倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片及其制备方法。本发明专利技术的LED阵列芯片，四个发光单元并联，正电极金属连接线与半导体材料之间由介质绝缘层隔离，负电极直接覆盖在半导体材料上表面；发光单元的有源区域具有周期分布的光子晶体，光子晶体的深度超过有源层的深度；除电极焊盘外，整个芯片表面都分布有介质DBR；金属电极构成金属反射镜。本发明专利技术的制备方法，采用先制备欧姆接触层和电极、后刻蚀光子晶体的方案，无需平坦化等传统工艺流程；采用较厚的条状介质绝缘层隔离电极与半导体材料，较薄的介质掩膜层与胶掩膜层共同刻蚀的方案，有利于DBR的沉积以及光子模式的快速逸出；本发明专利技术的工艺流程简单、可靠。

Flip-chip micro-size photonic crystal LED array chip and its preparation method

The invention discloses a flip-chip structure micro-size photonic crystal LED array chip and a preparation method thereof. The LED array chip of the present invention has four light-emitting units in parallel, and the metal connection wires of positive electrodes and semiconductor materials are separated by dielectric insulating layer, and the negative electrodes are directly covered on the surface of semiconductor materials; the active region of the light-emitting unit has photonic crystals with periodic distribution, and the depth of photonic crystals exceeds the depth of the active layer; besides the electrode pad, the entire chip surface is distributed with dielectrics. Quality DBR; Metal electrodes constitute metal mirrors. The preparation method of the present invention adopts the scheme of preparing ohmic contact layer and electrodes before etching photonic crystals without flattening and other traditional process flow, adopts a scheme of etching thick strip dielectric insulating layer isolating electrode and semiconductor material, thin dielectric mask layer and glue mask layer together, which is conducive to the deposition of DBR and the rapid escape of photon mode. The process is simple and reliable.

