半导体光电子器件的制作方法

摘要

本发明公开了一种半导体光电子器件的制作方法，所述制作方法包括在衬底上生长形成光电子器件结构的步骤，所述光电子器件结构包括N型层、有源区发光层及P型层；以及还包括：在所述光电子器件结构上设置掩模，并利用所述掩模对所述N型层、有源区发光层及P型层中的任一者或多种进行离子注入，从而调控所述光电子器件结构的出光区域的面积和/或形状。本发明提供的半导体光电子器件的制作方法，能够兼顾到提高芯片有效使用面积、降低材料侧壁损伤效应、消除器件光串扰问题、提升器件发光效率等；在实际生产中通过改变掩膜尺寸可以精确调节高阻态隔离区域的间距，从而灵活定义芯片的特征尺寸，实现数微米至数百微米尺寸的器件制备。

权利要求

1.一种半导体光电子器件的制作方法，包括在衬底上生长形成光电子器件结构的步骤，所述光电子器件结构包括N型层、有源区发光层及P型层；其特征在于还包括：在所述光电子器件结构上设置掩模，并利用所述掩模对所述N型层、有源区发光层及P型层中的任一者或多种进行离子注入，从而调控所述光电子器件结构的出光区域的面积和/或形状，在所述离子注入过程中，使所述光电子器件结构上与注入离子接触的部分或全部区域形成高阻态的注入隔离区域，所述注入隔离区域合围形成所述的出光区域，其中，所述注入隔离区域包括第一隔离注入区域、第二注入隔离区域和第三隔离注入区域，所述第一注入隔离区域连续贯穿所述P型层及有源区发光层并到达N型层，所述第二注入隔离区域连续贯穿所述P型层、有源区发光层及N型层，所述第三注入隔离区域连续贯穿所述P型层、有源区发光层、N型层以及衬底；

在所述注入隔离区域内进行二次离子注入或者在相邻半导体光电子器件的两个注入隔离区域之间进行离子注入形成离子注入阻隔层；

以及，在所述离子注入过程中，使所述光电子器件结构上与注入离子接触区域的部分或全部区域形成注入掺杂区域，所述注入掺杂区域连续贯穿所述P型层及有源区发光层并到达N型层，从而形成N型导电台面；

其中，在所述离子注入过程中，至少通过独立调节注入离子的能量和/或剂量以控制离子注入区域的深度和宽度。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：形成注入掺杂区域的注入离子包括硅离子。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：形成注入隔离区域和离子注入阻隔层的注入离子包括氢离子、氦离子、氮离子、氟离子中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述出光区域的面积被控制为微米量级。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述掩模的材质包括光刻胶、二氧化硅、氮化硅、金属中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于还包括：制作与所述光电子器件结构的P型层、N型层配合的电极的步骤。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述光电子器件结构包括缓冲层、高阻层、N型层、有源区发光层和P型层。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述衬底的材质包括蓝宝石、氮化镓、碳化硅和硅中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述半导体光电子器件包括VCSEL、SLD、LED器件中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述半导体光电子器件的结构包括正装结构、倒装结构和垂直结构中的任意一种。

说明书

半导体光电子器件的制作方法

技术领域

[0001] 本发明特别涉及一种半导体光电子器件的制作方法，属于半导体器件制备技术领域。

背景技术

[0002] 半导体光电子器件领域中的发光二极管微缩化和矩阵化技术(Micro‑LED)是指集成在同一个芯片上、点间距低至微米量级的高密度小尺寸LED阵列显示技术，即是将可单独
驱动点亮的定址LED作为独立控制的红、绿和蓝色子像素，形成具有高速、高对比度和宽视
角特性的显示系统。相比于LCD和OLED显示技术，Micro‑LED具有材料性质稳定、解析度与色
彩饱和度高、响应时间短、无影像烙印、光学系统简单、功耗低、耐用性强等优点，因此，
Micro‑LED势必会发展成为新一代显示技术。

