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CN111952330A - 一种可见光通信led阵列及其制备方法 - Google Patents

一种可见光通信led阵列及其制备方法 Download PDF

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CN111952330A CN202010841428.4A CN202010841428A CN111952330A CN 111952330 A CN111952330 A CN 111952330A CN 202010841428 A CN202010841428 A CN 202010841428A CN 111952330 A CN111952330 A CN 111952330A
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赵丽霞
林杉
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Institute of Semiconductors of CAS
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Abstract

本发明提供一种可见光通信LED阵列及其制备方法，包括衬底；位于所述衬底上的M个间隔的LED结构，M＞2，所述LED结构包括：台面结构以及位于所述台面结构上的n电极和p电极；位于所述衬底和所述台面结构上的互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；位于所述互连线上的绝缘保护层；以及贯穿所述绝缘保护层的焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。本发明提供的可见光通信LED阵列可以同时提高调制带宽与光功率，从而提高可见光通信中的信号传输质量。

Description

一种可见光通信LED阵列及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种可见光通信LED阵列及其制备方法。
背景技术
近年来智能家居、智能手环等智能产品大行其道，新型的交互控制给传统的入网技术带来了前所未有的挑战。上述问题都需要一种既能拓宽频谱资源又可移动的接入方式，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)正是在这种背景下应运而生。可见光通信利用白光LED作为光源，在照明的同时实现高速通信。相比于传统光源，LED不仅具有低能耗，环境友好，寿命可靠的优点，同时具有更高的调制带宽及相应灵敏度。利用这些特点，人们可以将调制的高频信号加载在LED上，LED则将其转化为人眼无法辨别的强度快速调制的光信号从而实现信号的传递。VLC具有安全性高、保密性好、不受电磁干扰等优点，在国防军事、信息安全、对射频敏感领域均有极大的应用前景。
有研究表明，LED器件的调制带宽对可见光通信系统的调制带宽及传输速度有决定性作用，而目前所使用的商用荧光粉型白光LED的带宽一般小于3MHz，距离适用于通信的目标有较大距离，这大大限制了VLC技术的进一步发展。尽管当下正热的微LED通过减小器件尺寸降低RC时间常数及提高载流子辐射复合速率可以获得高调制带宽，然而由于其牺牲了有源区发光面积，光功率往往很低，而光功率输出的降低会产生两方面的影响，一方面不能实现其作为照明光源的目的，另一方面也不利于通信，因为小的光功率会导致信噪比的上升，不利于信号的传输。因此，如何同时提高调制带宽与光功率，成为本领域一项亟待解决的技术问题
发明内容
本发明的目的是提供一种可见光通信LED阵列及其制备方法，以同时提高调制带宽与光功率。
为达到上述目的，本发明提供一种可见光通信LED阵列，包括：
衬底；
位于所述衬底上的M个间隔的LED结构，M＞2，所述LED结构包括：台面结构以及位于所述台面结构上的n电极和p电极；
位于所述衬底和所述台面结构上的互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；
位于所述互连线上的绝缘保护层；以及
贯穿所述绝缘保护层的焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
在本发明一实施例中，每个LED结构还包括：
第一柱状结构，以及位于所述第一柱状结构下方，并且与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构；
其中，所述第一柱状结构由上至下依次包括电流扩展层、p型层、电子阻挡层以及有源层；所述第二柱状结构由上至下依次包括n型层与缓冲层；所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构，所述p电极位于所述第一台面结构上，所述n电极位于所述第二台面结构上。
在本发明一实施例中，所述n电极为环形或扇形，所述n电极环绕所述第二台面结构设置，所述p电极为环形或扇形。
