壳内壁涂满了白色的高漫反射层(通常是氧化镁或硫酸钡)或其他高反射率的高分子材料，而且球壳内壁中的各点可以形成均匀的漫反射。在进行测试时，样品发出的光进入积分球内部后会经过内壁的反复多次的反射，最终由探测系统接受并进行数据分析和处理。积分球常用来测试led光源的光通量、色温、光效等参数，也可用于测量物体的反射率和透过率等。
[0086]
通信性能：3db带宽是led非常重要的通信性能，带宽的大小显著影响着led在通信系统中信道的容量以及通信速度。3db带宽可以采用示波器或者网络分析仪进行测试。本专利所采用的是基于网络分析仪为核心仪器所搭建的测试平台。主要包含一个偏置器，型号zfbt-6gw ，用于耦合led的偏置电压与交流信号；一个编程线性电源，型号ss-l303spd，通
过该款稳压源可以给led器件提供偏置电压；一个高带宽apd探测器，型号apd210，最高可测试1。6ghz带宽的led器件，用于探测led光输出功率的强度变化；以及一个蓝光滤光片，型号fb450-40，用于过滤白光led光中的慢响应的黄色荧光粉部分。
[0087]
表2测试结果
[0088] 光输出功率@100ma带宽@100ma实施例18.5mw195mhz实施例29.5mw182mhz实施例39.8mw179mhz实施例49.7mw186mhz实施例59.6mw191mhz
[0089]
从表2可知，5个实施例的led芯片光输出性能都在毫瓦级别，足以满足可见光通信的需要，带宽则高达几百兆赫兹，具有优异的通信性能。
[0090]
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。