[0003] 目前，Micro‑LED主流技术路线是利用微缩制程技术将传统毫米级LED芯片微缩制备成数十微米甚至更小尺寸的微型LED芯片，然后结合巨量并行转移技术(Massively 
parallel transfer)或者单片阵列集成技术(Arrays monolithic integration)实现RGB
全彩色图像显示。通常，微缩制程工艺中的干法刻蚀(RIE、ECR、ICP)造成的侧壁刻蚀损伤会
严重制约Micro‑LED的芯片性能，高能刻蚀粒子会轰击材料晶格并在材料表面形成缺陷悬
挂键，同时刻蚀粒子还会注入到材料内部，所导致的侧壁损伤效应会向芯片内部延伸数μm
的距离，极大降低了Micro‑LED器件的可使用面积，例如：侧壁损伤效应导致5μmx5μm 
Micro‑LED的可用面积仅约为芯片总尺寸的4％。同时，芯片侧壁损伤缺陷会在材料内部形
成充当非辐射复合中心的深能级，大大增加器件非辐射复合速率，使得Micro‑LED的峰值发
光效率通常低于10％，这导致数十微米量级的Micro‑LED目前尚不具备低功耗优势。另外，
随着Micro‑LED器件尺寸和相邻间距的降低，横向的光束扩展会造成相邻器件之间严重的
光串扰问题，极大的影响了Micro‑LED器件的色彩均匀性和解析度，导致色彩失真。

[0004] 现有的Micro‑LED芯片结构及其制造技术仍然不能使Micro‑LED达到商用化的要求。因此，针对Micro‑LED制备过程中的侧壁损伤效应以及器件光串扰问题，本发明提出一
种通过离子注入实现Micro‑LED的新型制备方法。

发明内容

[0005] 针对Micro‑LED材料侧壁损伤效应和器件光串扰的实际问题，本发明的主要目的在于提供一种半导体光电子器件的制作方法，以克服现有技术的不足。

[0006] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

[0007] 本发明实施例提供了一种半导体光电子器件的制作方法，包括在衬底上生长形成光电子器件结构的步骤，所述光电子器件结构包括N型层、有源区发光层及P型层；以及还包
括：在所述光电子器件结构上设置掩模，并利用所述掩模对所述N型层、有源区发光层及P型
层中的任一者或多种进行离子注入，从而调控所述光电子器件结构的出光区域的面积和/
或形状。

[0008] 与现有技术相比，本发明提供的半导体光电子器件的制作方法，工艺简单可靠、与现有工艺技术兼容，能够兼顾到提高芯片有效使用面积、降低材料侧壁损伤效应、消除器件
光串扰问题、提升器件发光效率等；在实际生产中通过改变掩膜尺寸可以精确调节高阻态
隔离区域的间距，从而灵活定义芯片的特征尺寸，实现数微米至数百微米尺寸的器件制备。

附图说明

[0009] 图1是本发明实施例1中一种半导体光电子器件的制作方法中离子注入区域的分布示意图；

[0010] 图2是本发明实施例1中一种半导体光电子器件的制作方法步骤二中形成的器件结构示意图

[0011] 图3是本发明实施例1中一种半导体光电子器件的制作方法步骤四中形成的器件结构示意图

[0012] 图4是本发明实施例1中一种半导体光电子器件的制作方法步骤五中形成的器件结构示意图

[0013] 图5是本发明实施例1中制作形成的半导体光电子器件的结构示意图；

[0014] 图6是本发明实施例2中一种半导体光电子器件的制作方法中离子注入区域的分布示意图；

[0015] 图7是本发明实施例2中制作形成的半导体光电子器件的结构示意图；

[0016] 图8是本发明实施例3中一种半导体光电子器件的制作方法中离子注入区域的分布示意图；

[0017] 图9是本发明实施例3中制作形成的半导体光电子器件的结构示意图；

[0018] 图10是本发明实施例4中一种半导体光电子器件的制作方法中离子注入区域的分布示意图；

[0019] 图11是本发明实施例4中一种半导体光电子器件的制作方法中离子注入区域的分布示意图；

[0020] 图12是本发明实施例4中制作形成的半导体光电子器件的结构示意图。

具体实施方式

[0021] 鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

[0022] 本发明实施例提供了一种半导体光电子器件的制作方法，包括在衬底上生长形成光电子器件结构的步骤，所述光电子器件结构包括N型层、有源区发光层及P型层；以及还包
括：在所述光电子器件结构上设置掩模，并利用所述掩模对所述N型层、有源区发光层及P型
层中的任一者或多种进行离子注入，从而调控所述光电子器件结构的出光区域的面积和/
或形状。

