CN110993762A - 基于III族氮化物半导体的Micro-LED阵列器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于III族氮化物半导体的Micro‑LED阵列器件，刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的阵列式扇形台面结构，p型阵列电极，蒸镀在扇形阵列的p型GaN层上，n型阵列电极，蒸镀在n型GaN层上，且n型阵列电极形成挡墙，将各扇形台面相互隔离。并公开了其制备方法。本发明通过在Micro‑LED扇形台面阵列的发光单元之间增设n型电极所做的挡墙，挡墙宽度仅为6‑10μm，在不显著增加器件尺寸的前提下，有效解决了器件各发光单元之间相互串扰的问题，有利于实现单独控制；利用n型电极金属做挡墙以及采用网状结构的p型电极，增加了电流扩展范围，有效提高了发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于III族氮化物半导体的Micro-LED阵列器件及其制备方法，属于半导体照明与显示技术领域。
背景技术
III族氮化物材料作为直接带隙半导体，其带隙覆盖了从深紫外到近红外的宽光谱范围，在实现高效率固态照明和超高分辨率显示领域取得了很大的成功。半导体照明与传统的照明方式不同，是一种革命性的技术，它以半导体芯片为发光源，将电能直接转化为光能，因此转化效率较高。发光二极管(LED)作为固态照明半导体光源的核心部件，具有亮度高、寿命长、体积小、能耗低、绿色环保、使用安全等优势，并且稳定性优良，能在恶劣的环境下工作，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源。随着LED的不断发展，固态照明技术已经逐步取代现有的照明技术，迎来照明新时代。
微发光二极管(Micro-LED)通常是指尺寸在1-100μm的LED，是基于可像素化和矩阵化的技术在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED阵列，实现LED器件的微型化。由于Micro-LED独特的小尺寸特性，使其具有更高的量子效率和更好的散热能力，并且具有比大尺寸LED高的多的电流饱和密度以及高调制带宽，因此被广泛应用于各种领域，包括微型显示器、可见光通信、光遗传学的发射器阵列和光学镊子***。
氮化镓基Micro-LED的常见尺寸为几十微米，可以在较小的面积内集成大量的Micro-LED阵列，但也由于面积小，发光单元之间的间隔小，导致相互之间很容易发生串扰，点亮其中一颗Micro-LED时，周围的发光单元也会受其影响，尤其是在以蓝宝石为衬底的Micro-LED阵列中，由于蓝宝石的透光性较好，导致点亮一颗Micro-LED时，宏观下观察发现亮了一片，不利于显示领域的像素化应用。本发明在Micro-LED的制备过程中采用一种特殊的挡墙方式来解决各发光单元之间的相互串扰的问题。
中国专利文献CN109935614A公开了一种基于深硅刻蚀模板量子点转移工艺的微米全色QLED阵列器件及其制备方法，阵列之间通过隔离槽分开，隔离槽内填充有银等吸光材料，隔离槽是通过ICP刻蚀的方法进行隔离，主要目的是进行电学隔离，防止相邻器件中电学性能的相互影响。而此类隔离槽并不能阻挡光的传播，因此相邻像素单元之间仍然存在光学串扰的问题。填充银的作用是通过银金属增强LED器件的量子效率，也并不能解决光学串扰问题，同时，填充的银也无法作为电极。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Micro-LED阵列器件，可解决Micro-LED各发光单元之间相互串扰问题的方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于III族氮化物半导体的Micro-LED阵列器件，其结构自上而下依次包括：
一Si衬底；
一生长在Si衬底上的GaN缓冲层；
一生长在缓冲层上的n型GaN层；
一生长在n型GaN层上的InGaN/GaN量子阱有源层；
一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；
所述Micro-LED阵列器件上有n个阵列式扇形台面单元，每个单元中刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的扇形台面结构，还包括一p型阵列电极，蒸镀在扇形阵列的p型GaN层上，一n型阵列电极，蒸镀在n型GaN层上，每个单元中的n型电极呈环形结构包围扇形台面，且n型阵列电极形成挡墙，将各扇形台面相互隔离，挡墙之间及挡墙与包围扇形台面的环形结构之间相互连接。
优选的，所述Si衬底厚度为800μm；所述GaN缓冲层厚度为1750nm；所述的n型GaN层厚度为1650-1850nm；所述InGaN/GaN量子阱有源层厚度为200-300nm，周期数为10个，In含量0.26，Ga含量为0.74，阱宽2.2nm，垒厚为5.8nm；所述的p型GaN层厚度为100-200nm。
