一种新型LED与激光器集成结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及LED制造与激光器集成领域，公开了一种新型LED与激光器集成结构及其制备方法。一种新型LED与激光器集成结构，包括LED芯片和激光器芯片，LED芯片和激光芯片通过组合区域连接，组合区域包括LED键合区和激光器键合区，LED键合区具有键合金属层，激光器键合区具有接触键合结构，键合金属层对准接触键合结构。本发明专利技术提供的LED与激光器集成芯片除了具有LED成本低，发光效率高的优势外，还结合激光器的光波导耦合作用，有效提升了芯片的光输出功率、耦合效率。同时，其激光器制作以及转移衬底采用了金属键合工艺，流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种新型LED与激光器集成结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及LED制造与激光器集成领域，更具体地，涉及一种新型LED与激光器集成结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]相比于传统的白炽灯和荧光灯，InGaN/GaN发光二极管(LED)具有功耗低、亮度大、寿命长、易调制、响应速度快等优点，在公路照明、智能显示、可见光通信等领域具有广泛的应用前景。
[0003]在目前可见光通信的研究中，绝大部分都是采用基于单一的白色荧光粉发光的GaN蓝光LED或RGB
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LED作为光源。因为交流信号无法直接驱动LED，可见光通信系统的信号调制度小，随着距离增大，系统的通信信噪比降低，噪声增大。而激光器作为一种光源，由于硅材料本身不能发光，因此如何将激光器(譬如，III
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V族激光器)与LED芯片集成是可见光通信收发模块的关键。然而，现有的激光器与LED芯片集成技术存在对准精度要求高，光输出功率低及耦合效率低等问题。
[0004]现有技术公开了一种光波导耦合封装结构、安装方法及光模块，所述光波导耦合封装结构包括激光器、硅光芯片、集成于所述硅光芯片上且与所述激光器的正向发射端对准的第一波导，其中所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器导电连接的激光器载板，所述激光器设于所述激光器载板上并与所述激光器载板导电连接，所述激光器载板固定于所述硅光芯片上且与所述硅光芯片导电连接。本专利技术提供的光波导耦合封装结构的封装尺寸较小、封装良率高及结构简单。
[0005]现有技术公开了一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构，该结构包括激光器芯片，其上设有对准标记；硅光芯片，其上设有波导、端面耦合器以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽；以及连接激光器芯片与硅光芯片的金属键合层。本专利技术能够实现半导体激光器芯片与硅光波导芯片的高效率耦合，能够解决硅基光子学中实用化光源的问题；本专利技术在硅光波导芯片上直接刻蚀激光器放置槽，通过控制刻蚀深度提高耦合精度；采用倒装键合的方式进行激光器与硅光波导的无源耦合，具有易于控制、高精度、高耦合效率、集成化、一体化的特点。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服上述现有技术所述的激光器与LED芯片集成技术存在对准精度要求高，光输出功率低以及耦合效率低等问题，提供一种新型LED与激光器集成结构。
[0007]同时，提供一种新型LED与激光器集成结构的制备方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种新型LED与激光器集成结构，包括LED芯片和激光器芯片，所述LED芯片和激光芯片通过组合区域连接，所述组合区域包括LED键合区和激光器键合区，所述LED键合区具有键合金属层，所述激光器键合区具有接触键合结构，所述键合金属层对准所述接触键合
结构。
[0010]优选地，所述LED芯片自下而上依次包括导电衬底层、AlN缓冲层，u
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GaN层，n
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GaN层，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)，p
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GaN层，p接触反射镜金属及保护层，p电极，所述LED键合区位于导电衬底层上表面。
[0011]优选地，所述激光器芯片自下而上包括SOI第二衬底，n电极，n
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AlGaN光限制层，n
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InGaN第一波导，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)，p
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InGaN第二波导，p
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InGaN光限制层，p
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AlGaN电子阻挡层(EBL)和p电极，所述激光器键合区位于SOI第二衬底下表面。
[0012]优选地，所述键合金属层为Ni、Au、Sn、Ti中的任意一种，厚度为500nm
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5μm。
[0013]优选地，所述导电衬底为Si导电衬底，厚度为1000
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5000nm；所述AlN缓存层厚度为1000
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3000nm。
[0014]优选地，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属和保护层，所述反射镜金属为Ag和Ni中的任意一种或两种组成，厚度为50
‑
5000nm；所述保护层为TiW层，厚度为50
‑
300nm。
[0015]优选地，所述p电极为Cr、Pt、Au中的一种或由其中两种以上组成的合金，厚度为2
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6μm。