[0023] 进一步的，所述的制作方法包括：在所述离子注入过程中，至少通过独立调节注入离子的能量和/或剂量以控制离子注入区域的深度和宽度。

[0024] 进一步的，所述的制作方法包括：在所述离子注入过程中，使所述光电子器件结构上与注入离子接触的部分或全部区域形成高阻态的注入隔离区域，所述注入隔离区域合围
形成所述的出光区域。

[0025] 在一些较为具体的实施方案中，所述注入隔离区域包括第一隔离注入区域和第二注入隔离区域，所述第一注入隔离区域连续贯穿所述P型层及有源区发光层并到达N型层，
所述第二注入隔离区域连续贯穿所述P型层、有源区发光层及N型层。

[0026] 进一步的，所述的制作方法包括：在所述离子注入过程中，使所述光电子器件结构上与注入离子接触区域的部分或全部区域形成注入掺杂区域，所述注入掺杂区域连续贯穿
所述P型层及有源区发光层并到达N型层，从而形成N型导电台面。

[0027] 进一步的，形成注入掺杂区域的注入离子包括硅离子，但不限于此。

[0028] 在一些较为具体的实施方案中，所述注入隔离区域包括第三隔离注入区域，所述第三注入隔离区域连续贯穿所述P型层、有源区发光层、N型层以及衬底。

[0029] 进一步的，所述的制作方法还包括：在所述注入隔离区域内进行二次离子注入或者在相邻半导体光电子器件的两个注入隔离区域之间进行离子注入形成离子注入阻隔层。

[0030] 进一步的，形成注入隔离区域和离子注入阻隔层的注入离子包括氢离子、氦离子、氮离子、氟离子中的任意一种，但不限于此。

[0031] 进一步的，所述出光区域的面积被控制为微米量级。

[0032] 进一步的，所述掩模的材质包括光刻胶、二氧化硅、氮化硅、金属中的任意一种，但不限于此。

[0033] 进一步的，所述的制作方法还包括制作与所述光电子器件结构的P型层、N型层配合的电极的步骤。

[0034] 进一步的，所述光电子器件结构包括缓冲层、高阻层、N型层、有源区发光层和P型层。

[0035] 进一步的，所述衬底的材质包括蓝宝石、氮化镓、碳化硅和硅中的任意一种，但不限于此。

[0036] 进一步的，所述半导体光电子器件包括Micro‑LED、VCSEL、SLD、LED器件中的任意一种，但不限于此。

[0037] 进一步的，所述半导体光电子器件的结构包括正装结构、倒装结构和垂直结构中的任意一种，但不限于此。

[0038] 如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

[0039] 本发明实施例提供的半导体光电子器件的制作方法通过金属有机物化学气相沉积法在不同衬底材料上外延生长LED结构，并采用离子注入的方法取代传统干法刻蚀工艺，
同时，通过独立调节不同注入离子的能量和剂量精确控制离子注入区域的深度，实现半导
体光电子器件的离子注入隔离和注入掺杂。

[0040] 本发明实施例提供的半导体光电子器件的制作方法采用离子注入隔离和掺杂工艺取代传统制程中的台面隔离、N导电台面等刻蚀工艺，离子注入具有的大面积掺杂均匀
性、高度方向性、低横向效应等特性避免了对芯片造成刻蚀损伤，从而显著增加芯片的有效
使用面积，并提高芯片峰值发光效率，同时，进一步采用离子注入阻隔层避免相邻器件之间
的光串扰。

[0041] 本发明实施例通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态隔离区域，并根据LED外延结构的实际厚度调整高阻态隔离区域的深度，可以将其用于器件之间的相互隔离，同时
还可用于P型层材料、有源区发光层材料与N型导电台面之间的隔离。