在本发明一实施例中，所述第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为圆形或开口环形。
在本发明一实施例中，所述第二柱状结构沿垂直于所述第二柱状结构轴线方向的截面形状为圆形，所述圆形的直径小于等于150微米，任意两个第二柱状结构之间的间距大于等于70微米且小于等于200微米。
在本发明一实施例中，可见光通信LED阵列还包括：
覆盖于所述衬底和所述LED结构上的绝缘层，所述绝缘层开设有与所述n电极和p电极的形状相匹配的电极窗口，所述互连线位于所述绝缘层上，所述绝缘层用于使所述衬底与所述互连线绝缘。
在本发明一实施例中，所述多个LED结构在所述衬底上间隔排布成A×B的阵列，其中，A与B均为正整数。
本发明还提供一种可见光通信LED阵列的制备方法，包括：
在衬底上形成M个间隔的台面结构，其中，M＞2；
沉积绝缘层，并在每个台面结构上开设电极窗口；
沉积导电材料，在所述电极窗口形成n电极与p电极，以得到M个间隔的LED结构，以及在所述衬底与所述台面结构上形成互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；
在所述互连线表面形成绝缘保护层；
对所述绝缘保护层的指定位置进行刻蚀形成焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
在本发明一实施例中，所述在衬底上形成M个间隔的台面结构，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、n型层、有源层、电子阻挡层以及p型层，并在所述p型层的顶部形成电流扩展层；
对所述电流扩展层、p型层、电子阻挡层以及有源层进行刻蚀，直至所述n型层的上表面，以在所述n型层的上表面形成多个间隔排布的第一柱状结构；
对所述n型层与缓冲层进行刻蚀，直至所述衬底的上表面，以在每个第一柱状结构下方形成与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构，所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构。
在本发明一实施例中，在所述第一台面结构上开设p电极窗口，在所述第二台面结构上开设n电极窗口，所述n电极窗口环绕所述第二台面结构设置。
由以上本发明提供的技术方案可见，本发明将多个LED结构串联在一起，可以同时提高调制带宽与光功率，显著改善可见光通信中信号传输质量，且每个LED结构的尺寸小于150微米，从而保证单颗芯片的调制带宽满足百兆赫兹。此外，将p电极和n电极的形状设置为环形或扇形，并且将n电极环绕所述台面设置，可以有效改善电流注入的均匀性，提高载流子复合的速率。进一步的，通过焊点将一个LED结构的n电极与另一个LED结构的p电极相连接，可以在后期封装时，在任意位置的焊点打线，自由定义LED阵列中串联的LED结构的数量；同时可以实现对任意单个芯片的片上点测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种可见光通信LED阵列的制备方法的流程图；
图2至图7示出了本发明的可见光通信LED阵列在制备过程中的结构示意图；
图8是第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为圆形的情况下，可见光通信LED阵列的俯视图；
图9是第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为开口环形的情况下，可见光通信LED阵列的俯视图。
附图标记说明：
1-衬底；2-缓冲层；3-n型层；4-有源层；5-电子阻挡层；6-p型层；7-电流扩展层；8-绝缘层；9-互连线；10-绝缘保护层；11-p电极；12-n电极；13-焊点；14-焊点窗口。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
为本发明实施例提供的一种可见光通信LED阵列，包括：
衬底；
位于所述衬底上的M个间隔的LED结构，M＞2，所述LED结构包括：台面结构以及位于所述台面结构上的n电极和p电极；
位于所述衬底和所述台面结构上的互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；
位于所述互连线上的绝缘保护层；以及
贯穿所述绝缘保护层的焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
在本发明一实施例中，每个LED结构还包括：
第一柱状结构，以及位于所述第一柱状结构下方，并且与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构；
其中，所述第一柱状结构由上至下依次包括电流扩展层、p型层、电子阻挡层以及有源层；所述第二柱状结构由上至下依次包括n型层与缓冲层；所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构，所述p电极位于所述第一台面结构上，所述n电极位于所述第二台面结构上。
