具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件及其制备方法。所述LED器件基于GaN基外延层制备而成，包括GaN基外延层、电流扩展层、P电极、N电极和钝化层；GaN基外延层包括衬底、N型GaN层即N‑GaN层、量子阱层（MQW）、P型GaN层即P‑GaN层；所述N‑GaN层包括刻蚀露出的N‑GaN层和刻蚀形成的N‑GaN层。本发明专利技术保证器件调制带宽的同时提高了发光效率，同时ICP刻蚀微米孔阵列后，继续采用电流扩展层腐蚀液继续腐蚀样品，预防电流扩展层在刻蚀过程中出现扩展导致的漏电。

【技术实现步骤摘要】
具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件及其制备方法
本专利技术涉及可见光通信用LED器件
，具体涉及具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件及其制备方法。
技术介绍
与传统光源相比，LED器件除了发光效率高、寿命长外，还具有调制性能好、调制带宽高等优点。基于LED器件的上述优点，可将信号调制到其发出的可见光上进行传输，兼顾照明的同时实现可见光无线通信。LED的调制带宽主要是受有源区少数载流子复合寿命和RC时间常数的影响，其中R、C分别为LED器件的等效电阻和等效电容。降低LED器件的有源区面积，即实现微米级尺寸LED，一方面可有效降低等效电容，从而实现RC时间常数的降低；另一方面可提高LED器件单位面积的电流，减小有源区少数载流子的复合寿命，最终实现器件调制带宽的提高。目前，为提高有源区少数载流子复合寿命，常用的方法有采用谐振腔、表面等离子激元和光子晶体技术。对于普通正装LED，ITO与Mesa之间的距离并非是有效的发光区域，为此通过有效的利用这部分区域可以提高器件性能（YangCC,LinCF,etal.(2009).JournaloftheElectrochemicalSociety156(5)：H316-H319）。
技术实现思路
本专利技术针对GaN基微米尺寸LED器件，公开具有微米孔阵列的微米尺寸正装器件结构及其制备方法，可有效的提高光提取效率。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，基于GaN基外延层制备而成，包括GaN基外延层、电流扩展层、P电极、N电极和钝化层；GaN基外延层包括衬底、N型GaN层即N-GaN层、量子阱层（MQW）、P型GaN层即P-GaN层；所述N-GaN层包括刻蚀露出的N-GaN层和刻蚀形成的N-GaN层；其中，衬底上表面与刻蚀露出的N-GaN层下表面连接；刻蚀露出的N-GaN层上表面一部分与刻蚀形成的N-GaN层连接，一部分与N电极连接；刻蚀形成的N-GaN层上表面与量子阱层下表面连接；量子阱层上表面与P-GaN层下表面连接；P-GaN层上表面与电流扩展层下表面连接，电流扩展层位于P-GaN层上表面中心；电流扩展层上表面与P电极连接，P电极位于电流扩展层上表面中心；钝化层覆盖整个器件除P电极与N电极之外的区域；从上至下的P-GaN层、量子阱层和刻蚀形成的N-GaN层构成Mesa台面即发光区域，Mesa台面从台面边缘往中心方向部分区域制备有微米孔。进一步地，所述P电极为双圆环状，两圆环中间有直型线条连接；所述电流扩展层为圆柱形结构，且底面半径小于P-GaN层底面半径，是金属掺杂电流扩展层，包括欧姆接触层和金属掺杂电流传输层，欧姆接触层位于电流扩展层底部，与P-GaN层形成良好的欧姆接触；所述N电极为环状型，N电极内圈和外圈均为圆形，并在此基础上增加了向内向外的半圆形凸起，凸起部分直径为5μm~15μm；所述N电极和P电极采用Ni、Cr、Ti，Ag、Al、Cr、Au中金属组成的四层金属合金，厚度为1μm~1.25μm。进一步地，所述Mesa台面为半导体材料；Mesa台面即发光区域为圆柱形结构，底面半径为30μm~160μm；Mesa台面从台面边缘往器件中心方向部分区域制备有微米孔，微米孔呈圆环形阵列分布在Mesa台面上，靠近Mesa台面边缘但不与边缘接触。进一步地，所述微米孔分布在电流扩展层边缘与Mesa台面边缘中间区域或分布在Mesa台面边缘往器件中心方向部分区域包括电流扩展层边缘与Mesa台面边缘中间区域以及往电流扩展层中心延伸0μm~10μm区域；进一步地，所述微米孔的形状为圆形、三角形、正方形或六边形中的一种；当微米孔为圆形时，微米孔的尺寸为微米级，直径为1μm~8μm；当微米孔为三角形、正方形或六边形时，其内切圆直径为1μm~8μm；微米孔的深度可调，深度数值为100nm~1400nm；微米孔是从器件最顶层往下刻蚀形成，为深度刻蚀至电流扩展层、刻蚀至P-GaN层、刻蚀至量子阱层、刻蚀至N-GaN层中的一种；微米孔内部侧壁表面沉积有钝化层。