[0042] 本发明实施例提供的半导体光电子器件的制作方法中的离子注入工艺还可以挑选合适的离子源进行N型或P型掺杂，本发明中通过硅离子注入形成高电导区域(即注入掺
杂区域)，并根据LED外延结构的实际厚度调整高电导区域的深度，形成N型导电台面。

[0043] 由于离子注入工艺温度低，可以选择光刻胶、介质(二氧化硅、氮化硅等)或金属(例如铝等)作为离子注入的掩膜，这为半导体光电子器件制备中的自对准掩蔽技术提供了
极大的灵活性，因此在实际生产中通过改变掩膜尺寸可以精确调节高阻态隔离区域的间
距，从而灵活定义芯片的特征尺寸，实现数微米至数百微米尺寸的器件制备。

[0044] 本发明实施例采用离子注入阻隔层避免相邻半导体光电子器件之间的光串扰，离子注入阻隔层可通过对注入隔离层进行共同离子注入实现，也可以在相邻器件注入隔离层
之间的区域通过离子注入实现，离子注入阻隔层能有效避免横向的光束扩展，从而消除相
邻器件之间的光串扰问题并极大提升半导体光电子器件的色彩均匀性和解析度。

[0045] 进一步地，本发明实施例通过调整注入离子的类型以及注入的先后次序，适合于基于不同衬底的正装结构、倒装结构和垂直结构的高性能芯片制备，非常有利于半导体光
电子器件的产业化制备。

[0046] 如下基于一种半导体光电子器件的制作方法，给出如下三个实施例。

[0047] 生产设备、材料：

[0048] 1、行星盘式2英寸11片，金属有机物化学气相淀积(MOCVD)制备系统，用于制备Micro‑LED、发光二极管、超辐射发光二极管、垂直腔面发生激光器等半导体光电子器件；

[0049] 2、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)以及磁控溅射用于制备离子注入工艺所需要的掩膜材料；

[0050] 3、离子注入机用于进行氢、氦、氮、氟、硅等元素的离子注入。

[0051] 实施例1：Micro‑LED正装结构

[0052] 请参阅参照图1‑5，一种基于离子注入的Micro‑LED芯片正装结构具体制备工艺步骤如下：

[0053] 步骤一：在蓝宝石衬底材料上利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)依次外延生长缓冲成核层材料、N型层材料、有源区发光层材料和P型层材料，形成LED结构；

[0054] 步骤二：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的注入隔离区域1，调整注入离子的能量和剂量以
精确控制离子注入深度，使注入隔离区域1贯通P型层、有源区发光层，达到进入N型层材料；

[0055] 步骤三：进一步对离子注入隔离区域1进行二次离子注入，形成器件的离子注入阻隔层；

[0056] 步骤四：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过Si离子注入形成注入掺杂区域2，调整注入离子的能量和剂量以精确控制离子注入深度，
使注入掺杂区域2贯通P型层、有源区发光层材料，达到进入N型层材料，形成N型导电台面；

[0057] 步骤五：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的注入隔离区域3，调整注入离子的能量和剂量以
精确控制离子注入深度，使注入隔离区域3深度达到进入蓝宝石衬底，形成对LED器件的隔
离；

[0058] 步骤六：进一步对离子注入隔离区域3进行二次离子注入，形成器件的离子注入阻隔层；

[0059] 步骤七：通过电子束蒸发工艺分别形成N、P电极金属，进行快速热退火形成欧姆接触，完成Micro‑LED器件制备。

[0060] 实施例2：Micro‑LED正装结构

[0061] 请参照图6‑7，一种基于离子注入的Micro‑LED芯片正装结构具体制备工艺步骤如下：

[0062] 步骤一：在蓝宝石衬底上利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)依次外延生长缓冲成核层材料、高阻层材料、N型层材料、有源区发光层和P型层材料，形成LED结构；

[0063] 步骤二：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的注入隔离区域4，调整注入离子的能量和剂量以
精确控制离子注入深度，使注入隔离区域4贯通P型层、有源区发光层材料，达到进入N型层
材料；

