一种基于3D打印的AlGaInP反极性发光二极管制备方法与流程

本发明涉及半导体光电子器件与3d打印领域，具体为一种基于3d打印的algainp反极性发光二极管制备方法。

背景技术：

发光二极管(lightemittingdiode,led)被称为第四代照明光源，具有体积小、电光转换效率高、寿命长、节能环保等优点，在通用照明、城市景观、显示、医疗器械、通信等各方面均有广泛的应用，并已逐渐取代传统光源进入通用照明领域。目前，市场上主流的led分为algan基紫光led、ingan基蓝绿光led以及algainp基红黄光led。其中，algainp基红黄光led是出现最早、成熟最早的led产品。经过多年的发展，algainp红黄光led早已跨过了中小功率led的发展阶段，转而发展高亮度、高功率产品。algainp基led的内量子效率早已接近100%，所以，提高产品功率的主要途径是提高器件的光提取效率。目前，提高光提取效率最有效的方法为倒装芯片结构，即反极性led。

algainp反极性led的制备主要分为三个阶段：外延材料生长、芯片制备、芯片封装。(1)外延材料生长与芯片制备是决定led器件性能的关键阶段。外延材料生长是指利用金属有机化学气相沉积(mocvd)、分子束外延(mbe)等技术在gaas衬底上逐层生长如附图2所示的外延结构（外延结构由下而上包括gaas衬底、n-gaas缓冲层、n-alinp腐蚀停止层、n-gaas接触层、n-algainp限制层、algainp量子阱有源区、p-algainp限制层、p-gap窗口层）。(2)芯片制备则是对外延材料进行清洗、镀膜、键合曝光、刻蚀、减薄、划片等加工，以形成led芯片的过程；(3)芯片封装是指将芯片封装到专用支架上，形成灯珠的过程。其中，前两个阶段涉及mocvd、x射线衍射、光致发光、电化学cv、光刻、离子辅助气相沉积(pecvd)、等离子清洗、干法或湿法刻蚀、金属键合、激光划片、离子束蒸镀等十数种先进的材料加工及测试技术，每种技术均需要价格高昂的设备来实现，这些设备结构复杂，维护成本高。制备过程中，需要用到大量易燃易爆或有毒的气体、各种化学试剂及材料。另外，加工过程包括几十甚至上百个微加工步骤，任何一步出错都会导致led器件制备的失败。

从以上论述可以看出，algainp反极性led制备工艺流程复杂，需要消耗大量的人力物力资源，且存在一定安全隐患。所以，简化其制备过程，不仅可以有效地节省人力及物力资源，消除上述安全隐患，更能够提高algainp反极性led的生产效率及良品率，对于led产业的发展具有重大的科学意义及商业价值，新兴的3d打印技术为这个技术难题的解决提供了良好的契机。

技术实现要素：

本发明针对algainp反极性led制备流程复杂、设备维护成本高的缺点，提出了一种基于3d打印的algainp反极性发光二极管制备方法，以简化制备的流程。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于3d打印的algainp反极性发光二极管制备方法，包括以下步骤：

s1：在gaas衬底上生长反极性led外延片结构；

s2：利用3d打印技术在p-gap窗口层表面制备介质膜层，并留出导电孔；

s3：利用3d打印技术在介质膜层上制备金属反射镜，介质膜层与金属反射镜构成odr反射镜；

s4：利用3d打印技术分别在odr反射镜表面及si基底上制备金属键合层；

s5：将上述金属键合层相对并进行金属键合，使外延片与si基底键合在一起；

s6：利用机械研磨及选择性湿法刻蚀去除gaas衬底及n-gaas缓冲层，露出n-alinp腐蚀停止层；

s7：利用选择性湿法刻蚀去除n-alinp腐蚀停止层，露出n-gaas接触层；

s8：利用3d打印技术在n-gaas接触层表面制备n面接触电极；

s9：选择性刻蚀n-gaas接触层，留下n面接触电极，n面接触电极之外的区域刻蚀到n-algainp限制层；

s10：在n-algainp限制层上3d打印ito电流扩展层，同时形成粗化的ito表面；

s11：在ito表面3d打印n面主电极；

s12：干法刻蚀形成划片所需沟道，沟道深度直到p-gap窗口层；

s13：将si衬底研磨减薄至100um，抛光形成光滑的背面；

s14：在si衬底背面3d打印p面电极，留出划片所需沟道；

s15：划片、裂片，完成芯片制备，所制备的芯片结构由上而下包括n面主电极、ito电流扩展层、n面接触电极、n-gaas接触层、n-algainp限制层、量子阱有源层、p-algainp限制层、p-gap窗口层、介质膜层、金属反射镜、金属键合层、si衬底、p面电极。