进一步地，所述钝化层覆盖的区域包括电流扩展层、P-GaN层、量子阱层、刻蚀形成的N-GaN层的侧壁、电流扩展层和刻蚀露出的N-GaN层的表面、以及微米孔的内部侧壁；钝化层为SiO2，厚度为四分之一光波长除去钝化材料的折射率；也可以为HfO2/MgO双层钝化层，第一钝化层为HfO2，第二层钝化层为MgO。制备具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件的方法，包括以下步骤：S1、使用电子束蒸发镀膜技术在GaN基外延层上蒸镀掺Al铟锡氧化物，随后利用快速热退火的技术进行退火处理，接着以涂覆有增粘剂的光刻胶为掩膜层，在电流扩展层腐蚀液中浸泡，形成底面半径小于P-GaN层且位于P-GaN层表面中心区域的圆柱形掺Al铟锡氧化物（ITO）层即电流扩展层，随后去除光刻胶；S2、以具备Mesa台面结构的掩膜版，结合光刻技术形成涂覆有增粘剂的光刻胶掩膜层，利用ICP刻蚀技术将Mesa台面结构转移到GaN基外延层上，直至暴露刻蚀露出的N-GaN层，随后去除光刻胶；S3、以具备微米孔阵列结构的掩膜版，结合普通紫外光刻技术形成涂覆有增粘剂的光刻胶掩膜层，在电流扩展层腐蚀液中浸泡，随后利用ICP刻蚀技术将微米孔结构转移到GaN基外延层上，微米孔深度根据需求可调，紧接着在95℃~125℃的热板上烘烤3分钟~5分钟，接着在电流扩展层腐蚀液中浸泡1分钟~5分钟作为掺Al铟锡氧化物后处理，随后去除光刻胶；S4、利用钝化层沉积技术生长钝化层，结合光刻技术形成涂覆有增粘剂的光刻胶掩膜层，掩膜层在电流扩展层顶部中心区域处以及刻蚀Mesa台面结构暴露的刻蚀露出的N-GaN层区域有开口，随后利用ICP刻蚀技术对电流扩展层顶部中心区域处以及刻蚀Mesa台面结构暴露的刻蚀露出的N-GaN层区域的钝化层进行刻蚀，直至钝化层完全去除，接着去除光刻胶；S5、利用负性光刻胶和电子束蒸发技术制备金属，并结合金属剥离技术，在暴露的电流扩展层顶部中心区域处以及刻蚀Mesa台面结构暴露的刻蚀露出的N-GaN层区域上分别制备P电极和N电极。进一步地，步骤S1包括如下步骤：S1.1、利用电子束蒸发技术在25℃~35℃，无氧气的真空条件下蒸镀用作欧姆接触层的ITO层；紧接着持续通入2sccm~6sccm氧气，蒸镀用作Al金属掺杂电流传输层的ITO层，两者比例为1:5~1:10，ITO层的总厚度为100nm~230nm；S1.2、在步骤S1.1的基础上，关闭氧气，在真空氛围下继续蒸镀Al金属，所述Al金属的厚度为1nm~5nm；S1.3、将电子束蒸镀设备里面经过步骤S1.1、S1.2的样品取出，在快速热退火炉中进行退火处理，即在纯氮气的环境下，持续通入比例为200sccm:30sccm~200sccm:50sccm的氮气和氧气进行退火，退火温度为500℃~600℃，退火处理的时间为3分钟~6分钟；退火处理结束后，形成了Al金属掺杂ITO电流扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，基于GaN基外延层制备而成，包括GaN基外延层、电流扩展层（5）、P电极（8）、N电极（7）和钝化层（6）；GaN基外延层包括衬底（1）、N型GaN层即N-GaN层（2）、量子阱层（MQW）（3）、P型GaN层即P-GaN层（4）；所述N-GaN层（2）包括刻蚀露出的N-GaN层（21）和刻蚀形成的N-GaN层（22）；/n其中，衬底（1）上表面与刻蚀露出的N-GaN层（21）下表面连接；刻蚀露出的N-GaN层（21）上表面一部分与刻蚀形成的N-GaN层（22）连接，一部分与N电极（7）连接；刻蚀形成的N-GaN层（22）上表面与量子阱层（3）下表面连接；量子阱层（3）上表面与P-GaN层（4）下表面连接；P-GaN层（4）上表面与电流扩展层（5）下表面连接，电流扩展层（5）位于P-GaN层（4）上表面中心；电流扩展层（5）上表面与P电极（8）连接，P电极（8）位于电流扩展层（5）上表面中心；钝化层（6）覆盖整个器件除P电极（7）与N电极（8）之外的区域；从上至下的P-GaN层（4）、量子阱层（3）和刻蚀形成的N-GaN层（22）构成Mesa台面（10）即发光区域，Mesa台面（10）从台面边缘往中心方向部分区域制备有微米孔（9）。/n...

