一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，芯片包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层、Al单晶金属薄膜层、p－GaN薄膜层、i－AlN薄膜层、n－ZnO层薄膜和单晶光子晶体薄膜层，采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。

A vertical structure LED chip based on photonic crystal and its preparation method

The invention discloses a preparation method of the vertical structure of LED photonic crystal chip and system based on chip, including bottom-up sequential Si or Cu substrate, Al single crystal metal film layer, PGaN film layer, IAlN film layer, NZnO films and single crystal photonic crystal film layer, using P type GaN/n type ZnO heterojunction the structure, has high thermal stability, good chemical stability, the advantages of mature technology, replace the LED chip ITO development using the vertical structure of photonic crystal, simplifies the chip structure and chip making process, help to improve the optical efficiency of LED device, improve the uniformity of current distribution inside the device, excellent photoelectric performance, is conducive to the preparation low cost, high power photovoltaic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法
本专利技术涉及一种LED芯片及其制备方法，特别是一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。目前，LED大多是基于GaN半导体材料的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构，主要以p氧化物/n型ZnO和p型GaN/n型ZnO为主。与p型氧化物相比，p型GaN具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，因此，p型GaN/n型ZnO异质结LED成为主流发展方向。在LED中ITO被用来充当电极层，提高电流分布的均匀性。然而，ITO也存在较大的电阻，而且它还会在一定程度上降低出光效率。如果在保证或者进一步提高电流分布均匀性和LED性能的前提下，能够取消ITO，那么这对于提高LED的性能、减少工序和降低成本将会产生意义深远的影响。光子晶体是一种新型的技术，可以有效提高LED器件的出光效率和改善LED的内部热场。此外，垂直结构LED也是改善器件内部电流分布均匀性的有效手段之一。基于上述考虑，以金属光子晶体取代ITO发展垂直结构LED芯片将会对有效的提高LED的性能，极大地促进LED的发展。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，具有结构简单、光电性能好的优点。本专利技术解决其问题所采用的技术方案是：一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层、Al单晶金属薄膜层、p－GaN薄膜层、i－AlN薄膜层、n－ZnO层薄膜和单晶光子晶体薄膜层。本LED芯片采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备低成本、大功率光电器件。进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi，其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形，其厚度为150－2000nm。规则排列的图案有利于提高LED器件的出光效率。进一步，所述Al单晶金属薄膜层厚度为150－2000nm。进一步，所述p－GaN薄膜层的厚度为150－3500nm，且掺杂有Mg、Ti、C和Si元素，所述p－GaN薄膜层还包括一层8－12nm的Ag纳米层。进一步，所述i－AlN薄膜层厚度为2－30nm。进一步，所述n－ZnO层薄膜的厚度为150－500nm，且掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素。一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：A、将Si或者Cu衬底层放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除Si或者Cu衬底层表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层放入真空室，高温700－1200℃退火30－120min，除去Si或者Cu衬底层表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；C、制备Al单晶金属薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯N2，将Al源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层上沉积一层150－2000nm厚的Al单晶金属薄膜层；D、制备p－GaN薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯N2等离子体，将Ga源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Al单晶金属薄膜层上沉积一层150－3500nm厚的p－GaN薄膜层，所述p－GaN薄膜层掺杂有Mg、Ti、C和Si元素；E、制备i－AlN薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700－900℃，充入0.5－2sccm的高纯N2等离子体，采用分子束外延方法在p－GaN薄膜层上沉积一层2－30nm厚的i－AlN薄膜层；F、制备n－ZnO薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至200－600℃，高真空条件下，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或者分子束外延方法在i－AlN薄膜层上沉积一层150－500nm厚的n－ZnO薄膜层，所述n－ZnO层薄膜掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素；G、制备单晶光子晶体薄膜层：将Si或者Cu衬底层加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯N2，采用分子束外延方法在n－ZnO薄膜层上沉积一层150－2000nm厚的单晶光子晶体薄膜层；H、在单晶光子晶体薄膜层上匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀单晶光子晶体薄膜层形成N电极，获得规则排列的出光窗口；所述ICP刻蚀为感应耦合等离子刻蚀。I、接着对Al单晶金属薄膜层进行套刻，匀胶、曝光显影，光刻，ICP刻蚀Al单晶金属薄膜层形成P电极；J、对Si或者Cu衬底层进行减薄，裂片，获得基于金属光子晶体的垂直结构LED芯片。本方法的LED芯片制作工艺简单，生产成本低，制作出的LED芯片结构简单，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，可以有效提高LED器件的出光效率，改善LED的内部热场和电流分布均匀性，光电性能优异。进一步，步骤D还包括在p－GaN薄膜层生长100－120nm之后，在室温下沉积一层8－12nm的Ag膜，在800－950℃温度下退火30－120s形成Ag纳米层。进一步，所述单晶光子晶体薄膜层的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi。进一步，步骤H中规则排列的出光窗口为方形、圆形或者正多边形。规则排列的出光窗口有利于提高LED器件的出光效率。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用的一种光子晶体的垂直结构LED芯片及其制备方法，采用p型GaN/n型ZnO异质结构，具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，采用光子晶体取代ITO发展垂直结构的LED芯片，简化了芯片结构和芯片制程工序，有利于提高LED器件的出光效率，改善器件内部电流分布均匀性，光电性能优异，有利于制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层(11)、Al单晶金属薄膜层(12)、p－GaN薄膜层(13)、i－AlN薄膜层(14)、n－ZnO层薄膜(15)和单晶光子晶体薄膜层(16)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，包括由下至上依次排列的Si或者Cu衬底层(11)、Al单晶金属薄膜层(12)、p－GaN薄膜层(13)、i－AlN薄膜层(14)、n－ZnO层薄膜(15)和单晶光子晶体薄膜层(16)。2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述单晶光子晶体薄膜层(16)的材料为AlAg、AlAu、AlCu或者AlNi，其图案为规则排列的方形、圆形或者正多边形，其厚度为150－2000nm。3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述Al单晶金属薄膜层(12)厚度为150－2000nm。4.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述p－GaN薄膜层(13)的厚度为150－3500nm，且掺杂有Mg、Ti、C和Si元素，所述p－GaN薄膜层(13)还包括一层8－12nm的Ag纳米层(17)。5.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述i－AlN薄膜层(14)厚度为2－30nm。6.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述n－ZnO层薄膜(15)的厚度为150－500nm，且掺杂有Al、Si、Cu和Ag元素。7.一种基于光子晶体的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、将Si或者Cu衬底层(11)放入去离子水中室温下超声清洗3－5分钟，去除Si或者Cu衬底层(11)表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥的高纯N2吹干；B、将经过清洗和吹干的Si或者Cu衬底层(11)放入真空室，高温700－1200℃退火30－120min，除去Si或者Cu衬底层(11)表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；C、制备Al单晶金属薄膜层(12)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至700－1000℃，高真空条件下，充入0.5－2sccm的高纯N2，将Al源加热到1000－1200℃使铝原子挥发出来，采用分子束外延方法在Si或者Cu衬底层(11)上沉积一层150－2000nm厚的Al单晶金属薄膜层(12)；D、制备p－GaN薄膜层(13)：将Si或者Cu衬底层(11)加热至...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨为家，吴质朴，何畏，陈强，
申请(专利权)人：江门市奥伦德光电有限公司，五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东,44