本發(fā)明專利涉及一種Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件及其制備方法，屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

III族氮化物材料是直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙覆蓋了光譜從紅外-可見-紫外波段，在顯示器、信號燈和固態(tài)照明等領(lǐng)域取得了巨大的成功。半導(dǎo)體固態(tài)照明是一項(xiàng)革命性的照明技術(shù)，與傳統(tǒng)的照明方式不同，它是以半導(dǎo)體芯片為發(fā)光源，把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，轉(zhuǎn)換效率高。LED作為固態(tài)照明半導(dǎo)體光源的核心部件，其優(yōu)勢明顯，例如亮度高、能耗低、壽命長、體積小、綠色環(huán)保、使用安全、可靠性以及穩(wěn)定性優(yōu)良、能夠在惡劣的環(huán)境下工作，是繼白熾燈、熒光燈之后的新一代照明光源。隨著發(fā)光二極管(LED)的不斷發(fā)展，固態(tài)照明技術(shù)正在逐步取代現(xiàn)有照明技術(shù)，并占領(lǐng)照明市場。

微米柱LED由于其尺寸小、局部光發(fā)射以及散熱快等特性，具有廣泛的應(yīng)用，如可見光通訊(VLC)，光遺傳學(xué)、微顯示等領(lǐng)域。和平面大尺寸LED相比，微米柱LED能夠在特別高的注入電流密度(傳統(tǒng)LED的注入電流密度大約100A/cm²，微米柱LED可以達(dá)到5kA/cm²)下工作，使得其具有高密度的光輸出功率和大的調(diào)制帶寬。

另外，微米柱LED在光輸出、電致發(fā)光譜的轉(zhuǎn)移、droop效應(yīng)以及光學(xué)調(diào)制帶寬等許多方面特性都具有一定的優(yōu)勢。但是，對于III族氮化物微米柱LED陣列器件內(nèi)部應(yīng)力的變化以及陣列器件的鍵合連接部分研究甚少，國內(nèi)尚未檢索到相應(yīng)的專利技術(shù)加以描述。本發(fā)明旨在制備不同尺寸的微米柱LED陣列器件，并使用Si-CMOS陣列驅(qū)動電路和微米柱陣列LED器件進(jìn)行對應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)對微米柱LED陣列器件單獨(dú)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件，包括微米柱LED器件和Si-CMOS陣列驅(qū)動電路，所述微米柱LED器件其結(jié)構(gòu)自下至上依次包括：

一雙面拋光的藍(lán)寶石襯底；

一生長在藍(lán)寶石襯底上的緩沖層；

一生長在緩沖層上的n型GaN層；

一生長在n型GaN層上的In_xGa_1-xN/GaN量子阱有源層；

一生長在量子阱有源層上的p型GaN層；

所述微米柱LED器件刻蝕形成貫穿p型GaN層、量子阱有源層，深至n型GaN層的微米柱陣列，還包括一p型陣列電極，蒸鍍在微米柱陣列的p型GaN層上，一n型電極，蒸鍍在n型GaN層上；

Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的陣列電路一一對應(yīng)的鍵合到p型陣列電極上，Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的電極鍵合到n型電極上。

進(jìn)一步的，蒸鍍Cr/Au作為p型陣列電極和n型電極。

進(jìn)一步的，所述n型GaN層，厚度為3μm，電子濃度為5×10¹⁸cm^-3；所述的In_xGa_1-xN/GaN量子阱有源層，In_xGa_1-xN阱的厚度為1.8～3nm，x范圍：0.12≤x≤0.25，GaN勢壘的厚度7～9nm，量子阱有源層發(fā)光波長在430nm至480nm，量子阱的周期數(shù)10～15個；p型GaN層的厚度300～500nm，空穴濃度為5×10¹⁷cm^-3。

進(jìn)一步的，所述p型電極陣列的直徑為10～80μm，周期為20～120μm，所述微米柱陣列的直徑為10～80μm，周期為20～120μm。

進(jìn)一步的，所述陣列電路與p型電極陣列通過Au柱鍵合，所述Si-CMOS陣列驅(qū)動電路電極與n型電極通過Au柱鍵合。

進(jìn)一步的，所述GaN基可見光微米柱陣列LED器件采用倒封裝方式，可見光從器件背面的藍(lán)寶石襯底引出。

本發(fā)明還提供了上述Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的制備方法，其步驟包括：

(1)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，在InGaN/GaN量子阱LED基片上沉積一層絕緣層作為掩蔽層；

(2)在掩蔽層表面旋涂光刻膠，對其進(jìn)行前烘，利用紫外光刻技術(shù)，使用掩膜版在光刻膠上形成微米柱LED的陣列，然后進(jìn)行顯影、后烘，

(3)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)，清除光刻區(qū)域殘余的光刻膠，隨后以光刻膠作為掩膜，采用RIE技術(shù)，對掩蔽層進(jìn)行刻蝕，將微米柱LED陣列圖案轉(zhuǎn)移到掩蔽層；

