CN103199164B - 一种具有dbr高反射结构的紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN基DBR高反射紫外发光二极管及制作方法。该紫外发光二极管依次包括：衬底、AlN成核层、n型AlGaN势垒层、有源区、p型AlGaN势垒层和p型GaN冒层；其中，所述p型AlGaN势垒层上制作有DBR高反射结构。本发明提出的紫外发光二极管中被p型GaN冒层吸收的光线经过所述DBR高反射结构反射后，由底部发出，极大的提高了出射光的功率和效率。本发明提出的上述其外发光二极管器件及其制作方法工艺简单，重复性好，可靠性高，可用于空气/水净化，医疗，生物医学，白光照明以及空间通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是具有共振高反射膜的紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料作为第三代半导体材料的杰出代表，具有很多优良的特性，尤其是在光学应用方面，由Ga、Al、In、N组成的合金{Ga(Al，In)N}可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。而且纤铸矿结构的III族氮化物都是直接带隙，非常适合于光电子器件的应用。特别是在紫外光区，AlGaN基多量子阱的紫外LED已显示出巨大的优势，成为目前紫外光电器件研制的热点之一。然而，随着LED发光波长的变短，GaN基LED有源层中Al组分越来越高，高质量AlGaN材料的制备具有很大难度，AlGaN材料造成UV-LED的外量子效率和光功率都很低，成为了UV-LED发展的瓶颈，是当前急需解决的问题。
AlGaN基多量子阱UV-LED器件具有广阔的应用前景。紫外光在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、空气与水净化、医疗与生物医学、白光照明以及军事探测、空间保密通信等领域都有重大应用价值。
由于p型AlGaN层难以形成良好的欧姆接触，提供良好的空穴注入效率，因此在p型层一侧多采用p-GaN层制作p型欧姆接触，以提高p型层的空穴注入效率。但由于p-GaN层对紫外光(200nm-365nm)的强吸收和较低的反射率，使量子阱向p型层一侧辐射的光被p-GaN层吸收，从而不能被提取出来，造成较低的光提取效率和光辐射功率损失严重。虽然银反射镜对蓝光的反射率达到90％以上，但是对200nm-365nm波段的紫外光的反射率较低(＜10％)。未被提取的光大部分被吸收转换成热量，使器件温度上升，严重影响器件的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的问题是紫外发光二极管背面出光结构中出光效率低的问题，并且具有优化紫外发光二极管的输出波形和光场分布的效果。为此本发明提出了一种具有DBR高反射结构的紫外发光二极管装置及其制作方法，该紫外发光二极管可制作成倒装结构、倒装薄膜或垂直结构，通过将部分p-GaN冒层刻蚀掉，并制作具有高反射率的分布式布拉格反射(DBR)多层膜结构来提高发光二极管的光提取效率。
本发明提出的具有DBR高反射结构的紫外发光二极管装置，其依次包括：衬底(11)、AlN成核层(12)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、p型AlGaN势垒层(15)和p型GaN冒层(16)；其中，所述p型AlGaN势垒层(15)上制作有DBR高反射结构(19)，用于将光反射后从器件底部发射出去。
本发明提出的具有DBR反射结构的紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，并且保留一部分p型GaN冒层(16)未被刻蚀；
步骤4、在所述反射窗口区交替生长一定厚度的两种高、低折射率材料，构成DBR高反射结构(19)；
步骤5、在所述n型AlGaN台面上制作n型欧姆接触电极(17)；
步骤6、在所述保留的一部分p型GaN冒层(16)上制作p型电极，完成所述紫外发光二极管装置的制作。
本发明提出的具有DBR反射结构的紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在所述n型AlGaN台面上制作n型欧姆接触电极(17)；
步骤4、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)的一部分上制作p型电极；
步骤5、在未制作p型电极的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，并且保留一部分p型GaN冒层(16)未被刻蚀；
步骤6、在所述反射窗口区交替生长一定厚度的两种高、低折射率材料，构成DBR高反射结构(19)，完成所述紫外发光二极管装置的制作。本发明公开的上述紫外发光二极管装置及其制作方法，利用分布式布拉格反射(DBR)多层膜堆叠的周期结构，对紫外发光二极管(UV-LED)有源区辐射电磁波的中心波长有共振加强作用，对波长具有选择性，可起到优化LED辐射波形以及光场分布的作用，实现紫外发光二极管的宽度窄、强度高、准直性好的光输出；本发明还通过设计有源区的位置，优选在UV-LED辐射中心波长的反节点位置，可诱导有源区中的载流子辐射复合，提高有源区的辐射复合效率，提高内量子效率，进而达到提高UV-LED总的辐射效率的目的。