[0016]优选地，所述SOI第二衬底为金属衬底，所述金属衬底为Ni，Au中的任意一种，厚度为100
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500μm。
[0017]优选地，所述p电极为Cr、Pt、Au中的一种或由其中两种以上组成的合金，厚度为3
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4μm；所述n电极为Ti、Cr、Ag、Au、Pt中的一种或由两种以上组成的合金，厚度为2
‑
5μm。
[0018]一种所述新型LED与激光器集成结构的制备方法，包括以下制备步骤：
[0019]步骤一，在Si衬底表面依次生长AlN缓冲层，u
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GaN层，n
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GaN层，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)，p
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GaN层，p接触反射镜金属及保护层，再在所述p接触反射镜金属及保护层表面沉积p电极，得LED外延片；
[0020]步骤二，在导电衬底上表面制作键合金属层，并进行表面活化，退火处理得到LED键合衬底；
[0021]步骤三，将步骤一所述LED外延片上的Si衬底剥离，将暴露出的AlN缓冲层与步骤二所述LED键合衬底上表面没有所述键合金属层的区域进行键合，得到LED芯片；
[0022]步骤四，在Si衬底表面依次生长n
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AlGaN光限制层，n
‑
InGaN第一波导，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)，p
‑
InGaN第二波导，p
‑
InGaN光限制层，p
‑
AlGaN电子阻挡层(EBL)，并在所述p
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AlGaN电子阻挡层(EBL)上沉积p电极，然后将外延Si衬底剥离，暴露出所述n
‑
AlGaN光限制层，接着在所述n
‑
AlGaN光限制层表面沉积n电极，得到激光器外延片；
[0023]步骤五，在SOI第二衬底下表面刻蚀出接触键合结构，所述接触键合结构与步骤二所述键合金属层对应；
[0024]步骤六，将步骤四所述激光器外延片上的n电极与步骤五所述SOI第二衬底的上表面进行键合，获得激光器芯片；
[0025]步骤七，将步骤三LED芯片的金属键合层和步骤六激光器芯片的接触键合结构进行表面活化，并对准进行预键合，退火，最终得到新型LED与激光器集成结构。
[0026]优选地，键合过程中从第二晶圆的转移衬底的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型LED与激光器集成结构，其特征在于，包括LED芯片和激光器芯片，所述LED芯片和激光芯片通过组合区域连接，所述组合区域包括LED键合区和激光器键合区，所述LED键合区具有键合金属层(18)，所述激光器键合区具有接触键合结构，所述键合金属层(18)对准所述接触键合结构。2.根据权利要求1所述新型LED与激光器集成结构，其特征在于，所述LED芯片自下而上依次包括导电衬底层(1)、AlN缓冲层(2)，u
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GaN层(3)，n
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GaN层(4)，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)(5)，p
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GaN层(6)，p接触反射镜金属及保护层(7)，p电极(8)，所述LED键合区位于导电衬底层(1)上表面；所述激光器芯片自下而上包括SOI第二衬底(16)，n电极(15)，n
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AlGaN光限制层(14)，n
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InGaN第一波导(13)，InGaN/GaN多量子阱层(MQWs)(12)，p
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InGaN第二波导(11)，p
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InGaN光限制层(10)，p
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AlGaN电子阻挡层(EBL)(9)和p电极(17)，所述激光器键合区位于SOI第二衬底(16)下表面。3.根据权利要求1所述新型LED与激光器集成结构，其特征在于，所述键合金属层(18)为Ni、Au、Sn、Ti中的任意一种，厚度为500nm
‑
5μm。4.根据权利要求1所述新型LED与激光器集成结构，其特征在于，所述导电衬底(1)为Si导电衬底，厚度为1000
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5000nm；所述AlN缓存层(2)厚度为1000
‑
3000nm。5.根据权利要求1所述LED激光器集成结构，其特征在于，所述p接触反射镜金属及保护层(7)包括p接触反射镜金属和保护层，所述反射镜金属为Ag和Ni中的任意一种或两种组成，厚度为50
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5000nm；所述保护层为TiW层，厚度为50
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300nm。6.根据权利要求1所述LED激光器集成结构，其特征在于，所述p电极(8)为Cr、Pt、Au中的一种或由其中两种以上组成的合金，厚度为2
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6μm。7.根据权利要求1所述所述LED与激光器集成结构，其特征在于，所述SOI第二衬底(16)为金属衬底，所述金属衬底为Ni，Au中的任意一种，厚度为100
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500μm。8.根据权利要求1所述所述LED与激光器集成结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，朱子赫，雷蕾，姚书南，柴华卿，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：