具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片及其制备方法。本发明专利技术的LED阵列芯片，由N×N个发光单元组成，每个发光单元的阳极单独引出，所有发光单元共阴极；发光单元的有源区具有较深的纳米孔，纳米孔的深度超过量子阱层；GaN材料表面的介质薄膜层也分布有较浅的纳米孔，纳米孔的底部有介质薄膜。本发明专利技术通过有源区域上介质钝化层开槽，结合软膜纳米压印技术，使得有源区域的深纳米孔和钝化层的浅纳米孔可同时制备完成，有源区域的深纳米孔提高了辐射复合速率，钝化层的浅纳米孔构成了增透的钝化层，都有利于提高光子模式的逸出，提高出光效率和调制带宽。此外，本发明专利技术的制备方法避免了深刻蚀工艺，具有工艺简单、良率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片及其制备方法
本专利技术涉及LED芯片领域，具体涉及用于可见光通信的具有纳米孔结构的微尺寸LED阵列芯片及其制备方法。
技术介绍
可见光通信是LED（发光二极管）在超越照明领域的一个重要突破点。为了提高可见光通信系统的调制带宽，可优化信号接收器的反馈电路，或者利用均衡电路抬升损耗过大的频率点。这种技术成本低廉、效果显著，但由于需要处理的频率点不仅与LED器件的等效电阻和等效电容密切相关，而且与整个系统的寄生电阻和寄生电容密切相关，电路的调节往往只适用于特定的LED器件和系统组件，不适用于批量生产。此外，还可采用高阶的调制技术，例如正交调幅技术（QAM）、离散多音频技术（DMT）、正交频分复用技术（OFDM）和波分复用技术（WDM）。但是这些调制技术都依赖复杂的调制电路。为了提高可见光通信光源的调制带宽，可采用微尺寸LED芯片，并利用诸如光子晶体、谐振腔、表面等离激元等技术提高载流子复合速率。但光子晶体的形成需要严格的周期分布的纳米结构，GaN基谐振腔需要激光剥离蓝宝石衬底或者外延层分布布拉格反射镜等复杂技术，表面等离激元受限于局域场增强特性与空穴/电子注入层厚度较大的矛盾，这几种技术的工艺难度都较大。此外，由于GaN材料与空气折射率差较大，光从LED芯片内部出射时，光线逃逸锥较小，出光效率较低，也不利于高信噪比及高速可见光通信。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片。该芯片由N×N个发光单元而成，其中N≥2，每个发光单元的阳极单独引出，所有发光单元共阴极；发光单元的有源区具有较深的纳米孔，纳米孔的深度超过量子阱层，提高了辐射复合速率；芯片表面的钝化层分布有较浅的纳米孔，构成增透钝化层。本专利技术的目的还在于提供所述的一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片的制备方法。该方法采用“制备介质绝缘层à制备电极à制备介质钝化层à有源区域上介质钝化层开槽à软膜纳米压印à刻蚀纳米孔”的工艺流程，发光单元的有源区域的深纳米孔和芯片表面其它区域的钝化层的浅纳米孔可同时制备完成。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。本专利技术提供的具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，由N×N个发光单元、N×N个阳极焊盘和两个阴极焊盘组成，其中N≥2，电极焊盘和金属连接线与半导体材料之间由介质绝缘层隔离；发光单元的有源区的直径是100μm至200μm之间；发光单元的有源区具有较深的纳米孔，纳米孔的深度超过量子阱层，纳米孔的直径是300nm至1000nm之间；GaN材料表面的介质薄膜层也分布有较浅的纳米孔，构成增透钝化层，纳米孔的深度是200nm至500nm，纳米孔的底部有介质薄膜。进一步地，从衬底至光出射方向，发光单元的有源区域依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、量子阱层、P型掺杂AlGaN层、P型掺杂GaN层、透明电流扩展层、以及介质钝化层。进一步地，从衬底至光出射方向，电极焊盘区域依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、介质绝缘层、金属电极。进一步地，发光单元呈圆台结构形式，发光单元的阳极呈圆盘状，分布在圆台的上表面中心；发光单元的阴极呈圆环状，围绕着圆台分布；阴极圆环有一个缺口，阳极与阳极焊盘之间的金属连接线穿过这个缺口实现连接，金属连接线的宽度是20μm以上，缺口的宽度比金属连接线的宽度大20μm以上；每个发光单元的阳极单独引出至阳极焊盘，所有发光单元共阴极且在第一行和第N行各有一个阴极焊盘。进一步地，介质绝缘层分布在整个芯片的半导体材料的上表面，在电极焊盘和金属连接线与半导体材料之间形成电绝缘，但在发光单元的阳极和阴极区域开槽；所述介质绝缘层是SiO2、SiN、SiON中的一种以上，厚度是300nm以上；所述半导体材料包含透明电流扩展层、P型掺杂GaN层、P型掺杂AlGaN层、量子阱层、N型掺杂GaN层。本专利技术提供的具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片的制备方法，包括如下步骤：（1）使用金属氧化物气相沉积法制备GaN基LED外延片，GaN基LED外延片的结构依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、量子阱层、P型掺杂AlGaN层和P型掺杂GaN层。（2）使用电子束蒸发在GaN基LED外延片上沉积透明电流扩展层，经快速退火形成欧姆接触，再使用紫外光刻和湿法腐蚀，形成只在发光单元的有源区域分布的透明电流扩展层圆盘。所述快速退火工艺的退火温度是500~650℃，升温速率是5~15℃/sec，气氛是氮气和氧气的混合气，退火时间是60~300sec。（3）使用感应耦合等离子体刻蚀，暴露N型掺杂GaN层，形成发光单元的圆台结构。（4）使用等离子体增强化学气相沉积制备介质绝缘层，再使用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀，在发光单元的阳极和阴极区域开槽。