一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法，该装置由下至上包括：第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层，所述第一反射层为金属反射层，所述第二反射层为布拉格反射镜；第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层均垂直于从所述LED发射的光的传播平面。本发明专利技术提供的一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法，具有更大的空间相干性，结构紧凑，加工工艺简单，产品良率与可靠性提升，能调控LED出射光的特性，可扩展多功能，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法


[0001]本专利技术涉及微纳结构和LED光电

，特别是涉及一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法。

技术介绍

[0002]发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是一种固态的半导体器件，相比较其他光源来说，LED光源不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，据统计，其使用寿命可达6到10万小时，因此被称作永不熄灭的灯；与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术。但随着光电技术的智能化发展，光系统早已被广泛应用于人脸识别、速度检测、加密系统等各个社会以及军事领域，随之发展的是人们对光电器件功能和性能多样化、精准化的认知，而所有LED的共性缺陷是表现出朗伯形的发射轮廓，这使得人们对于LED光束的自由调控变得极为困难，这使得LED的发展停滞不前。
[0003]解决这一问题的简单方法是在LED结构上集成超表面(Metasurface)，超表面作为一种亚波长尺度的人工光学结构，通常由密集排列的强散射金属或电介质纳米结构构成，在外部光源或激励作用下这些平坦的微纳结构具有大范围、快速调控光场特性的能力，使光波的振幅、相位和偏振态发生变化，从而为光束操纵技术提供了新途径。
[0004]然而，当该超表面直接集成在LED顶部时，超表面并没有表现出它该有的功能，因此，存在对如下技术的需求：将LED发射转换为具有较窄角度分布的发射，并提高将光耦合到外部光学设备的效率。因此，设计一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法是十分必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种发射光可调控的超表面集成式LED装置及制备方法，具有更大的空间相干性，结构紧凑，加工工艺简单，产品良率与可靠性提升，能调控LED出射光的特性，可扩展多功能，具有广阔的应用前景。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种发射光可调控的超表面集成式LED装置，由下至上包括：第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层，所述第一反射层为金属反射层，所述第二反射层为布拉格反射镜；第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层均垂直于从所述LED发射的光的传播平面；
[0008]所述外延片由下至上包括：第二衬底、缓冲层、N型限制层、复合量子阱层、电子阻挡层、P型限制层及窗口层。
[0009]可选的，所述超结构单元层包括多个纳米柱，多个所述纳米柱呈阵列状排列，所选纳米柱周期固定为260nm。
[0010]可选的，所述LED的第二衬底为GaAs第二衬底、GaN第二衬底或GaP第二衬底；
[0011]所述布拉格反射镜为AlGaAs材料布拉格反射镜或AlGaInN材料布拉格反射镜。
[0012]一种发射光可调控的超表面集成式LED制备方法，用于制备上述的发射光可调控的超表面集成式LED装置，其特征在于，包括如下步骤：
[0013]步骤1：在第二衬底上依次淀积缓冲层、N型限制层、量子阱层、电子阻挡层、P型限制层、窗口层以获得外延片，并将外延层进行背面减薄；
[0014]步骤2：在外延片的表面制作P面电极及N面电极作为电极层，再切割出管芯产品；
[0015]步骤3：对于导电性不好的外延片，蒸镀导电欧姆接触层，对于其他LED，在LED顶部交替生长由高折射率膜和低折射率膜组成的布拉格反射镜，用作顶部反射，在布拉格反射镜顶部沉积200nm间隔层，并清洗器件，且保证顶部间隔层的平整度，在间隔层上旋涂厚度为180nm的HSQ胶进行光刻，通过电子光束光刻集成超结构单元层，完毕后，使用BOE溶液快速浸蚀去除HSQ胶。
[0016]可选的，步骤1中，在第二衬底上依次淀积缓冲层、N型限制层、量子阱层、电子阻挡层、P型限制层、窗口层以获得外延片，并将外延层进行背面减薄，具体为：
[0017]利用MOCVD法在GaAs第二衬底上依次淀积低温AlGaAs缓冲层、N型GaAs、量子阱层、电子阻挡层、P型GaAs、GaP窗口层，得到外延片，并将外延层进行背面减薄。
[0018]可选的，步骤2中，在外延片的表面制作P面电极及N面电极作为电极层，再切割出管芯产品，具体为：
[0019]在GaP窗口层的表面制作P面电极，在减薄后的GaAs第二衬底的背面蒸镀Au金属层，制作N面电极，再切割出管芯产品。
