氮化物发光器件制备方法

1.本公开涉及半导体照明技术领域，尤其涉及一种氮化物发光器件制备方法。


背景技术：

2.谐振腔发光二极管rcled是一种利用谐振腔作用使得自发发射得到增强的器件，它不仅具有更强的轴向光强和更高的提取效率，而且具有更窄的光谱线宽、更小的发散角、更好的发射方向性，利于与塑料光纤进行耦合。因此，在显示器、传感器以及光通信、局域网领域等方面有着广泛的应用价值。其中gan基rcled凭借着稳定的物理性能和化学性质及高辐射复合效率，适用于高亮度的显示、生物学、医学、美容、工业加工、刑侦技术及通讯、探测等领域的应用。其基本结构为把有源区嵌入有上下反射镜的谐振腔中，有源区内辐射复合出的光在上下反射镜中来回反射并产生干涉，很大程度上避免了衬底的吸收，并提高了出光效率。
3.但是，不同于gaas体系的材料，gan基rcled外延alxinyga
1-x-y
n/gan的dbr，会存在严重的热失配和晶格失配问题，很难外延出缺陷少且反射率达到要求的dbr。因此人们大多通过激光剥离并键合到介质dbr上的工艺来制备gan基rcled器件，这种传统的方法工艺复杂、难以实现且良率极低，因此我们引入二维材料作为缓冲层，利用范德华外延能一定程度上隔绝非晶介质dbr衬底由于热失配和晶格失配带来的影响，使外延层有希望按其固有的晶格进行生长，实现在介质dbr上直接外延gan基rcled结构，省略了剥离、键合的步骤，简化工艺流程，大幅降低生产成本和难度。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.基于上述问题，本公开提供了一种氮化物发光器件制备方法，以缓解现有技术中制备工艺复杂等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供了一种氮化物发光器件制备方法，包括：
8.在衬底上制备底层的底层dbr层；
9.在所述底层dbr层上覆盖单层或多层的二维材料薄膜，形成二维材料缓冲层；
10.在所述二维材料缓冲层上依次生长低温gan成核层和gan buffer层；
11.在所述gan buffer层上外延rcled主体结构，所述rcled主体结构在所述gan buffer层上由下至上依次包括：n-gan层、多量子阱发光层及p-gan层；
12.在所述p-gan层进行硼离子注入形成高阻区；并在所述p-gan层上蒸镀金属氧化物透明导电层；
13.在所述金属氧化物透明导电层两侧进行刻蚀至所述n-gan层，形成台阶区域；
14.在所述金属氧化物透明导电层的中间区域上制备顶层的顶层dbr层并光刻定义图形作为出光口；
15.在所述顶层dbr层两侧的所述金属氧化物透明导电层上设置有p电极，在所述台阶区域上设置有n电极；
16.在所述氮化物发光器件表面沉积绝缘层，并光刻腐蚀去除部分所述绝缘层且暴露出所述出光口、p电极及n电极，完成氮化物发光器件的制备。
17.在本公开实施例中，所述底层dbr层的介质dbr和所述顶层dbr层的介质dbr分别为周期性交替生长的折射率不同的两种薄膜介质，且底层dbr层的介质dbr的反射率大于所述顶层dbr层的介质dbr的反射率。
18.在本公开实施例中，所述二维材料薄膜层的材料为石墨烯、氮化硼、二硫化钼和二硫化钨其中一种。
19.在本公开实施例中，所述二维材料缓冲层可通过湿法转移、干法转移及cvd法中一种制备得到。
20.在本公开实施例中，所述低温gan成核层位于二维材料表面，其生长温度为900～1100℃。
21.在本公开实施例中，所述gan buffer层的厚度为10～200nm。
22.在本公开实施例中，所述n-gan层用于提供电子，注入到外延rcled主体结构的rcled有源区；
23.所述多量子阱发光层为algan/gan或ingan/gan量子阱发光层；
24.所述p-gan层用于提供空穴，注入到外延rcled主体结构的rcled有源区，并用于欧姆接触。
25.在本公开实施例中，所述硼离子注入为在p电极的下方注入硼离子，进而形成所述高阻区，所述高阻区用于阻碍所述高阻区的电流的注入。
26.在本公开实施例中，所述金属氧化物透明导电层能够在p电极区域实现横向电流扩展并增强出光率。
27.在本公开实施例中，所述外延rcled主体结构的rcled的外延生长方法为mocvd、mbe、hvpe及cvd中一种。
28.(三)有益效果
29.从上述技术方案可以看出，本公开氮化物发光器件制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
30.(1)通过引入二维材料作为缓冲层，利用范德华外延能一定程度上隔绝非晶介质dbr衬底由于热失配和品格失配带来的影响，使外延层有希望按其固有的晶格进行生长；
31.(2)实现在介质dbr上直接外延gan基rcled结构；以及
32.(3)省略了传统rcled制备工艺中的激光剥离、键合问题，并进一步解决了直接外延的难题，简化工艺流程，大幅降低生产成本和难度。
附图说明
33.图1为本公开实施例氮化物发光器件制备方法的氮化物发光器件的结构示意图。
34.图2为本公开实施例氮化物发光器件制备方法的制备方法的流程示意图。
35.【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
36.00
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衬底
37.01
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底层dbr层
38.02
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二维材料缓冲层
39.03
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低温gan成核层