（5）使用负胶剥离和电子束蒸发，在发光单元的圆台上的阳极开槽区域制备圆盘状的阳极，在阴极开槽区域制备圆环状的阴极，并在电极绝缘层上制备阳极焊盘、阴极焊盘以及金属连接线。（6）使用等离子体增强化学气相沉积制备介质钝化层，接着使用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀在有源区域上的介质钝化层开槽用于纳米压印；开槽区域的范围是：在发光单元的圆台之内，发光单元的阳极开槽区域之外，以及发光单元的金属连接线区域之外。（7）在介质钝化层上旋涂增粘剂和纳米压印胶，再使用软膜纳米压印在整个芯片的上表面压印成型纳米孔图案；然后使用感应耦合等离子体刻蚀去除空气孔底部残留的纳米压印胶。（8）使用感应耦合等离子体刻蚀将纳米压印胶上的纳米孔图案转移到介质钝化层。（9）再使用感应耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀。在有源区域，纳米孔图案依次从较薄的介质钝化层转移到透明电流扩展层和GaN半导体材料层，GaN半导体材料的刻蚀深度超过量子阱的深度50nm以上；在其他区域，纳米孔图案继续在较厚的介质钝化层往深处延伸。（10）使用紫外光刻和湿法腐蚀，在阳极、阴极、电极焊盘和金属连接线区域暴露金属电极。进一步地，步骤（4）中，介质绝缘层的等离子体增强化学气相沉积分四步制备，第一步，将LED外延片放入等离子体增强化学气相沉积设备的样品载盘，沉积介质薄膜至目标厚度的1/4；第二步，将LED外延片在载盘上旋转90°，沉积介质薄膜至目标厚度的1/2；第三步，将LED外延片在载盘上再旋转90°，沉积介质薄膜至目标厚度的3/4；第四步，将LED外延片在载盘上再旋转90°，沉积介质薄膜至目标厚度。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术制备的具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，采用独立可控的N×N个微尺寸发光单元，在保持调制带宽的基础上，结合多输入多输出（MIMO）技术和简单的开关键控（OOK）编码技术就可以提高通信容量；发光单元的阳极焊盘和金属连接线分布在介质绝缘层之上，且所有发光单元共阴极，使得各发光单元的半导体外延层无需隔离就可以实现独立可控，避免了相邻发光单元的半导体外延层相互隔离时的深刻蚀工艺，所以阵列芯片的集成方式具有工艺简单、良率高的优点。（2）本专利技术制备的具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，采用“制备介质绝缘层à制备电极à制备介质钝化层à有源区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于：包括N × N个发光单元、N × N个阳极焊盘和两个阴极焊盘，其中N ≥ 2，呈正方形阵列分布，所述电极焊盘之间通过金属连接线连接，所述金属连接线与半导体材料之间通过介质绝缘层隔离；所述发光单元的有源区直径为100～200μm；所述发光单元的有源区上分布有纳米孔，所述有源区纳米孔的深度超过量子阱层，直径为300～1000nm；所述GaN材料表面的介质薄膜层上同时分布纳米孔，构成增透钝化层，所述GaN材料表面纳米孔的深度为200～500nm。

【技术特征摘要】
1.一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于：包括N×N个发光单元、N×N个阳极焊盘和两个阴极焊盘，其中N≥2，呈正方形阵列分布，所述电极焊盘之间通过金属连接线连接，所述金属连接线与半导体材料之间通过介质绝缘层隔离；所述发光单元的有源区直径为100～200μm；所述发光单元的有源区上分布有纳米孔，所述有源区纳米孔的深度超过量子阱层，直径为300～1000nm；所述GaN材料表面的介质薄膜层上同时分布纳米孔，构成增透钝化层，所述GaN材料表面纳米孔的深度为200～500nm。2.根据权利要求1所述的一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于：从衬底至光出射方向，所述发光单元的有源区域依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、量子阱层、P型掺杂AlGaN层、P型掺杂GaN层、透明电流扩展层和介质钝化层。3.根据权利要求1所述的一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于：从衬底至光出射方向，所述电极焊盘区域依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、介质绝缘层和金属电极。4.根据权利要求1所述的一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于：所述发光单元呈圆台结构形式，所述发光单元的阳极呈圆盘状，分布在圆台的上表面中心；阴极呈圆环状，围绕着圆台分布；阴极的圆环状上设有缺口，所述阳极与阳极焊盘之间的金属连接线穿过缺口连接，所述金属连接线的宽度大于20μm，所述缺口的宽度比金属连接线的宽度大20μm以上；每个发光单元的阳极单独连接至阳极焊盘，所有发光单元共阴极且在第一行和第N行各有一个阴极焊盘。5.根据权利要求1所述的一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片，其特征在于，所述介质绝缘层覆盖在整个芯片的半导体材料上表面，在电极焊盘和金属连接线与半导体材料之间形成电绝缘；所述介质绝缘层为SiO2、SiN或SiON，厚度大于等于300nm；所述半导体材料包含透明电流扩展层、P型掺杂GaN层、P型掺杂AlGaN层、量子阱层、N型掺杂GaN层。6.一种具有增透钝化层的纳米孔LED阵列芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、使用金属氧化物气相沉积法制备GaN基LED外延片，GaN基LED外延片的结构依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄华茂，黄程，吴浩城，王洪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44