[0020]可选的，步骤3中，在电极层的顶部生长布拉格反射镜，用作顶部反射，在布拉格反射镜顶部沉积200nm间隔层，并清洗器件，且保证顶部间隔层的平整度，在间隔层上旋涂厚度为180nm的HSQ胶进行光刻，通过电子光束光刻集成超结构单元层，完毕后，使用BOE溶液快速浸蚀去除HSQ胶，具体为：
[0021]在P面电极的顶部生长AlGaAs材料布拉格反射镜，其中，AlGaAs材料布拉格反射镜由AlxGa1
‑
xAs层与GaAs层交替生长组成，0≤x≤1，AlxGa1
‑
xAs层与GaAs层的对数为5
‑
30对，当x为1时，所述布拉格反射镜中AlxGa1
‑
xAs层与GaAs层的对数为10对，选择82.2nm的AlAs和68.6nm的GaAs,在AlGaAs材料布拉格反射镜的顶部沉积200nmGaAs间隔层，清洗器件，并保证顶部GaAs间隔层的平整度，在GaAs间隔层上旋涂厚度为180nm的HSQ胶进行光刻，使用加速电压为100kV、曝光剂量为5000μC/cm2的电子束光刻系统曝光形成超构表面图案，通过反应离子刻蚀和电感耦合离子刻蚀工艺，控制刻蚀时间及气体配比使纳米柱刻蚀深度控制在650nm，完成后，使用BOE溶液快速浸蚀去除HSQ胶。
[0022]可选的，步骤1中，在第二衬底上依次淀积缓冲层、N型限制层、量子阱层、电子阻挡层、P型限制层、窗口层以获得外延片，并将外延层进行背面减薄，具体为：
[0023]利用MOCVD法在蓝宝石衬底上依次淀积低温GaN缓冲层、N型GaN、InGaN/GaN复合量子阱层、电子阻挡层、P型GaN、窗口层，由此得到GaN基外延片，并将外延层进行背面减薄。
[0024]可选的，步骤2中，在外延片的表面制作P面电极及N面电极作为电极层，再切割出管芯产品，具体为：
[0025]从窗口层向下切割直至InGaN/GaN复合量子阱层的下方，露出N型限制层制备N电
极，窗口层顶部制备P电极，并利用磁控溅射法在P型GaN限制层上蒸镀ITO透明导电欧姆接触层。
[0026]可选的，步骤3中，在电极层的顶部生长布拉格反射镜，用作顶部反射，在布拉格反射镜顶部沉积200nm间隔层，并清洗器件，且保证顶部间隔层的平整度，在间隔层上旋涂厚度为180nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发射光可调控的超表面集成式LED装置，其特征在于，由下至上包括：第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层，所述第一反射层为金属反射层，所述第二反射层为布拉格反射镜；第一衬底、键合金属层、第一反射层、外延片、电极层、第二反射层、间隔层及超结构单元层均垂直于从所述LED发射的光的传播平面；所述外延片由下至上包括：第二衬底、缓冲层、N型限制层、复合量子阱层、电子阻挡层、P型限制层及窗口层。2.根据权利要求1所述的发射光可调控的超表面集成式LED装置，其特征在于，所述超结构单元层包括多个纳米柱，多个所述纳米柱呈阵列状排列，所选纳米柱周期固定为260nm。3.根据权利要求1所述的发射光可调控的超表面集成式LED装置，其特征在于，所述LED的第二衬底为GaAs第二衬底、GaN第二衬底或GaP第二衬底；所述布拉格反射镜为AlGaAs材料布拉格反射镜或AlGaInN材料布拉格反射镜。4.一种发射光可调控的超表面集成式LED制备方法，用于制备权利要求1
‑
3任一所述的发射光可调控的超表面集成式LED装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在第二衬底上依次淀积缓冲层、N型限制层、量子阱层、电子阻挡层、P型限制层、窗口层以获得外延片，并将外延层进行背面减薄；步骤2：在外延片的表面制作P面电极及N面电极作为电极层，再切割出管芯产品；步骤3：对于导电性不好的外延片，蒸镀导电欧姆接触层，对于其他外延片，在外延片顶部交替生长由高折射率膜和低折射率膜组成的布拉格反射镜，用作顶部反射，在布拉格反射镜顶部沉积200nm间隔层，并清洗器件，且保证顶部间隔层的平整度，在间隔层上旋涂厚度为180nm的HSQ胶进行光刻，通过电子光束光刻集成超结构单元层，完毕后，使用BOE溶液快速浸蚀去除HSQ胶。5.根据权利要求4所述的一种发射光可调控的超表面集成式LED制备方法，其特征在于，步骤1中，在第二衬底上依次淀积缓冲层、N型限制层、量子阱层、电子阻挡层、P型限制层、窗口层以获得外延片，并将外延层进行背面减薄，具体为：利用MOCVD法在GaAs第二衬底上依次淀积低温AlGaAs缓冲层、N型GaAs、量子阱层、电子阻挡层、P型GaAs、GaP窗口层，得到外延片，并将外延层进行背面减薄。6.根据权利要求5所述的一种发射光可调控的超表面集成式LED制备方法，其特征在于，步骤2中，在外延片的表面制作P面电极及N面电极作为电极层，再切割出管芯产品，具体为：在GaP窗口层的表面制作P面电极，在减薄后的GaAs第二衬底的背面蒸镀Au金属层，制作N面电极，再切割出管芯产品。7.根据权利要求6所述的一种发射光可调控的超表面集成式LED制备方法，其特征在于，步骤3中，在电极层的顶部生长布拉格反射镜，用作顶部反射，在布拉格反射镜顶部沉积200nm间隔层，并清洗器件，且保证顶部间隔层的平整度，在间隔层上旋涂厚度为180nm的HSQ胶进行光刻，通过电子光束光刻集成超结构单元层，完毕后，使用BOE溶液快速浸蚀去除HSQ胶，具体为：在P面电极的顶部生长AlGaAs材料布拉格反射镜，其中，AlGaAs材料布拉格反射镜由
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【专利技术属性】
技术研发人员：解意洋，赵晓瑞，徐晨，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：