优选的，所述阵列式扇形台面共有三种尺寸，从里向外分别为半径32μm的四分之一圆环围成的台面；内外半径差为50μm的八分之一圆环与其内圈的四分之一圆环围成的台面；内外半径差为100μm的八分之一圆环与其内圈的八分之一圆环围成的台面；三种尺寸的扇形台面共一个圆心，最***的扇形圆环与下一个同尺寸的扇形圆环周期为900μm。在一个同心圆内共有三种不同的尺寸大小的扇形台面，可以在小范围内不改变挡墙参数的情况下比较尺寸因素对发光强度以及串扰问题的影响。
本申请中的扇形台面在一个同心圆中共有三种不同的尺寸大小，可以在小范围内不改变挡墙参数的情况下比较尺寸对发光强度以及串扰问题的影响
本发明还公开了上述的Micro-LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：
(1)利用PECVD技术在InGaN/GaN量子阱LED外延片上沉积一层绝缘层作为第一介质层；
(2)在第一介质层表面旋涂光刻胶，对其进行前烘，利用紫外光刻技术，使用掩模版在光刻胶上形成有序的扇形台面阵列图形，然后进行显影、后烘；
(3)采用RIE技术，通入02清除经显影去除了大部分光刻胶的区域的少量光刻胶残余；
(4)利用PVD工艺蒸镀金属掩膜层，然后利用剥离技术去除光刻胶层及光刻胶层上的金属薄膜层，得到大面积的有序的扇形台面阵列图形；
(5)采用RIE技术，以金属为掩膜纵向刻蚀第一介质层，将扇形台面阵列结构转移至p型GaN层；
(6)利用ICP技术，以金属为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层和量子阱层至n型GaN层；
(7)采用湿法刻蚀，去掉扇形台面阵列结构上的金属掩膜层和第一介质层，形成相互隔离的GaN扇形台面阵列结构，并修复GaN层及量子阱层侧壁的刻蚀损伤；
(8)制备使扇形台面阵列之间相互隔离的n型阵列电极结构，先采用PECVD技术在GaN扇形台面阵列结构上蒸镀绝缘层作为第二介质层，在第二介质层表面旋涂光刻胶；利用紫外光刻技术使用带n型阵列电极结构的光刻掩模版在扇形台面阵列结构的光刻胶上套刻形成n型阵列电极结构图形，采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀所述第二介质层将n型阵列电极结构图形转移至n型GaN层；
(9)制备n型电极，利用PVD工艺将金属蒸镀到n型阵列电极结构图形区域作为n型电极，然后进行电极剥离，去除光刻胶层及覆盖在光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品，最后利用热退火技术实现金属与n型GaN层的欧姆接触；
(10)制备p型电极，重新旋涂一层光刻胶，利用紫外光刻技术使用光刻板在光刻胶上套刻形成p型阵列电极图形，采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀所述第二介质层将p型阵列电极图形转移至p型GaN层；采用PVD工艺蒸镀一层金属作为p型阵列电极，然后进行电极剥离，去除光刻胶层及覆盖在光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品，最后利用热退火技术实现金属与p型GaN层的欧姆接触。
优选的，所述的n型电极制成的挡墙宽度为6-10μm，厚度为450-550nm。
优选的，所述绝缘介质层的厚度为150-250nm，材质为SiO2，所述金属掩膜层的厚度为50nm，材质为镍(Ni)。
优选的，所述n型阵列电极为450-500nm厚度的钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)多层金属，p型阵列电极为150-200nm厚度的镍(Ni)/金(Au)多层金属。
本发明特别针对光学串扰问题，在Micro-LED扇形台面阵列的发光单元之间增设n型电极所做的挡墙，不但能起到电学隔离的作用，通过挡墙对光学传播路径进行物理隔绝，还可以起到光学隔离的作用，在不显著增加Micro-LED阵列尺寸的前提下，有效解决了Micro-LED各发光单元之间相互串扰的问题，有利于实现单独控制；利用n型电极金属做挡墙以及采用网状结构的p型电极，增加了电流扩展范围，有效提高了发光效率，能应用于超高分辨率照明和显示、通讯、生物传感等众多领域。
附图说明
图1为采用MOCVD法生长的InGaN/GaN量子阱LED基片的结构示意图。
图2为本发明步骤(1)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图3为本发明步骤(2)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图4为本发明步骤(4)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图5为本发明步骤(5)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图6为本发明步骤(6)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图7为本发明步骤(7)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图8为本发明步骤(8)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图9为本发明步骤(9)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图10为本发明步骤(10)所得的Micro-LED阵列器件的结构示意图。