【技术实现步骤摘要】
倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片及其制备方法
本专利技术涉及光子晶体LED芯片领域，具体涉及一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片及其制备方法。
技术介绍
可见光通信兼顾照明和通信两种功能，成为LED（发光二极管）在超越照明领域的一个重要突破点。在可见光通信中，发光器件的调制带宽是影响通信容量的重要因素。LED的调制带宽主要受RC常数和载流子复合速率的影响。为了降低RC常数以提升RC带宽，可采用微尺寸芯片；为了提高载流子复合速率以提升载流子限制带宽，可采用谐振腔、表面等离激元和光子晶体技术。微尺寸芯片既具有较小的电容，又具有较高的饱和电流密度，可有效地提高调制带宽。但是，单个的微尺寸LED的有源区面积较小，输出光功率较小，信噪比较差，不利于可见光通信。光子晶体LED通过禁带效应增强中心波长的光子局域态密度，提高载流子复合速率从而提升载流子限制带宽。光子晶体的制备一般采用“制备光子晶体à表面平坦化à干法刻蚀暴露半导体材料à制备欧姆接触层à制备电极”的工艺流程。这个工艺流程引入了三个技术难点。难点1是表面平坦化：在具有光子晶体的LED外延片上旋涂SOG（匀胶玻璃）或BCB等填充材料使得外延片表面平坦化，由于填充材料是液态，旋转涂敷后容易沿着图案化的外延片表面上下起伏，因此较难实现平坦化。难点2是干法刻蚀暴露半导体材料：填充材料分布在光子晶体的表面，以及光子晶体之间的空隙，在进行干法刻蚀时，既要使得光子晶体表面的填充材料完全被去除，又要尽量使得光子晶体之间的空隙中的填充材料与半导体材料表面齐平，因此需要精细的控制。难点3是制备欧姆接触层：在光子晶体的表面制备欧姆接触层时，欧姆接触层与半导体材料的接触面积较小，因此欧姆接触性能较差。
技术实现思路
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本专利技术提供了一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片及其制备方法，该芯片由四个发光单元并联而成，发光单元的有源区域具有光子晶体，芯片表面制备介质DBR（分布布拉格反射镜）和金属反射镜形成倒装结构。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，包括四个发光单元、正电极焊盘和负电极焊盘，所述正电极焊盘和负电极焊盘分布在发光单元的两侧，所述四个发光单元中相邻发光单元的正电极通过金属连接线依次并联连接，其中一端并与正电极焊盘连接，呈2×2阵列分布，所述发光单元的负电极与负电极焊盘连接在一起；从金属电极至光出射方向，所述发光单元的有源区域依次包括介质DBR、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和宝石衬底；所述发光单元的正电极区域依次包括介质DBR、正电极、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和蓝宝石衬底；所述发光单元的负电极区域依次包括介质DBR、负电极、N型掺杂GaN层、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层、以及蓝宝石衬底。进一步的，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；所述发光单元的负电极覆盖在N型掺杂GaN层上表面，所述发光单元的有源区直径为30～120μm，分布有光子晶体，所述光子晶体的深度大于有源层的深度，直径为200～1000nm，除正电极焊盘和负电极焊盘外，整个芯片表面都分布有介质DBR（分布布拉格反射镜）。进一步的，所述发光单元为圆台结构，所述发光单元的正电极呈圆盘状，分布在圆台的上表面中心；所述金属连接线的宽度大于20μm；所述发光单元的负电极以及负电极焊盘连接在一起呈片状，且围绕着圆台和介质绝缘层分布。进一步的，所述介质绝缘层为条形状，从发光单元的透明电流扩展层的上表面，沿着圆台侧壁向下延伸至N型掺杂GaN材料的上表面，再沿着相邻发光单元的圆台侧壁向上延伸至透明电流扩展层的上表面；所述介质绝缘层材料为SiO2、SiN、SiON中的一种以上，厚度大于500nm，宽度大于金属连接线的宽度20μm以上，将金属连接线与半导体材料隔离；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。进一步的，所述光子晶体的单孔呈倒圆台型，圆台的侧壁与顶部之间的倾角为65°～85°，圆台内部分布有介质薄膜，所述光子晶体为三角晶格、四角晶格或六角晶格。进一步的，所述介质DBR为SiO2/SiN、SiO2/Ta2O5、SiO2/HfO2或SiO2/ZrO2，且第一层介质为SiO2薄膜。进一步的，所述金属电极构成金属反射镜，所述金属反射镜包括反射层、阻挡层和保护层，所述反射层与阻挡层接触连接，所述阻挡层与保护层接触连接，所述反射层为Ag或Al，所述阻挡层是Ni、Cr或Ti，所述保护层为Au、TiN或TiW，所述金属反射镜在发光单元的中心波长的反射率大于95%。一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片的制备方法，包括以下步骤：步骤1、使用金属氧化物气相沉积法制备GaN基LED外延片，所述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。步骤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。步骤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。步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积制备介质绝缘层，再使用紫外光刻和湿法腐蚀，形成条状的介质绝缘层。条状的介质绝缘层从发光单元的圆台上的透明电流扩展层的上表面，沿着圆台侧壁向下延伸至N型掺杂GaN材料的上表面，再沿着相邻发光单元的圆台侧壁向上延伸至透明电流扩展层的上表面。步骤5、使用负胶剥离和电子束蒸发，在发光单元的圆台上制备圆盘状的正电极，在发光单元的N型掺杂GaN材料上制备片状的负电极，在电极焊盘区域制备方形的正电极焊盘和负电极焊盘，并制备正电极之间、正电极与正电极焊盘之间的金属连接线；金属连接线分布在条状的介质绝缘层上。步骤6、使用等离子体增强化学气相沉积制备介质掩膜层，接着使用电子束光刻胶在介质掩膜层上制备胶掩膜层，再使用电子束曝光机对准，并在发光单元的有源区域进行周期图案的曝光，经显影、定影后在电子束光刻胶上形成周期分布的空气孔；然后使用等离子体去胶机去除空气孔底部残留的电子束光刻胶，再使用感应耦合等离子体刻蚀将电子束光刻胶上的周期图案转移到介质掩膜层。步骤7、使用感应耦合等离子体刻蚀，依次将周期图案从介质掩膜层转移到透明电流扩展层和GaN半导体材料层；所述GaN半导体材料包含P型掺杂GaN层、P型掺杂AlGaN层、量子阱层、N型掺杂GaN层；GaN半导体材料的刻蚀深度超过量子阱的深度50nm以上。步骤8、使用光学镀膜设备在GaN基LED外延片上制备介质DBR。步骤9、使用紫外光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：包括四个发光单元、正电极焊盘和负电极焊盘，所述正电极焊盘和负电极焊盘分布在发光单元的两侧，所述四个发光单元中相邻发光单元的正电极通过金属连接线依次并联连接，其中一端并与正电极焊盘连接，呈2 × 2阵列分布，所述发光单元的负电极与负电极焊盘连接在一起；从金属电极至光出射方向，所述发光单元的有源区域依次包括介质DBR、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和宝石衬底；所述发光单元的正电极区域依次包括介质DBR、正电极、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和蓝宝石衬底；所述发光单元的负电极区域依次包括介质DBR、负电极、N型掺杂GaN层、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层、以及蓝宝石衬底。

