【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件领域，具体涉及一种基于无掩模二次外延的micro-led芯片阵列的制备方法。
技术介绍
1、基于三族氮化物半导体的大尺寸蓝光发光二极管(light-emitting diodes,led)在固态照明领域发挥着重要作用，这得益于它的高效率和高稳定性。当应用场景转换到显示领域时，超小尺寸且全彩色的微型发光二极管(micro-led)器件则成为了重要需求，尤其是针对增强现实(augmented reality,ar)和虚拟现实(virtual reality,vr)等应用。micro-led在显示应用方面相比于液晶显示(liquid crystal display,lcd)，有机发光二极管(organic light-emitting diodes,oled)在亮度、对比度、响应速度、稳定性等方面均有着明显优势。
2、随着器件不断地微缩化，micro-led存在随尺寸降低，效率逐步下降的问题。研究表明随着尺寸减小，micro-led受缺陷复合影响将更加严重。这些缺陷可能主要来源于侧壁悬挂键和干法刻蚀带来的损伤。尽管干法刻蚀带来的损伤只有micro-led侧壁表面纳米尺度的深度，但是由于载流子扩散和侧壁表面态的高复合速率，侧壁区域存在着严重的非辐射复合。针对micro-led芯片侧壁的刻蚀损伤，目前一般采用原子层沉积(atomic-layerdeposition,ald)二氧化硅层、koh溶液腐蚀等侧壁修复手段(opt.express 26,21324(2018),appl.phys.express1
3、另一方面，由于氮化铟(inn)与氮化镓(gan)之间的晶格失配过大，高铟(in)组分、长波长micro-led同样面临着效率偏低的问题。这种随着波长增加带来的效率下降主要来源于低温生长导致的高缺陷密度和ingan压应变导致的强极化电场。量子阱中的强极化电场会使得电子和空穴在空间上分离，这严重降低了长波长led的辐射复合效率。另一方面，铟并入效率与in-n键结合所需的应变能有关，当量子阱中存在强压应变时，由于需要更高的应变能，铟的并入将更加困难(j.cryst.growth 312,735–749(2010))。因此，缓解ingan中的压应变有助于提高量子阱中的辐射复合效率和增加铟并入效率。
4、消除micro-led的侧壁刻蚀损伤并解决ingan的压应变问题对于实现高效率的长波长led十分关键。目前长波长micro-led的主流制备过程是通过自上而下的刻蚀实现的，过去有少数采用自下而上的方式来制备led，这主要出现在纳米柱led的分子束外延(molecular beam epitaxy,mbe)领域，少部分研究涉及到金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,mocvd)领域。通过自上而下的二次外延法得到的纳米柱led，其ingan所受到的压应力可以被有效弛豫，这有助于实现量子阱中铟的并入。通过二次外延制备的纳米柱led结构被证明能够有效提高长波长led的发光效率(photon.res.10,2809(2022),appl.phys.lett.122,151103(2023))。然而，mbe由于产率低、成本高等问题难以应用于micro-led的大规模量产，且纳米柱led的二次外延法需要纳米级的图案掩模，难以于现有micro-led工艺相兼容。近年来也有部分研究采用在图形化二氧化硅掩模上通过mocvd二次外延micro led，这种方式有效地避免了刻蚀损伤，并具有明显的应力弛豫效果。然而，制备二氧化硅掩模的工艺条件复杂且成本较高(acs photonics2020,7,411(2020),acs photonics 9,2073(2022))。因此，需要提出基于mocvd的无掩模二次外延方案，降低成本和工艺复杂度，用于提高长波长micro-led的发光效率。
技术实现思路
1、针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于无掩模二次外延的micro-led芯片阵列的制备方法，本专利技术不同于目前产业中所采用的自上而下刻蚀来制备micro-led芯片的方法，而是先对gan模板进行图形化处理，再通过无掩模二次外延的方法来完成micro-led芯片阵列的制备。
2、本专利技术的基于无掩模二次外延的micro-led芯片阵列的制备方法，包括以下步骤：
3、1)提供衬底，将衬底放进金属有机化学气相沉积mocvd反应室，通过mocvd的方法在衬底上从下至上依次外延生长非故意掺杂的gan层和n型掺杂的gan层，得到平面gan模板；
4、2)生长完成后，从mocvd反应室取出平面gan模板，并进行清洗处理；
5、3)采用光刻或纳米压印的方式，对平面gan模板进行干法刻蚀，刻蚀部分的n型掺杂的gan层，形成gan微米柱阵列，gan微米柱为圆台形，侧壁具有倾斜角，相邻的gan微米柱之间的底部互相连接，从而得到应力弛豫图形化gan模板；
6、应力弛豫图形化gan模板的gan微米柱阵列的底部互相连接，没有供生长的c面，gan微米柱阵列的侧壁为曲面，没有完整的平面的晶面，也没有供生长的c面，只有gan微米柱阵列的顶面为c面，作为生长面；