在本发明一实施例中，所述n电极为环形或扇形，所述n电极环绕所述第二台面结构设置，所述p电极为环形或扇形。
在本发明一实施例中，所述第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为圆形或开口环形。
在本发明一实施例中，所述第二柱状结构沿垂直于所述第二柱状结构轴线方向的截面形状为圆形，所述圆形的直径小于等于150微米，任意两个第二柱状结构之间的间距大于等于70微米且小于等于200微米。
在本发明一实施例中，可见光通信LED阵列还包括：
覆盖于所述衬底和所述LED结构上的绝缘层，所述绝缘层开设有与所述n电极和p电极的形状相匹配的电极窗口，所述互连线位于所述绝缘层上，所述绝缘层用于使所述衬底与所述互连线绝缘。
在本发明一实施例中，所述多个LED结构在所述衬底上间隔排布成A×B的阵列，其中，A与B均为正整数。
具体的，衬底为平面或图形衬底，衬底的材料为蓝宝石、硅、或碳化硅。缓冲层由GaN形核层和非故意掺杂GaN层构成，以高纯纯氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为Ga源，先低温(小于750℃)生长GaN形核层，再高温(大于800℃)生长非故意掺杂GaN层。n型层为n型掺杂GaN层，掺杂剂为硅烷，掺杂浓度为1×1018/cm3至1×1019/cm3。有源层为InGaN/GaN多量子阱结构。电子阻挡层的材料为AlGaN材料，可进行p型掺杂，掺杂剂为二茂镁。绝缘层和绝缘保护层的材料可以为二氧化硅，绝缘保护层的厚度小于500纳米。p型层为p型掺杂GaN层。电流扩展层的材料为氧化铟锡。通过依次蒸镀Cr、Al、Ti以及Au，得到互连线。
参考图1所示，本发明实施例还提供一种可见光通信LED阵列的制备方法，可以包括以下步骤：
S1：在衬底上形成M个间隔的台面结构，其中，M＞2。
具体的，可以参考图2所示，利用金属有机化合物化学气相沉淀(MetalOrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)系统，在衬底1上依次外延生长缓冲层2、n型层3、有源层4、电子阻挡层5以及p型层6。将外延片从MOCVD系统取出后，利用其他制备工艺，例如蒸镀，在p型层6的顶部形成电流扩展层7。
参考图3所示，得到电流扩展层7之后，先在电流扩展层7的表面旋涂光刻胶，其中，光刻胶为正性光刻胶，再利用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上圆形或开口环形图案光刻并腐蚀，形成圆形或开口环形图案，随后对其进行刻蚀，直至所述n型层3的上表面，形成多个间隔排布的第一柱状结构，最后去除光刻胶。
参考图4所示，在得到第一柱状结构之后，先沉积二氧化硅掩膜层，二氧化硅掩膜层的厚度大于等于800纳米且小于等于1微米，然后在二氧化硅掩膜层的表面旋涂光刻胶，其中，光刻胶为正性光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义圆形图案光刻并腐蚀，从而形成圆形图案，再采用等离子增强刻蚀的技术，以制备的二氧化硅图形为硬质掩模对n型层3与缓冲层2进行刻蚀，直至衬底1的上表面，刻蚀完成后，在每个第一柱状结构下方形成与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构，所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构，并且刻蚀完成后，将二氧化硅掩膜层通过湿法腐蚀的方法去除。
S2：沉积绝缘层，并在每个台面结构上开设电极窗口。
具体的，参考图5所示，通过光刻和湿法腐蚀，在第一台面结构上开设p电极窗口，在第二台面结构上开设n电极窗口，n电极窗口可以环绕所述第二台面结构设置。
S3：沉积导电材料，在所述电极窗口形成n电极与p电极，以得到M个间隔的LED结构，以及在所述衬底与所述台面结构上形成互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间。
具体的，参考图6所示，通过电子束蒸镀的方法，将金属沉积在所述步骤S2得到的电极窗口上，从而形成n电极12和p电极11，同时一并形成互连线9。
S4：在所述互连线表面形成绝缘保护层。
具体的，绝缘保护层10的厚度小于等于500纳米。
S5：对所述绝缘保护层的指定位置进行刻蚀形成焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
参考图7所示，先沉积绝缘保护层10，再通过光刻和腐蚀工艺形成圆形的焊点窗口14，以将焊点13露出。指定位置可以在两个LED结构之间。
为了进一步说明本发明提供的可见光通信LED阵列，本发明还提供了可见光通信LED阵列的俯视图。参考图8所示，可见光通信LED阵列中包含4个LED结构，4个LED结构在所述衬底上间隔排布成2×2的阵列，每个LED结构的n电极12和p电极11分别通过互连线9与两个焊点13相连，且LED结构的n电极12经过一个焊点13与另一个LED结构的p电极11相连接，从而将4个LED结构串联。在图8中，第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为圆形，当然，除了圆形之外，该截面形状也可以是其他形状。参见图9所示，第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状还可以是开口环形。