【技术特征摘要】
1.一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：包括四个发光单元、正电极焊盘和负电极焊盘，所述正电极焊盘和负电极焊盘分布在发光单元的两侧，所述四个发光单元中相邻发光单元的正电极通过金属连接线依次并联连接，其中一端并与正电极焊盘连接，呈2×2阵列分布，所述发光单元的负电极与负电极焊盘连接在一起；从金属电极至光出射方向，所述发光单元的有源区域依次包括介质DBR、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和宝石衬底；所述发光单元的正电极区域依次包括介质DBR、正电极、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、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层和蓝宝石衬底；所述发光单元的负电极区域依次包括介质DBR、负电极、N型掺杂GaN层、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层、以及蓝宝石衬底。2.根据权利要求1所述的一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：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；所述发光单元的负电极覆盖在N型掺杂GaN层上表面，所述发光单元的有源区直径为30～120μm，分布有光子晶体，所述光子晶体的深度大于有源层的深度，直径为200～1000nm，除正电极焊盘和负电极焊盘外，整个芯片表面都分布有介质DBR。3.根据权利要求1所述的一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：从金属电极至光出射方向，电极焊盘区域依次包括金属电极、N型掺杂GaN层、非故意掺杂GaN层、GaN缓冲层、以及蓝宝石衬底。4.根据权利要求1所述的一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：所述发光单元为圆台结构，所述发光单元的正电极呈圆盘状，分布在圆台的上表面中心；所述金属连接线的宽度大于20μm；所述发光单元的负电极以及负电极焊盘连接在一起呈片状，且围绕着圆台和介质绝缘层分布。5.根据权利要求1所述的一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：所述介质绝缘层为条形状，从发光单元的透明电流扩展层的上表面，沿着圆台侧壁向下延伸至N型掺杂GaN材料的上表面，再沿着相邻发光单元的圆台侧壁向上延伸至透明电流扩展层的上表面；所述介质绝缘层材料为SiO2、SiN、SiON中的一种以上，厚度大于500nm，宽度大于金属连接线的宽度20μm以上，将金属连接线与半导体材料隔离；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.根据权利要求1所述的一种倒装结构微尺寸光子晶体LED阵列芯片，其特征在于：所述光子晶体的单孔呈倒圆台型，圆台的侧壁与顶部之间的倾角为65°～85°，圆台内部分布有介质薄膜，所述光子晶体为三角晶格、四角晶格或六角晶格。7.根据权利要求1所述的一种倒...

【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