同时，在未刻蚀的p-GaN层上制作p型欧姆接触电极，使器件既具有良好的欧姆接触性能，又具有较高的紫外反射率，从而保证紫外发光二极管的较好的电学性能的条件下，提高发光二极管的光提取效率。
附图说明
图1为本发明优选实施例中紫外发光二极管的截面结构示意图；
图2为本发明优选实施例中紫外发光二极管外延结构示意图；
图3为本发明优选实施例中紫外发光二极管电极的第一种制作方法流程图；
图4为本发明优选实施例中紫外发光二极管电极的第二种制作方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明公开了一种具有DBR高反射结构的紫外发光二极管及其制备方法。
图1示出了本发明优选实施例中具有DBR高反射结构的AlGaN基紫外发光二极管的截面和俯视结构示意图。如图1所示，所述AlGaN基紫外发光二极管包括：
衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、SiC或AlN；
AlN成核层12，其采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)的方法生长在衬底11上，AlN成核层12分为两层。第一层是低温成核层121，其生长温度550℃-650℃，优选为600℃，厚度为20-100nm，优选为50nm；第二层是高温模板层122，其生长温度为1100℃-1250℃，优选为1200℃，其厚度为500-5000nm，优选为1200nm；其中，所述低温成核层121生长在所述衬底11上，而高温模板层122生长在所述低温成核层121上；
n型AlGaN势垒层13，其采用MOCVD法生长在所述AlN成核层12的高温模板层122上，其厚度为1-5μm，优选为3μm；
具有一个或多个量子阱的有源区14，其采用MOCVD法生长在所述n型AlGaN层13上，其材料为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，其中0≤x＜y≤1，单层量子阱和量子垒的厚度分别是1-6nm/7-20nm，优选3nm/10nm，包含1-10个量子阱，优选为5；所述有源区14中的一个或多个量子阱用于提供能量以激发该紫外发光二极管装置的辐射输出。
p型AlGaN势垒层15，其采用MOCVD法生长在所述有源区14上，所述p型AlGaN势垒层15分为两层，第一层为高Al组分p型AlGaN层151，其制作在有源区14的顶部，第二层为低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152，其制作在高Al组分p型AlGaN层151的顶部；p型AlGaN势垒层15的Al组分含量均高于有源区14中势阱AlGaN的Al组分含量，总厚度要求大于0.5λ，最好在40-1000nm之间，优选为70nm，λ为所述紫外发光二极管辐射的中心波长；
p型GaN冒层16，其采用MOCVD法生长在p型AlGaN势垒层15的低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152上，其材料为GaN，其厚度为100nm-4000nm，优选为200nm，其空穴浓度为5×1017cm-3-1019cm-3，优选为8×1018cm-3；
n型欧姆接触电极17，其采用真空蒸发或者溅射的方式制作在n型AlGaN势垒层13上。其中，在制作n型欧姆接触电极17前，需要通过台面工艺从p型GaN冒层正面选择台面区域刻蚀到n型AlGaN势垒层13中，并将所述n型欧姆接触电极17制作在所刻蚀出的n型AlGaN势垒层台面上；要求刻蚀后的n型AlGaN势垒层台面低于n型AlGaN势垒层13顶部/有源区14的底部100nm-4000nm，优选800nm，并要求n型欧姆接触电极17与台面刻蚀形成的侧壁中间保持一段距离，通常为5-100μm，优选15μm；所述n型欧姆接触电极17选用金属制成，可以为Ti/Al/Ti/Au，Ti/Al/Pt/Au，V/Al/V/Au，Ti/Al/Ni/Au中的一种，厚度为200-600nm，退火条件为：退火温度450℃-950℃，退火时间20s-120s，空气或N2气氛；优选地，其厚度为200nm/600nm/200nm/1000nm，退火条件为800℃，60s；
p型欧姆接触层18，其采用蒸发或者溅射的方式制作在p型GaN冒层16上。所述p型欧姆接触层18选用金属制成，可以为Ni/Ag，Ni/Au中的一种，厚度为5-20nm/5-40nm，退火条件为退火温度400℃-600℃，退火时间20-120s，空气或N2气氛；优选的Ni/Au，其厚度为50nm/100nm，退火条件为550℃，60s；
DBR高反射结构19，其采用蒸发或者溅射的方式制作在反射窗口区的低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152上。具体为：在制作所述DBR高反射结构19时，首先对p型GaN冒层16的部分区域进行刻蚀，得到任意形状的p型AlGaN势垒层15反射窗口区域，然后在该区域制作DBR高反射结构19。所述DBR高反射结构19为高、低折射率材料交替生长而成的多层膜结构，其采用的材料体系为HfO2/SiO2、ZrO2/SiO2和Y2O3/SiO2中的一种，但并不仅限于以上几种材料组合，每层材料的厚度为0.25λ；其可以为3-20对周期结构，其制作在低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152表面或其中。为了得到更好的反射效果，所述DBR高反射结构19在低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152表面或其中制作时，第一层和最后一层材料为所选两种材料中的高折射率材料；如对于5个周期、材料选用HfO2/SiO2的DBR高反射结构，在波长为200-360nm的电磁波辐射范围内，HfO2为高折射率材料，SiO2为低折射率材料，则该DBR高反射结构的具体设计如下：HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2，每层材料的厚度均为0.25λ。