(4)采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)，以掩蔽層作為掩膜，各向異性刻蝕p型GaN層、量子阱有源層、n型GaN層，形成貫穿p型GaN層、量子阱有源層，深至n型GaN層的微米柱陣列；

(5)清洗ICP刻蝕后的基片，去除刻蝕損傷，然后采用濕法腐蝕去除剩余掩蔽層；

(6)利用PECVD技術(shù)，在基片表面沉積一層絕緣層；

(7)在隔離層表面旋涂光刻膠，然后進(jìn)行前烘，利用光刻技術(shù)，使用掩膜版在光刻膠表面制作p型陣列電極區(qū)域以及n型電極區(qū)域，然后顯影、后烘；

(8)采用RIE技術(shù)，清除光刻區(qū)域殘余的光刻膠，隨后將光刻膠當(dāng)做掩膜，采用RIE技術(shù)，通入CFH₃和O₂混合氣體對隔離層進(jìn)行刻蝕，刻蝕時只刻蝕微米柱表面的隔離層，保留微米柱側(cè)面的隔離層，采用RIE技術(shù)，將p型陣列電極區(qū)域以及n型電極區(qū)域轉(zhuǎn)移至LED基片表面；

(9)采用PVD技術(shù)，蒸鍍Cr/Au作為n型電極和p型陣列電極，然后進(jìn)行電極剝離，去除光刻膠層及覆蓋在光刻膠層上的金屬薄膜；

(10)設(shè)計(jì)并制造橫縱獨(dú)立控制的n×n的Si-CMOS陣列驅(qū)動電路，利用晶片鍵合機(jī)進(jìn)行倒封裝鍵合，鍵合材料采用Au，將設(shè)計(jì)好的Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的陣列電路同上述制備的微米柱LED器件的p型電極陣列一一對應(yīng)的鍵合，Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的電極鍵合到n型電極。

進(jìn)一步的，所述絕緣層選用SiO₂或Si₃N₄。

本發(fā)明通過將Si-CMOS陣列驅(qū)動電路與微米柱陣列LED器件進(jìn)行對應(yīng)連接，可以實(shí)現(xiàn)CMOS陣列驅(qū)動電路對每個像素點(diǎn)的單獨(dú)控制，能應(yīng)用于超高分辨照明與顯示，通訊，生物傳感等眾多領(lǐng)域。保留微米柱側(cè)面的隔離層，使得微米柱LED器件漏電流更小，能夠有效隔離每個陣列柱LED的作用，有助于實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，不會相互干擾。

附圖說明

圖1為采用MOCVD法生長的InGaN/GaN量子阱LED基片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明步驟(1)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明步驟(2)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明步驟(3)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明步驟(4)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明步驟(4)后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的氮化物微米柱陣列。

圖7為本發(fā)明步驟(6)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明步驟(9)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明步驟(10)所得的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為一個4X4的GaN基可見光微米柱陣列LED器件鍵合前俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為橫縱獨(dú)立控制的4X4微米柱LED陣列器件的Si-CMOS驅(qū)動電路圖。

圖12為完成制備步驟10)所得的微米柱LED陣列器件與CMOS陣列驅(qū)動電路鍵合的x面剖視圖。

圖13為本發(fā)明Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件的制備方法，其步驟包括：

(1)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，在發(fā)光波長430～480nm的InGaN/GaN量子阱LED基片(如圖1所示)上沉積一層絕緣層薄膜，作為掩蔽層6，通入5％SiH₄/N₂和N₂O的混合氣體，流量分別是100sccm和400sccm，壓強(qiáng)為300mTorr，功率為10W，溫度為350℃，厚度為200nm，時間為10分鐘；

(2)在掩蔽層6表面旋涂光刻膠7，光刻膠厚度為700～900nm，然后對其進(jìn)行前烘，如圖2所示利用紫外光刻技術(shù)，使用掩膜版在光刻膠上形成微米柱LED的陣列，然后進(jìn)行顯影、后烘，如圖3所示；

(3)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)，通入流量10sccm O₂壓強(qiáng)為23mTorr，功率為30W，清除光刻區(qū)域殘余的光刻膠，隨后把光刻膠當(dāng)做掩膜，采用RIE技術(shù)，通入CFH₃和O₂混合氣體，流量分別是35sccm和5sccm，壓強(qiáng)為23mTorr，功率為100W，刻蝕SiO₂約200nm，時間～12分鐘，對SiO₂掩蔽層6進(jìn)行刻蝕，將微米柱LED陣列圖案轉(zhuǎn)移到掩蔽層6，如圖4所示；