图11为本发明步骤(2)所使用的光刻掩模版的示意图。
图12为本发明步骤(8)所使用的光刻掩模版的示意图。
图13为本发明步骤(10)所使用的光刻掩模版的示意图。
图14为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件的光学显微镜图。图中最***的白色圆环为环形n型电极，与圆环相连的白色中线条状结构为n型电极所作的挡墙，扇形区域上的白色网状结构为p型电极。
图15为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件中n型电极所做的部分挡墙结构。
图16为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件的I-V曲线图。
图17为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件的平面结构示意图。
图18为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件的立体结构示意图。
图19为本发明制备得到的Micro-LED阵列器件的立体结构阵列示意图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本基于III族氮化物半导体增加挡墙的Micro-LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：
本方法是在Si蓝光LED外延片上加工而成，Si蓝光LED外延片的结构为：
一Si衬底1，厚度为800μm；
一生长在Si衬底上的GaN缓冲层2，厚度为1750nm；
一生长在缓冲层上的n型GaN层3，厚度为1650nm；
一生长在n型GaN层上的InGaN/GaN量子阱有源层4；所述InGaN/GaN量子阱有源层厚度为200nm，周期数为10个，In含量0.26，Ga含量为0.74，阱宽2.2nm，垒厚为5.8nm；
一生长在量子阱有源层上的p型GaN层5，厚度为100nm。
(1)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术在Si蓝光LED外延片上蒸镀一层150nm厚的SiO2第一介质层6，如图2所示，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为7分10秒；
(2)在SiO2绝缘介质层6上旋涂光刻胶(S1805)层7，100℃前烘1分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图11所示的光刻板在光刻胶上形成有序的扇形台面阵列图形，曝光1秒，然后显影11秒，100℃后烘1分钟，如图3所示；
(3)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2流量为10sccm，压强3Pa，功率50W，时间20秒去除残余的光刻胶，然后利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀一层50nm后的金属镍(Ni)作为金属掩膜层8，速率为1A/s，然后利用丙酮溶液超声5分钟进行剥离，去除光刻胶层7以及光刻胶层上的金属镍薄膜层8得到大面积有序的金属扇形台面阵列图形，如图4所示；
(4)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以金属镍为掩膜层纵向刻蚀SiO2第一介质层6，将金属扇形台面结构转移至p型GaN层，如图5所示；
(5)采用ICP(电感耦合等离子体刻蚀)技术，通入Cl2和BCl3的混合气体，气体流量分别为48sccm和6sccm，ICP功率为300W，RF功率为100W，压强为10mTorr，时间为3分30秒，以金属镍为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层5和量子阱层4形成深至n型GaN层3的扇形台面阵列结构，如图6所示，刻蚀深度约为800nm；
(6)利用湿法刻蚀，先将样品放入KOH溶液中，溶液浓度为0.5mol/L，40℃水浴加热15分钟修复GaN及量子阱侧壁的刻蚀损伤，再将样品放入浓度为硝酸：水＝1：5的溶液中，常温浸泡10分钟去掉金属掩膜层8，随后将样品放入缓冲氧化物刻蚀液(BOE)中浸泡1分钟去除SiO2第一介质层6，形成相互隔离的GaN扇形台面阵列结构，如图7所示；