[0064] 步骤三：进一步对离子注入隔离区域4进行二次离子注入，形成LED器件的离子注入阻隔层；

[0065] 步骤四：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过Si离子注入形成注入掺杂区域5，调整注入离子的能量和剂量以精确控制离子注入深度，
使注入掺杂区域5贯通P型层、有源区发光层材料，达到进入N型层材料，形成N型导电台面；

[0066] 步骤五：利用光刻胶(或二氧化硅、氮化硅、金属铝等)掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的离子注入隔离区域7，调整注入离子的能量和剂
量以精确控制离子注入深度，使注入隔离区域6深度达到进入高阻层，形成对LED器件的隔
离；

[0067] 步骤六：进一步对离子注入隔离区域6进行二次离子注入，形成器件的离子注入阻隔层；

[0068] 步骤七：通过电子束蒸发工艺分别形成N、P电极金属，进行快速热退火形成欧姆接触，完成Micro‑LED器件制备。

[0069] 实施例3：Micro‑LED垂直结构

[0070] 请参照图8‑9，基于离子注入的Micro‑LED芯片垂直结构具体制备工艺步骤如下：

[0071] 步骤一：在GaN或SiC衬底上利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)依次外延生长N型层材料、有源区发光层和P型层材料，形成LED结构；

[0072] 步骤二：利用光刻胶掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的离子注入隔离区域7，调整注入离子的能量和剂量以精确控制离子注入深度，使注
入隔离区域7深度完全贯穿GaN或SiC衬底，形成对LED器件的隔离；

[0073] 步骤三：进一步对离子注入隔离区域7进行二次离子注入，形成器件的离子注入阻隔层；

[0074] 步骤四：通过电子束蒸发工艺分别形成N、P电极金属，进行快速热退火形成欧姆接触，完成Micro‑LED器件制备。

[0075] 实施例4：Micro‑LED倒装结构

[0076] 请参照图10‑12，一种基于离子注入的Micro‑LED芯片倒装结构具体制备工艺步骤如下：

[0077] 步骤一：在蓝宝石衬底上利用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)依次外延生长N型层材料、有源区发光层和P型层材料，形成LED结构，然后通过剥离技术去除蓝宝石衬底并减
薄N型层材料；

[0078] 步骤二：利用光刻胶掩膜定义离子注入区域，通过氢(或氦、氮、氟)离子注入形成高阻态的离子注入隔离区域8，调整注入离子的能量和剂量以精确控制离子注入深度，使注
入隔离区域8深度完全贯穿N型层材料，形成对LED器件的隔离；

[0079] 步骤三：进一步对离子注入隔离区域8进行二次离子注入，形成器件的离子注入阻隔层；

[0080] 步骤四：通过电子束蒸发工艺分别形成N、P电极金属，进行快速热退火形成欧姆接触，完成Micro‑LED器件制备。

[0081] 由实施例1‑4可见，利用离子注入的方法可以完全避免传统的台面隔离、N台面形成过程中的刻蚀工艺对芯片造成侧壁刻蚀损伤，从而显著增加芯片的有效使用面积，并提
高芯片的峰值发光效率，同时，利用离子注入方法形成的阻隔层可以有效吸收横向的光传
播，有效消除了半导体光电子器件的光串扰问题。

[0082] 本发明实施例采用的离子注入隔离、掺杂及阻隔工艺，不只限应用于Micro‑LED，也可以应用于III族氮化物其它发光器件，比如发光二级管，超辐射发光二极管，垂直腔面
发生激光器等。进一步地，本发明通过调整注入离子的类型以及注入次序，适合于基于不同
衬底的正装结构、倒装结构和垂直结构的高性能芯片制备，有利于半导体光电子器件的产
业化制备。

[0083] 本发明的工艺简单可靠、与现有工艺技术兼容，能够兼具提高芯片有效使用面积、降低材料侧壁损伤效应、消除器件光串扰问题、提升器件发光效率等优点。

[0084] 应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡
根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。