(4)采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)，以SiO2掩蔽層6作為掩膜，通入Ar和Cl2混合氣體，流量分別是25sccm和5sccm，壓強(qiáng)為10mTorr，RF功率為50W，ICP功率為200W，時間8分鐘，刻蝕深度～1.2μm，各向異性刻蝕p型氮化鎵層5、量子阱有源層4、n型氮化鎵層3，形成貫穿p型氮化鎵層5、量子阱有源層4，深至n型氮化鎵層3的微米柱陣列，如圖5和圖6所示；

(5)清洗ICP刻蝕后的基片，去除刻蝕損傷，然后采用濕法腐蝕(氫氟酸溶液)去除剩余掩蔽層；

(6)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，通入5％SiH₄/N₂和N₂O的混合氣體，流量分別是100sccm和400sccm，壓強(qiáng)為300mTorr，功率為10W，溫度為350℃，時間為9.5min，在基片表面沉積一層200nm的SiO₂隔離層6，如圖7所示；

(7)對基片進(jìn)行旋涂光刻膠(正膠)，光刻膠厚度為700～900nm，然后進(jìn)行前烘,利用光刻技術(shù)，使用掩膜版在基片表面制作p型電極區(qū)域以及n型電極區(qū)域，然后顯影、后烘；

(8)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)，通入流量10sccm O₂，壓強(qiáng)為23mTorr，功率為30W，清除光刻區(qū)域殘余的光刻膠，隨后把光刻膠當(dāng)做掩膜，采用RIE技術(shù)，通入CFH3和O2混合氣體，流量分別是35sccm和5sccm，壓強(qiáng)為23mTorr，功率為100W，刻蝕SiO2約200nm，時間～12分鐘，對隔離層進(jìn)行刻蝕，刻蝕時只刻蝕微米柱表面的隔離層，保留微米柱側(cè)面的隔離層，將微米柱LED陣列p型電極區(qū)域以及n型電極區(qū)域轉(zhuǎn)移至LED基片表面，如圖8所示；

(9)采用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，蒸鍍n型電極和p型電極，蒸鍍速率為和然后進(jìn)行電極剝離，去除光刻膠層及覆蓋在光刻膠層上的金屬薄膜，如圖9和圖10所示；

(10)設(shè)計(jì)并制造橫縱獨(dú)立控制的4×4的Si-CMOS驅(qū)動電路，驅(qū)動電路可提供0～10V驅(qū)動電壓，驅(qū)動電流0～1000mA，如圖11所示為橫縱獨(dú)立控制的4X4微米柱LED陣列器件的Si-CMOS驅(qū)動電路圖，使用FINEPLACER lambda多用途亞微米鍵合貼片機(jī)，把設(shè)計(jì)好的CMOS陣列驅(qū)動電路同上述制備的微米柱LED陣列器件一一對應(yīng)的鍵合，鍵合通過Au柱來連接。如圖12所示為微米柱LED陣列器件與CMOS陣列驅(qū)動電路鍵合的x面剖視圖。

實(shí)施例2

本實(shí)施例步驟與實(shí)施例1基本一致，區(qū)別在于采用Si₃N₄作為隔離層。

實(shí)施例3

本Si-CMOS陣列驅(qū)動電路控制的GaN基可見光微米柱陣列LED器件，其結(jié)構(gòu)從下至

上依次為：一雙面拋光的藍(lán)寶石襯底1；

一生長在藍(lán)寶石襯底1上的緩沖層2；

一生長在緩沖層2上的n型GaN層3；

一生長在n型GaN層上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源層4；

一生長在量子阱有源層上的p型GaN層5；

所述微米柱LED器件刻蝕形成貫穿p型GaN層5、量子阱有源層4，深至n型GaN層3的微米柱陣列，還包括一p型陣列電極8，蒸鍍在微米柱陣列的p型GaN層5上，一n型電極9，蒸鍍在n型GaN層3上；

Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的陣列電路11一一對應(yīng)的通過Au柱10鍵合到p型陣列電極8上，Si-CMOS陣列驅(qū)動電路的電極12通過Au柱10鍵合到n型電極9上，其中陣列電路和電極通過電子束蒸發(fā)技術(shù)鍍在硅襯底13上；

其中n型GaN層，厚度為3μm，電子濃度為5×10¹⁸cm^-3；所述的In_xGa_1-xN/GaN量子阱有源層，In_xGa_1-xN阱的厚度為1.8～3nm，x范圍：0.12≤x≤0.25，GaN勢壘的厚度7～9nm，量子阱有源層發(fā)光波長在430nm至480nm，量子阱的周期數(shù)10～15個；p型GaN層的厚度300～500nm，空穴濃度為5×10¹⁷cm^-3；所述p型電極陣列的直徑為10～80μm，周期為20～120μm，所述微米柱陣列的直徑為10～80μm，周期為20～120μm。