(7)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术蒸镀一层150nm厚的SiO2第二介质层9，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为7分10秒；然后旋涂两层光刻胶10，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图12所示的光刻板在光刻胶上套刻形成挡墙图形及n型电极图形，曝光时间4.3秒，显影时间9秒，100℃后烘一分钟；采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀第二介质层9将挡墙图形及n型电极图形转移至n型GaN层，如图8所示；
(8)制备n型电极，利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀450nm厚的钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)20nm/200nm/50nm/180nm金属到挡墙区域和n型电极图形区域作为n型电极11，挡墙宽度为6μm，厚度为450nm，然后进行电极剥离，利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层10以及光刻胶层上的n型电极金属层，洗净并烘干样品，最后利用在N2，温度750℃，时间30秒条件下热退火技术实现钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)金属与n型GaN层的欧姆接触；如图9所示；
(9)制备p型电极，重新旋涂两层光刻胶，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，利用紫外光刻技术，使用图13所示的光刻板在光刻胶上套刻形成p型电极图形，曝光4.3秒，显影9秒，然后采用RIE(反应离子刻蚀)技术通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀SiO2第二介质层9将p型电极图形转移至p型GaN层5；采用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀150nm厚的镍(Ni)/金(Au)30nm/120nm金属作为p型电极12，然后利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层以及光刻胶层上的金属镍金薄膜层，洗净并烘干样品，最后利用在O2和N2比例为1比4，温度500℃，时间10分钟条件下热退火技术实现镍(Ni)/金(Au)金属与p型GaN层的欧姆接触；如图10所示；
(10)所得Micro-LED阵列器件在光学显微镜下的俯视图如图14所示；电学测试I-V特性曲线如图16所示；平面结构示意图如图17所示；立体结构示意图如图18所示。
实施例2
本基于III族氮化物半导体增加挡墙的Micro-LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：
本方法是在Si蓝光LED外延片上加工而成，Si蓝光LED外延片的结构为：
一Si衬底1，厚度为800μm；
一生长在Si衬底上的GaN缓冲层2，厚度为1750nm；
一生长在缓冲层上的n型GaN层3，厚度为1750nm；
一生长在n型GaN层上的InGaN/GaN量子阱有源层4；所述InGaN/GaN量子阱有源层厚度为250nm，周期数为10个，In含量0.26，Ga含量为0.74，阱宽2.2nm，垒厚为5.8nm；
一生长在量子阱有源层上的p型GaN层5，厚度为150nm。
(1)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术在Si蓝光LED外延片上蒸镀一层200nm厚的SiO2第一介质层6，如图2所示，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为9分40秒；
(2)在SiO2绝缘介质层6上旋涂光刻胶(S1805)层7，100℃前烘1分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图11所示的光刻板在光刻胶上形成有序的扇形台面阵列图形，曝光1秒，然后显影10秒，100℃后烘1分钟，如图3所示；
(3)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2流量为10sccm，压强3Pa，功率50W，时间20秒去除残余的光刻胶，然后利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀一层50nm后的金属镍(Ni)作为金属掩膜层8，速率为1A/s，然后利用丙酮溶液超声5分钟进行剥离，去除光刻胶层7以及光刻胶层上的金属镍薄膜层8得到大面积有序的金属扇形台面阵列图形，如图4所示；
(4)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以金属镍为掩膜层纵向刻蚀SiO2第一介质层6，将金属扇形台面结构转移至p型GaN层，如图5所示；