由以上本发明提供的技术方案可见，本发明将多个LED结构串联在一起，可以同时提高调制带宽与光功率，显著改善可见光通信中信号传输质量，且每个LED结构的尺寸小于150微米，从而保证单颗芯片的调制带宽满足百兆赫兹。此外，将p电极和n电极的形状设置为环形或扇形，并且将n电极环绕所述台面设置，可以有效改善电流注入的均匀性，提高载流子复合的速率。进一步的，通过焊点将一个LED结构的n电极与另一个LED结构的p电极相连接，可以在后期封装时，在任意位置的焊点打线，并且由于焊点尺寸大于测试探针和封装中焊接金线的直径，从而可以自由定义LED阵列中串联的LED结构的数量；同时可以实现对任意单个芯片的片上点测。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种可见光通信LED阵列，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的M个间隔的LED结构，M＞2，所述LED结构包括：台面结构以及位于所述台面结构上的n电极和p电极；
位于所述衬底和所述台面结构上的互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；
位于所述互连线上的绝缘保护层；以及
贯穿所述绝缘保护层的焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
2.根据权利要求1所述的LED阵列，其特征在于，每个LED结构还包括：
第一柱状结构，以及位于所述第一柱状结构下方，并且与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构；
其中，所述第一柱状结构由上至下依次包括电流扩展层、p型层、电子阻挡层以及有源层；所述第二柱状结构由上至下依次包括n型层与缓冲层；所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构，所述p电极位于所述第一台面结构上，所述n电极位于所述第二台面结构上。
3.根据权利要求2所述的LED阵列，其特征在于，所述n电极为环形或扇形，所述n电极环绕所述第二台面结构设置，所述p电极为环形或扇形。
4.根据权利要求2所述的LED阵列，其特征在于，所述第一柱状结构沿垂直于所述第一柱状结构轴线方向的截面形状为圆形或开口环形。
5.根据权利要求2所述的LED阵列，其特征在于，所述第二柱状结构沿垂直于所述第二柱状结构轴线方向的截面形状为圆形，所述圆形的直径小于等于150微米，任意两个第二柱状结构之间的间距大于等于70微米且小于等于200微米。
6.根据权利要求1所述的LED阵列，其特征在于，可见光通信LED阵列还包括：
覆盖于所述衬底和所述LED结构上的绝缘层，所述绝缘层开设有与所述n电极和p电极的形状相匹配的电极窗口，所述互连线位于所述绝缘层上，所述绝缘层用于使所述衬底与所述互连线绝缘。
7.根据权利要求1所述的LED阵列，其特征在于，所述多个LED结构在所述衬底上间隔排布成A×B的阵列，其中，A与B均为正整数。
8.一种可见光通信LED阵列的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成M个间隔的台面结构，其中，M＞2；
沉积绝缘层，并在每个台面结构上开设电极窗口；
沉积导电材料，在所述电极窗口形成n电极与p电极，以得到M个间隔的LED结构，以及在所述衬底与所述台面结构上形成互连线，所述互连线连接于所述M个LED结构中其中一个LED结构的p电极和另一个LED结构的n电极之间；
在所述互连线表面形成绝缘保护层；
对所述绝缘保护层的指定位置进行刻蚀形成焊点窗口，以暴露出部分所述互连线作为焊点，所述焊点与所述LED结构串联。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成M个间隔的台面结构，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、n型层、有源层、电子阻挡层以及p型层，并在所述p型层的顶部形成电流扩展层；
对所述电流扩展层、p型层、电子阻挡层以及有源层进行刻蚀，直至所述n型层的上表面，以在所述n型层的上表面形成多个间隔排布的第一柱状结构；
对所述n型层与缓冲层进行刻蚀，直至所述衬底的上表面，以在每个第一柱状结构下方形成与所述第一柱状结构相堆叠的第二柱状结构，所述第一柱状结构的顶部形成第一台面结构，所述第二柱状结构上表面的四周形成第二台面结构。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述第一台面结构上开设p电极窗口，在所述第二台面结构上开设n电极窗口，所述n电极窗口环绕所述第二台面结构设置。
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