上述的一种基于3d打印的algainp反极性发光二极管制备方法，3d打印过程分为三个步骤，3d建模、3d打印、样品修正。

3d打印技术是当今高端制造业的重要发展方向，目前能够打印的材料包括：热塑性塑料、几乎所有金属及其合金、共晶材料、橡胶、陶瓷、石膏、纸张、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、光聚合物等。可以看出，在algainp反极性led芯片中，能够利用3d打印技术进行制备的结构包括dbr反射镜、金属反射镜、金属键合层、金属电极、ito电流扩展层，3d打印这些结构，可以有效地简化制备流程，提高生产效率及良品率。

本发明提供的一种基于3d打印的gaas基反极性led制备方法，利用3d打印替代部分传统制备技术，带来如下有益效果：

1、简化了制备流程：

(1)简化了介质膜层制备：传统方法制备介质膜层，无法直接形成导电孔，需要另外利用曝光及刻蚀技术开孔，而利用3d打印技术制备介质膜层，在3d建模时即可建立含有导电孔的介质膜模型，打印过程中留出导电孔，无需后续曝光及刻蚀步骤；

(2)简化了n面接触电极及n面主电极的制备流程：传统方式制备n面接触电极，首先要在n-gaas接触层表面旋涂光刻胶、曝光、显影，以形成电极的图形，然后蒸镀金属电极，最后带胶剥离，形成如附图5、6所示的电极图形。但3d打印技术可以直接打印出附图5、6所示接触电极，无需旋涂光刻胶、曝光、显影、带胶剥离等流程；

2、减少了制备流程中引入的杂质：

(1)利用传统制备方法制备介质膜层时，需要经过涂胶、曝光、显影、湿法或干法刻蚀来形成导电孔，引入了光刻胶、显影液、腐蚀液，残留的光刻胶、显影液及腐蚀液不仅会影响器件的性能，还可能导致后续制备工艺的失败。3d打印介质膜层，可以在打印过程中直接留出导电孔，无需经过涂胶、曝光、显影、刻蚀流程，避免了光刻胶、显影液及腐蚀液等杂质的引入；

(2)利用传统制备方法制备n面接触电极及n面主电极的过程中，首先要经过涂胶、曝光、显影形成电极图形，然后蒸镀或溅射形成金属电极薄膜，最后带胶剥离，剥去多余的金属薄膜，形成电极。在以上流程中，会引入光刻胶、显影液及丙酮等化学试剂，残留的化学试剂会增大后续制备工艺失败的概率。3d打印n面接触电极及n面主电极，可以直接形成电极图形，无需经过涂胶、曝光、显影及带胶剥离过程，避免了上述化学试剂的引入，提高了器件制备的良品率。

附图说明

图1为本发明的制备流程图。

图2为反极性led外延结构示意图。

图3为反极性led芯片结构示意图。

图4为导电孔示意图。

图5为n面接触电极示意图。

图6为n面接触电极截面图。

图7为n面主电极示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例：gaas基反极性led芯片制备实施方法：

(1)利用mocvd在带有15度偏角的gaas(100)衬底上生长如附图2所示的外延结构，外延结构由下而上包括gaas衬底、n-gaas缓冲层、n-alinp腐蚀停止层、n-gaas接触层、n-algainp限制层、量子阱有源区、p-algainp限制层、p-gap窗口层；

(2)利用3d打印技术在p-gap窗口层表面制备介质膜层，并留出导电孔：本实施例中的介质膜层为tio2/mgf2周期性dbr反射镜，tio2与mgf2的厚度由以下公式求得：，其中，λ为led发光波长，n为tio2与mgf2的折射率。

3d打印流程包括3步：第一步，利用3d建模软件建立dbr结构的3d模型，此3d模型中包括了如附图所示的导电孔；第二步，3d打印第一步所建立的3d模型；第三步，对所打印的dbr反射镜进行修正，使得反射镜及导电孔边缘齐整。

(3)利用3d打印技术在dbr反射镜上制备金属反射镜，此金属反射镜与dbr反射镜共同构成全方位反射镜(odr反射镜)，且金属反射镜填满导电孔，形成欧姆接触；

(4)分别在金属反射镜及si衬底表面3d打印au键合层；

(5)将上述au键合层相对，在高温高压下将外延片及si衬底键合；

(6)利用机械研磨的方式将gaas衬底减薄至20um，然后利用选择性湿法腐蚀去除剩余的gaas衬底及gaas缓冲层，露出n-alinp腐蚀停止层；

(7)利用选择性湿法腐蚀去除n-alinp腐蚀停止层，露出n-gaas接触层；

(8)3d打印如附图5、6所示的n面接触电极；

(9)选择性刻蚀n-gaas接触层，留下n面接触电极，n面接触电极之外的区域刻蚀到n-algainp限制层；

(10)3d打印ito电流扩展层，同时形成粗化的ito表面；

(11)3d打印如附图7所示的n面主电极；

(12)干法刻蚀形成划片所需沟道，沟道深度直到gap窗口层；

(13)将si衬底研磨减薄至100um，抛光形成光滑的背面；

(14)在si衬底背面3d打印p面电极，电极与芯片对齐，面积略小于芯片面积；

(15)划片、裂片，完成芯片制备。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。