(5)采用ICP(电感耦合等离子体刻蚀)技术，通入Cl2和BCl3的混合气体，气体流量分别为48sccm和6sccm，ICP功率为300W，RF功率为100W，压强为10mTorr，时间为3分30秒，以金属镍为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层5和量子阱层4形成深至n型GaN层3的扇形台面阵列结构，如图6所示，刻蚀深度约为800nm；
(6)利用湿法刻蚀，先将样品放入KOH溶液中，溶液浓度为0.5mol/L，40℃水浴加热15分钟修复GaN及量子阱侧壁的刻蚀损伤，再将样品放入浓度为硝酸：水＝1：5的溶液中，常温浸泡10分钟去掉金属掩膜层8，随后将样品放入缓冲氧化物刻蚀液(BOE)中浸泡1分钟去除SiO2第一介质层6，形成相互隔离的GaN扇形台面阵列结构，如图7所示；
(7)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术蒸镀一层200nm厚的SiO2第二介质层9，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为9分40秒；然后旋涂两层光刻胶10，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图12所示的光刻板在光刻胶上套刻形成挡墙图形及n型电极图形，曝光时间4.3秒，显影时间9秒，100℃后烘一分钟；采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀第二介质层9将挡墙图形及n型电极图形转移至n型GaN层，如图8所示；
(8)制备n型电极，利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀500nm厚的钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)30nm/210nm/50nm/210nm金属到挡墙区域和n型电极图形区域作为n型电极11，挡墙宽度为8μm，厚度为500nm，然后进行电极剥离，利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层10以及光刻胶层上的n型电极金属层，洗净并烘干样品，最后利用在N2，温度750℃，时间30秒条件下热退火技术实现钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)金属与n型GaN层的欧姆接触；如图9所示；
(9)制备p型电极，重新旋涂两层光刻胶，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，利用紫外光刻技术，使用图13所示的光刻板在光刻胶上套刻形成p型电极图形，曝光4.3秒，显影9秒，然后采用RIE(反应离子刻蚀)技术通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀SiO2第二介质层9将p型电极图形转移至p型GaN层5；采用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀180nm厚的镍(Ni)/金(Au)30nm/150nm金属作为p型电极12，然后利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层以及光刻胶层上的金属镍金薄膜层10，洗净并烘干样品，最后利用在O2和N2比例为1比4，温度500℃，时间10分钟条件下热退火技术实现镍(Ni)/金(Au)金属与p型GaN层的欧姆接触；如图10所示；
(10)所得Micro-LED阵列器件在光学显微镜下的俯视图如图14所示；电学测试I-V特性曲线如图16所示；平面结构示意图如图17所示；立体结构示意图如图18所示。
实施例3
本基于III族氮化物半导体增加挡墙的Micro-LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：
本方法是在Si蓝光LED外延片上加工而成，Si蓝光LED外延片的结构为：
一Si衬底1，厚度为800μm；
一生长在Si衬底上的GaN缓冲层2，厚度为1750nm；
一生长在缓冲层上的n型GaN层3，厚度为1850nm；
一生长在n型GaN层上的InGaN/GaN量子阱有源层4；所述InGaN/GaN量子阱有源层厚度为300nm，周期数为10个，In含量0.26，Ga含量为0.74，阱宽2.2nm，垒厚为5.8nm；
一生长在量子阱有源层上的p型GaN层5，厚度为200nm。
(1)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术在Si蓝光LED外延片上蒸镀一层250nm厚的SiO2第一介质层6，如图2所示，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为11分50秒；
(2)在SiO2绝缘介质层6上旋涂光刻胶(S1805)层7，100℃前烘1分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图11所示的光刻板在光刻胶上形成有序的扇形台面阵列图形，曝光1秒，然后显影11秒，100℃后烘1分钟，如图3所示；