7、应力弛豫图形化gan模板对n型掺杂的gan层进行图形化处理后，n型掺杂的gan受到的应力得到有效弛豫；
8、4)对应力弛豫图形化gan模板进行清洗处理，并放回mocvd反应室；
9、5)在应力弛豫图形化gan模板的gan微米柱阵列上，二次外延生长n型掺杂的gan薄层，二次外延生长的n型掺杂的gan薄层和gan微米柱阵列共同构成二次生长后的n型掺杂的gan层，在二次生长后的n型掺杂的gan层上从下至上依次选区二次外延生长预应力层、多量子阱层和p型掺杂的gan层，二次外延生长的n型掺杂的gan薄层、预应力层、多量子阱层和p型掺杂的gan层仅生长在作为生长面的gan微米柱阵列的顶面，均为图形化的，二次生长后的n型掺杂的gan层、预应力层、多量子阱层和p型掺杂的gan层形成micro-led外延片阵列，micro-led外延片阵列的图形与应力弛豫图形化gan模板的图形一致，得到micro-led外延片；图形化的多量子阱层没有通过干法刻蚀，从而避免多量子阱的侧壁刻蚀损伤；在应力弛豫图形化gan模板上生长的预应力层，所受到的压应力得到部分弛豫，面内晶格常数得到扩张，从而减小铟并入所需要的能量，有效增加多量子阱中铟的并入；
10、6)将完成选区二次外延的micro-led外延片放入碱性溶液中，对micro-led外延片阵列进行侧壁腐蚀，将micro-led外延片阵列的侧壁腐蚀成设定的形状，得到mi本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于无掩模二次外延的micro-LED芯片阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，衬底采用蓝宝石衬底、硅衬底或者碳化硅。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，清洗采用先酸洗，再有机清洗。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用光刻或纳米压印的方式，得到应力弛豫图形化GaN模板，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)的i)中，微米级图形阵列的周期在1.5μm～50μm之间，微米级图形的直径在1μm～30μm之间；在步骤a)的ii)中，刻蚀深度在500nm～5μm之间。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，在步骤b)的i)中，微米级图形阵列的周期在1μm～20μm之间，微米级图形的直径在500nm～10μm之间；在步骤b)的ii)中，刻蚀深度在300nm～5μm之间。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，清洗采用
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，预应力层采用InxGa1-xN/GaN超晶格或者InxGa1-xN单层结构，x为预应力层中的铟组分，在1％～20％之间。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，多量子阱层为周期性InyGa1-yN/GaN，y为多量子阱层中的铟组分，在10％～50％之间。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，设定的形状为圆柱形、圆台形、倒圆台形、梯台形或倒梯台形。
...【技术特征摘要】
1.一种基于无掩模二次外延的micro-led芯片阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，衬底采用蓝宝石衬底、硅衬底或者碳化硅。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，清洗采用先酸洗，再有机清洗。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用光刻或纳米压印的方式，得到应力弛豫图形化gan模板，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)的i)中，微米级图形阵列的周期在1.5μm～50μm之间，微米级图形的直径在1μm～30μm之间；在步骤a)的ii)中，刻蚀深度在500nm～5μm之间。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，在步骤b)的i)中，微米级图形阵列的周期在...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志忠，潘祚坚，张浩东，胡凌，黄飞，邓楚涵，董勃言，王大奇，李俞辰，陈绿筠，陈伟华，康香宁，沈波，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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