40.04
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
gan buffer层
41.05
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
n-gan层
42.06
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
多量子阱发光层
43.07
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p-gan层
44.08
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高阻区
45.09
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属氧化物透明导电层
46.10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
顶层dbr层
47.11
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n电极
48.12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
p电极
49.13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
具体实施方式
50.本公开提供了一种氮化物发光器件制备方法，所述制备方法工艺简单、可靠，能以较低的成本和简易的工艺流程制备rcled器件，省略了传统rcled制备工艺中的激光剥离、键合问题，并进一步解决了直接外延的难题。
51.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
52.在本公开实施例中，提供一种氮化物发光器件制备方法，如图1至2所示，所述制备方法，包括：
53.在衬底00上制备底层的底层dbr层01；
54.在所述底层dbr层01上覆盖单层或多层的二维材料薄膜，形成二维材料缓冲层02；
55.在所述二维材料缓冲层02上依次生长低温gan成核层03和gan buffer(gan缓冲层)层04；
56.在所述gan buffer层04上生成外延rcled主体结构，所述外延rcled主体结构在所述gan buffer层04上由下到上依次包括：n-gan层05、多量子阱发光层06及p-gan层07；
57.在p-gan层07进行硼离子注入形成高阻区08；并在p-gan层07上蒸镀金属氧化物透明导电层09；
58.在所述金属氧化物透明导电层09上两侧进行icp刻蚀，直至所述n-gan层05为止，形成台阶区域；
59.在所述金属氧化物透明导电层09的中间区域上光刻定义出顶层的顶层dbr层10作为出光口；
60.在所述顶层dbr层10两侧的所述金属氧化物透明导电层09上设置有p电极12，在所述台阶区域上设置有n电极11；
61.在所述氮化物发光器件表面沉积绝缘层13，并光刻腐蚀去除部分所述绝缘层13且暴露出所述出光口、p电极12及n电极11，完成制备。
62.在本公开实施例中，所述底层dbr层01的介质dbr和所述顶层dbr层10的介质dbr分
别为周期性交替生长的折射率不同的两种薄膜介质，且底层dbr层01的介质dbr的反射率大于所述顶层dbr层10的介质dbr的反射率。
63.在本公开实施例中，所述二维材料薄膜层02的材料为石墨烯、氮化硼、二硫化钼和二硫化钨等二维材料其中一种。
64.在本公开实施例中，所述二维材料缓冲层02可通过湿法转移、干法转移及cvd法中一种制备得到。
65.在本公开实施例中，所述低温gan成核层03位于二维材料表面，其生长温度为900～1100℃。
66.在本公开实施例中，所述gan buffer层04的厚度为10～200nm。
67.在本公开实施例中，所述n-gan层05用于提供电子，注入到外延rcled主体结构的rcled有源区；
68.所述多量子阱发光层06为algan/gan或ingan/gan量子阱发光层；
69.所述p-gan层07用于提供空穴，注入到外延rcled主体结构的rcled有源区，并用于欧姆接触。
70.在本公开实施例中，所述硼离子注入为在p电极12的下方注入硼离子，进而形成所述高阻区08，所述高阻区08用于阻碍所述高阻区08的电流的注入。
71.在本公开实施例中，所述金属氧化物透明导电层09能够在p电极12区域实现横向电流扩展并增强出光率。
72.在本公开实施例中，所述外延rcled主体结构的rcled的外延生长方法为mocvd、mbe、hvpe及cvd中一种。
73.具体地，在本公开实施例中，如图1至2所示，氮化物发光器件制备方法，包括以下步骤：
74.步骤一：在衬底上制备底层dbr层，其底层dbr层为高反射率介质dbr；
75.一些实施例中，衬底为蓝宝石衬底、sic衬底、si衬底或其他任意衬底。
76.本实施例中，衬底00：采用蓝宝石沉底，可以但不局限于蓝宝石衬底，其他任意衬底同样适用。
77.一些实施例中，底层高反射率介质dbr为周期性交替生长的折射率不同的两种薄膜。
78.本实施例中，底层高反射率介质dbr层01：采用反应离子数溅射6对厚度分别为53.51nm/78.5nm的ta2o5/sio2，可以但不局限于采用反应离子数溅射6对ta2o5/sio2。
79.步骤二：在介质dbr表面覆盖1～10层二维材料薄膜；
80.一些实施例中，二维材料薄膜作为缓冲层可以为石墨烯、氮化硼、二硫化钼和二硫化钨等二维原子晶体材料；其中，所述二维材料的层数为单层或者多层。
81.一些实施例中，二维材料薄膜可通过湿法转移、干法转移或cvd制备形成所述的二维材料缓冲层。