【技术特征摘要】
1.具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，基于GaN基外延层制备而成，包括GaN基外延层、电流扩展层（5）、P电极（8）、N电极（7）和钝化层（6）；GaN基外延层包括衬底（1）、N型GaN层即N-GaN层（2）、量子阱层（MQW）（3）、P型GaN层即P-GaN层（4）；所述N-GaN层（2）包括刻蚀露出的N-GaN层（21）和刻蚀形成的N-GaN层（22）；
其中，衬底（1）上表面与刻蚀露出的N-GaN层（21）下表面连接；刻蚀露出的N-GaN层（21）上表面一部分与刻蚀形成的N-GaN层（22）连接，一部分与N电极（7）连接；刻蚀形成的N-GaN层（22）上表面与量子阱层（3）下表面连接；量子阱层（3）上表面与P-GaN层（4）下表面连接；P-GaN层（4）上表面与电流扩展层（5）下表面连接，电流扩展层（5）位于P-GaN层（4）上表面中心；电流扩展层（5）上表面与P电极（8）连接，P电极（8）位于电流扩展层（5）上表面中心；钝化层（6）覆盖整个器件除P电极（7）与N电极（8）之外的区域；从上至下的P-GaN层（4）、量子阱层（3）和刻蚀形成的N-GaN层（22）构成Mesa台面（10）即发光区域，Mesa台面（10）从台面边缘往中心方向部分区域制备有微米孔（9）。


2.根据权利要求1所述的具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，所述P电极（8）为双圆环状，两圆环中间有直型线条连接；所述电流扩展层（5）为圆柱形结构，且底面半径小于P-GaN层（4）底面半径，是金属掺杂电流扩展层，包括欧姆接触层和金属掺杂电流传输层，欧姆接触层位于电流扩展层（5）底部，与P-GaN层（4）形成良好的欧姆接触；所述N电极（7）为环状型，N电极（7）内圈和外圈均为圆形，并在此基础上增加了向内向外的半圆形凸起，凸起部分直径为5μm~15μm；所述N电极（7）和P电极（8）采用Ni、Cr、Ti，Ag、Al、Cr、Au中金属组成的四层金属合金，厚度为1μm~1.25μm。


3.根据权利要求1所述的具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，所述Mesa台面（10）为半导体材料；Mesa台面（10）即发光区域为圆柱形结构，底面半径为30μm~160μm；Mesa台面（10）从台面边缘往器件中心方向部分区域制备有微米孔（9），微米孔（9）呈圆环形阵列分布在Mesa台面（10）上，靠近Mesa台面（10）边缘但不与Mesa台面（10）边缘接触。


4.根据权利要求3所述的具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，所述微米孔（9）分布在电流扩展层（5）边缘与Mesa台面（10）边缘中间区域或分布在Mesa台面（10）边缘往器件中心方向部分区域包括电流扩展层（5）边缘与Mesa台面（10）边缘中间区域以及往电流扩展层（5）中心延伸0μm~10μm区域。


5.根据权利要求1所述的具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，所述微米孔（9）的形状为圆形、三角形、正方形或六边形中的一种；当微米孔（9）为圆形时，微米孔（9）的尺寸为微米级，直径为1μm~8μm；当微米孔（9）为三角形、正方形或六边形时，其内切圆直径为1μm~8μm；
微米孔（9）的深度可调，深度数值为100nm~1400nm；微米孔（9）是从器件最顶层往下刻蚀形成，为深度刻蚀至电流扩展层（5）、刻蚀至P-GaN层（4）、刻蚀至量子阱层（3）、刻蚀至N-GaN层（2）中的一种；微米孔（9）内部侧壁表面沉积有钝化层（6）。


6.根据权利要求1所述的具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件，其特征在于，所述钝化层（6）覆盖的区域包括电流扩展层（5）、P-GaN层（4）、量子阱层（3）、刻蚀形成的N-GaN层（22）的侧壁、电流扩展层（5）和刻蚀露出的N-GaN层（21）的表面、以及微米孔（9）的内部侧壁；钝化层（6）为SiO2，厚度为四分之一光波长除去钝化材料的折射率；钝化层（6）也可以为HfO2/MgO双层钝化层，第一钝化层为HfO2，第二层钝化层为MgO。


7.制备权利要求1所述具有微米孔阵列的微米尺寸正装LED器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用电子束蒸发镀膜技术在GaN基外延层上蒸镀掺Al铟锡氧化物，随后利用快速热退火的技术进行退火处理，接着以涂覆有增粘剂的光刻胶为掩膜层，在电流扩展层腐蚀液中浸泡，形成底面半径小于P-GaN层且位于P-GaN层表面中心区域的圆柱形掺Al铟锡氧化物（ITO）层即电流扩展层，随后去除光刻胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，谭礼军，姚若河，王楷，谢子敬，
申请(专利权)人：华南理工大学，中山市华南理工大学现代产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44