同时，DBR高反射结构19的底部与有源区14的顶部距离为大于等于0.5λ的任意距离。为了达到对有源区14中载流子辐射复合的更好激励效果，优选DBR高反射结构19的底部与有源区14的顶部距离约等于0.5λ的整数倍，最好使得有源区14处于所述紫外发光二极管共振电磁波的反节点处，优选地，所述DBR高反射结构19的底部与有源区14的顶部距离为0.5λ和1λ。据此，要求在刻蚀窗口区时，窗口区的底部可以在低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152的表面或其中，以满足DBR高反射结构19的底部/窗口区的底部与有源区14的顶部距离约等于0.5λ的整数倍。
所述紫外发光二极管中被p型GaN冒层吸收的光线经过所述DBR高反射结构19反射后，由底部发出，极大的提高了出射光的功率和效率。
图2示出了本发明中优选实施例中AlGaN基DBR高反射紫外发光二极管的外延结构示意图。如图2所示，所述外延结构包括：衬底11、AlN成核层12、n型AlGaN势垒层13、有源区14、p型AlGaN势垒层15和p型GaN冒层16。
本发明还公开了一种具有DBR高反射结构的AlGaN基紫外发光二极管的制作方法。
图3示出了本发明一优选实施例中所述AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置在制作过程中结构变化流程图。如图3所示，所述AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置的制作方法，包括以下步骤：
步骤A、生长外延结构。
在衬底11上，利用MOCVD工艺，按照自下而上的顺序生长低温AlN成核层121、高温AlN模板层122、n型AlGaN势垒层13、有源区14、高Al组分p型AlGaN势垒层151、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152、p型GaN冒层16，完成所述紫外发光二极管装置外延结构的制作，所述外延结构如图2所示；其中，所述衬底11为蓝宝石衬底。
步骤B、制作DBR高反射结构19。
(B1)采用ICP或者RIE工艺从顶部将p型GaN冒层16两边的部分刻蚀至n型AlGaN势垒层13中，形成n型AlGaN台面；其中，所刻蚀后的n型AlGaN台面低于n型AlGaN势垒层13顶部/有源区14的底部100nm-4000nm，优选800nm；
(B2)在未被刻蚀的p型GaN冒层16上光刻任意形状的反射窗口区，再采用氯基ICP工艺刻蚀反射窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152的表面或表面以下，形成任意形状的反射窗口，并满足所述反射窗口的底部与有源区14顶部的距离为0.5λ的整数倍；其中所述反射窗口在未被刻蚀的p型GaN冒层16上的相对位置和窗口形状可任意选择，并需要保留一部分p型GaN冒层16仍未被刻蚀，以便于后期在保留的p型GaN冒层16顶部制作p型电极；
(B3)在所述反射窗口采用蒸发镀膜、溅射镀膜的方式交替生长0.25λ厚度的两种高低折射率材料组合的多层膜，构成四分之一波长DBR高反射结构19；为了得到更好的反射效果，优选DBR高反射结构19的第一层和最后一层材料为所选两种材料中的高折射率材料，如5个周期的HfO2/SiO2DBR高反射结构，在紫外有源区辐射的200-360nm波长范围内，HfO2的折射率大于SiO2的折射率，则该DBR高反射结构具体为：HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2。
步骤C、制作电极：
(C1)在所述n型AlGaN台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型欧姆接触电极17；所述n型欧姆接触电极17与台面刻蚀形成的侧壁中间保持一段距离，通常为5-100μm，优选15μm；
(C2)在未被刻蚀的p型GaN冒层16顶部光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属层18，形成p型电极。
图4示出了本发明另一优选实施例中所述AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置在制作过程中的结构变化流程图。
步骤A、生长外延结构。
在衬底11上，利用MOCVD工艺，按照自下而上的顺序生长低温AlN成核层121、高温AlN模板层122、n型AlGaN势垒层13、有源区14、高Al组分p型AlGaN势垒层151、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152、p型GaN冒层16，完成所述紫外发光二极管装置外延结构的制作，所述外延结构如图2所示；其中，所述衬底11为蓝宝石衬底。