(3)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2流量为10sccm，压强3Pa，功率50W，时间20秒去除残余的光刻胶，然后利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀一层50nm后的金属镍(Ni)作为金属掩膜层8，速率为1A/s，然后利用丙酮溶液超声5分钟进行剥离，去除光刻胶层7以及光刻胶层上的金属镍薄膜层8得到大面积有序的金属扇形台面阵列图形，如图4所示；
(4)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以金属镍为掩膜层纵向刻蚀SiO2第一介质层6，将金属扇形台面结构转移至p型GaN层，如图5所示；
(5)采用ICP(电感耦合等离子体刻蚀)技术，通入Cl2和BCl3的混合气体，气体流量分别为48sccm和6sccm，ICP功率为300W，RF功率为100W，压强为10mTorr，时间为3分30秒，以金属镍为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层5和量子阱层4形成深至n型GaN层3的扇形台面阵列结构，如图6所示，刻蚀深度约为800nm；
(6)利用湿法刻蚀，先将样品放入KOH溶液中，溶液浓度为0.5mol/L，40℃水浴加热15分钟修复GaN及量子阱侧壁的刻蚀损伤，再将样品放入浓度为硝酸：水＝1：5的溶液中，常温浸泡10分钟去掉金属掩膜层8，随后将样品放入缓冲氧化物刻蚀液(BOE)中浸泡1分钟去除SiO2第一介质层6，形成相互隔离的GaN扇形台面阵列结构，如图7所示；
(7)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术蒸镀一层250nm厚的SiO2第二介质层9，通入5％SiH4/N2和N2O的混合气体，流量分别为100sccm和450sccm，压强为300mTorr，功率为10W，温度为350℃，时间为11分50秒；然后旋涂两层光刻胶10，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，然后利用紫外光刻技术，使用图12所示的光刻板在光刻胶上套刻形成挡墙图形及n型电极图形，曝光时间4.3秒，显影时间9秒，100℃后烘一分钟；采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀第二介质层9将挡墙图形及n型电极图形转移至n型GaN层，如图8所示；
(8)制备n型电极，利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀550nm厚的钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)40nm/230nm/60nm/220nm金属到挡墙区域和n型电极图形区域作为n型电极11，挡墙宽度为10μm，厚度为550nm，然后进行电极剥离，利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层10以及光刻胶层上的n型电极金属层，洗净并烘干样品，最后利用在N2，温度750℃，时间30秒条件下热退火技术实现钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)金属与n型GaN层的欧姆接触；如图9所示；
(9)制备p型电极，重新旋涂两层光刻胶，第一层光刻胶(LOR10B)150℃前烘5分钟，第二层光刻胶(AZ1500)90℃前烘2分钟，利用紫外光刻技术，使用图13所示的光刻板在光刻胶上套刻形成p型电极图形，曝光4.3秒，显影9秒，然后采用RIE(反应离子刻蚀)技术通入O2和CF4的混合气体，气体流量分别为10sccm和30sccm，功率为150W，压强为4Pa，时间为3分40秒，以光刻胶为掩膜刻蚀SiO2第二介质层9将p型电极图形转移至p型GaN层5；采用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀200nm厚的镍(Ni)/金(Au)50nm/150nm金属作为p型电极12，然后利用丙酮溶液超声5分钟去除光刻胶层以及光刻胶层上的金属镍金薄膜层10，洗净并烘干样品，最后利用在O2和N2比例为1比4，温度500℃，时间10分钟条件下热退火技术实现镍(Ni)/金(Au)金属与p型GaN层的欧姆接触；如图10所示；
(10)所得Micro-LED阵列器件在光学显微镜下的俯视图如图14所示；电学测试I-V特性曲线如图16所示；平面结构示意图如图17所示；立体结构示意图如图18所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于III族氮化物半导体的Micro-LED阵列器件，其结构自上而下依次包括：
一Si衬底；
一生长在Si衬底上的GaN缓冲层；
一生长在缓冲层上的n型GaN层；
一生长在n型GaN层上的InGaN/GaN量子阱有源层；