82.本实施例中，二维材料缓冲层02：二维材料缓冲层采用的是湿法转移的单层石墨烯薄膜，可以但不局限于湿法转移的单层石墨烯薄膜。
83.具体的，在cu箔上cvd生长的石墨烯上旋涂pmma，并将其置于120℃的热板上烘烤15分钟，固化后在21％浓度的fecl3溶液中浸泡4小时，腐蚀掉铜箔，用转移片将石墨烯薄膜
转移到去离子水中漂洗，然后转移到目标衬底上，在氮气柜晾干后，用丙酮乙醇去掉pmma；多层石墨烯，为重复单层的步骤，逐层获得多层。
84.步骤三：在二维材料上依次生长低温gan成核层和gan buffer层；
85.一些实施例中，低温gan成核层位于二维材料表面，其生长温度为900～1100℃。
86.本实施例中，低温gan成核层03：位于二维材料表面，其生长温度为1020℃，可以但不局限于1020℃。
87.一些实施例中，gan buffer层的厚度为10～200nm。
88.本实施例中，gan buffer层04：位于低温gan成核层之上，外延了100nm的厚度，可以但不局限于100nm。
89.具体的，采用mocvd设备在石墨烯表面1020℃生长低温gan成核层，然后生长100nm的非掺gan buffer层。
90.步骤四：外延rcled主体结构，包括：n-gan层、多量子阱发光层和p-gan层；
91.本实施例中，rcled主体结构，包括：
92.n-gan层05：用于提供电子，注入到rcled有源区；
93.多量子阱发光层06：为algan/gan或ingan/gan量子阱发光层；
94.p-gan层07：用于提供空穴，注入到rcled有源区，并用于欧姆接触。
95.具体的，mocvd外延rcled主体结构。通过在gan buffer层上生长si掺杂的gan电子注入层，其后生长in
0.10
ga
0.90
n/gan多量子阱发光层，最后生长一层mg掺杂的gan空穴注入层用于欧姆接触。
96.步骤五：离子注入硼形成高阻区；
97.一些实施例中，硼离子注入为在p电极区域下方注入硼离子，形成高阻区，用于限制电流在本区域的注入。
98.本实施例中，高阻区08：位于p电极区域下方，可以但不局限于注入硼离子。
99.步骤六：在p-gan层蒸镀金属氧化物透明导电层，并光刻腐蚀n区域的金属氧化物透明导电层；
100.一些实施例中，金属氧化物透明导电层位于p-gan层之上，利用其导电性强和透明性高的特点，在p电极区实现横向电流扩展并增强出光率。
101.本实施例中，金属氧化物透明导电层09：220℃下蒸镀50nm，用于实现横向电流扩展，可以但不局限于金属氧化物透明导电层。
102.步骤七：利用台阶区域上的光刻胶作为掩膜进行icp刻蚀，直至刻蚀到n-gan层为止；
103.本实施例中，先用光刻胶定义出n电极的台阶区域，利用台阶区域上的光刻胶作为掩膜，然后进行icp刻蚀，直至刻蚀到n电极区的n-gan层为止，刻出n电极图形。
104.步骤八：光刻定义出顶层dbr层，其顶层dbr层为低反射率介质dbr图形作为出光口；
105.本实施例中，顶层的低反射率介质dbr图形层10：采用反应离子数溅射3对厚度分别为53.51nm/78.5nm的ta2o5/sio2，可以但不局限于采用反应离子数溅射3对ta2o5/sio2。
106.步骤九：制备金属电极；
107.本实施例中，金属n电极11和p电极12：为cu、al、ni、au、ti、cr、pt等金属中的一种
或多种任意组合。
108.步骤十：在器件表面沉积绝缘层，并光刻腐蚀去除部分绝缘层暴露出光口和金属电极区域，完成器件制备。
109.一些实施例中，rcled的出光端面上除电极区域、出光口以及隔离沟道槽外均沉积一层绝缘层。
110.本实施例中，绝缘层13：采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)的方法沉积sio2，并光刻、腐蚀出激光器p、n电极和出光区，完成器件制备。
111.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
112.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开氮化物发光器件制备方法有了清楚的认识。
113.综上所述，本公开提供了一种氮化物发光器件制备方法，该制备方法通过引入二维材料作为缓冲层，利用范德华外延能一定程度上隔绝非晶介质dbr衬底由于热失配和晶格失配带来的影响，使外延层有希望按其固有的晶格进行生长；实现在介质dbr上直接外延gan基rcled结构；省略了传统rcled制备工艺中的激光剥离、键合问题，并进一步解决了直接外延的难题，简化工艺流程，大幅降低生产成本和难度。
114.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
115.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
116.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
117.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
118.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
119.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合
形成更多的实施例。
120.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
121.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
122.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。