步骤B、制作电极，具体包括：
(B1)采用ICP或者RIE工艺从顶部将p型GaN冒层16两边的部分刻蚀至n型AlGaN势垒层13中，形成n型AlGaN台面；其中，所刻蚀后的n型AlGaN台面低于n型AlGaN势垒层13顶部/有源区14的底部100nm-4000nm，优选800nm；
(B2)在所述n型AlGaN台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型欧姆接触电极17；所述n型欧姆接触电极17与台面刻蚀形成的侧壁中间保持一段距离，通常为5-100μm，优选15μm；
(B3)在未被刻蚀的p型GaN冒层16上光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属层18，形成p型电极；其中所述p型电极的图形在未被刻蚀的p型GaN冒层16上的相对位置和窗口形状可任意选择，并需要保留一部分p型GaN冒层16仍未制作p型电极，以便于后期在保留的p型GaN冒层16顶部刻蚀至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152的表面或表面以下，制作DBR高反射结构19；。
步骤C、制作DBR高反射结构19。
(C1)在所保留的一部分p型GaN冒层16上采用氯基ICP工艺刻蚀反射窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152的表面或表面以下，形成反射窗口，并满足所述反射窗口的底部与有源区14顶部的距离为0.5λ的整数倍；
(C2)在所述反射窗口采用蒸发镀膜、溅射镀膜的方式交替生长0.25λ厚度的两种高低折射率材料组合的多层膜，构成四分之一波长DBR高反射结构19；为了得到更好的反射效果，优选DBR高反射结构19的第一层和最后一层材料为所选两种材料中的高折射率材料，如5个周期的HfO2/SiO2DBR高反射结构，在紫外有源区辐射的200-360nm波长范围内，HfO2的折射率大于SiO2的折射率，则该DBR高反射结构具体为：HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2/SiO2/HfO2。
所述的紫外发光二极管为AlxGa1-xN基的材料，其中0≤x≤1；所述p型AlGaN势垒层15的Al组分含量均高于有源区14量子阱结构中势阱AlGaN的Al组分含量。
所述具有一个或多个量子阱的有源区14位于所述紫外发光二极管共振电磁波的反节点处，因为在此处所述有源区14的辐射复合效率通常可以用于最好地激励所述紫外发光二极管装置。
所述DBR高反射结构19可以包含3-20对的交替材料对，即其周期可以为3-20，并且具有使得每一层表现出期望的紫外发光二极管装置输出的四分之一波长厚度；
其中，上述对各种材料和工艺的厚度描述涉及到紫外发光二极管辐射的中心波长(λ)，在计算厚度时，要求考虑所涉及的材料体系在对应中心波长(λ)区的折射率。例如，紫外发光二极管辐射的中心波长(λ)在真空中为300nm，假设材料的折射率系数为3，则0.5λ描述的材料厚度为50nm(＝0.5*300/3)；
上述所述具有中心波长(λ)辐射的AlGaN基高反射紫外发光二极管装置，其在空气中发射的紫外光中心波长在200-365nm之间，优选为280nm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有DBR反射结构的紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，并且保留一部分p型GaN冒层(16)未被刻蚀；
步骤4、在所述反射窗口区交替生长一定厚度的两种高、低折射率材料，构成DBR高反射结构(19)；
步骤5、在所述n型AlGaN台面上制作n型欧姆接触电极(17)；
步骤6、在所述保留的一部分p型GaN冒层(16)上制作p型电极，完成所述紫外发光二极管装置的制作。
2.一种具有DBR反射结构的紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在所述n型AlGaN台面上制作n型欧姆接触电极(17)；
步骤4、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)的一部分上制作p型电极；
步骤5、在未制作p型电极的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，并且保留一部分p型GaN冒层(16)未被刻蚀；
步骤6、在所述反射窗口区交替生长一定厚度的两种高、低折射率材料，构成DBR高反射结构(19)，完成所述紫外发光二极管装置的制作。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述n型AlGaN台面低于所述n型AlGaN势垒层(13)顶部或有源区(14)的底部100nm-4000nm。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述DBR高反射结构的第一层材料和最后一层材料均为所述两种高低折射率材料中的高折射率材料。
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