一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；
所述Micro-LED阵列器件上有n个阵列式扇形台面单元，每个单元中刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的扇形台面结构，还包括一p型阵列电极，蒸镀在扇形阵列的p型GaN层上，一n型阵列电极，蒸镀在n型GaN层上，每个单元中的n型电极呈环形结构包围扇形台面，且n型阵列电极形成挡墙，将各扇形台面相互隔离，挡墙之间及挡墙与包围扇形台面的环形结构之间相互连接。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED阵列器件，其特征在于：所述n型阵列电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属结构。
3.根据权利要求1或2所述的Micro-LED阵列器件，其特征在于：所述的n型电极制成的挡墙宽度为6-10μm，厚度为450-550nm。
4.根据权利要求3所述的Micro-LED阵列器件，其特征在于：所述Si衬底厚度为800μm；所述GaN缓冲层厚度为1750nm；所述的n型GaN层厚度为1650-1850nm；所述InGaN/GaN量子阱有源层厚度为200-300nm，周期数为10个，In含量0.26，Ga含量为0.74，阱宽2.2nm，垒厚为5.8nm；所述的p型GaN层厚度为100-200nm。
5.根据权利要求3所述的Micro-LED阵列器件，其特征在于：每个单元中的扇形台面共有三种尺寸，从里向外分别为半径32μm的四分之一圆环围成的台面；内外半径差为50μm的八分之一圆环与其内圈的四分之一圆环围成的台面；内外半径差为100μm的八分之一圆环与其内圈的八分之一圆环围成的台面；三种尺寸的扇形台面共一个圆心，最***的扇形圆环与下一个同尺寸的扇形圆环周期为900μm。
6.权利要求1-5中任一项所述的Micro-LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：
(1)利用PECVD技术在InGaN/GaN量子阱LED外延片上沉积一层绝缘层作为第一介质层；
(2)在第一介质层表面旋涂光刻胶，对其进行前烘，利用紫外光刻技术，使用掩模版在光刻胶上形成有序的扇形台面阵列图形，然后进行显影、后烘；
(3)采用RIE技术，通入02清除经显影去除了大部分光刻胶的区域的少量光刻胶残余；
(4)利用PVD工艺蒸镀金属掩膜层，然后利用剥离技术去除光刻胶层及光刻胶层上的金属薄膜层，得到大面积的有序的扇形台面阵列图形；
(5)采用RIE技术，以金属为掩膜纵向刻蚀第一介质层，将扇形台面阵列结构转移至p型GaN层；
(6)利用ICP技术，以金属为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层和量子阱层至n型GaN层；
(7)采用湿法刻蚀，去掉扇形台面阵列结构上的金属掩膜层和第一介质层，形成相互隔离的GaN扇形台面阵列结构，并修复GaN层及量子阱层侧壁的刻蚀损伤；
(8)制备使扇形台面阵列之间相互隔离的n型阵列电极结构，先采用PECVD技术在GaN扇形台面阵列结构上蒸镀绝缘层作为第二介质层，在第二介质层表面旋涂光刻胶；利用紫外光刻技术使用带n型阵列电极结构的光刻掩模版在扇形台面阵列结构的光刻胶上套刻形成n型阵列电极结构图形，采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀所述第二介质层将n型阵列电极结构图形转移至n型GaN层；
(9)制备n型电极，利用PVD工艺将金属蒸镀到n型阵列电极结构图形区域作为n型电极，然后进行电极剥离，去除光刻胶层及覆盖在光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品，最后利用热退火技术实现金属与n型GaN层的欧姆接触；
(10)制备p型电极，重新旋涂一层光刻胶，利用紫外光刻技术使用光刻板在光刻胶上套刻形成p型阵列电极图形，采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀所述第二介质层将p型阵列电极图形转移至p型GaN层；采用PVD工艺蒸镀一层金属作为p型阵列电极，然后进行电极剥离，去除光刻胶层及覆盖在光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品，最后利用热退火技术实现金属与p型GaN层的欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的Micro-LED阵列器件的制备方法，其特征在于：所述第一介质层、第二介质层的厚度为150-250nm，材质为SiO2，所述金属掩膜层的厚度为50nm，材质为Ni。
8.根据权利要求6所述的Micro-LED阵列器件的制备方法，其特征在于：所述n型阵列电极为450-550nm厚度的Ti/Al/Ni/Au多层金属，p型阵列电极为150-200nm厚度的Ni/Au多层金属。
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