CN103682012A - 一种深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外发光二极管及其制备方法。所述发光二极管，包括：衬底、第一n型AlGaN层、AlGaN/AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、第二n型AlGaN层、p型端电极、n型电极、倒装基板；第一n型AlGaN层具有第一表面和第二表面，AlGaN/AlGaN多量子阱层形成在第一表面上，n型电极形成在第二表面上；p型端电极形成在第二n型AlGaN层上；倒装基板通过焊料分别与p型端电极和n型电极焊接。本发明由于器件表面隧穿结的形成，p型端电极采用与n型材料形成良好欧姆接触的且具有高反射率的金属材料，提高紫外发光二极管芯片的出光效率，从而提高整体器件的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种深紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着低效率、体积大、不环保和电压高等缺点。与之相反，基于AlGaN半导体材料的紫外发光二极管是一种固态紫外光源，它具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势，在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，在二恶英、多氯联苯、农药等污染物快速分解、以及水与空气净化等环保领域，在高显色指数白光照明能源领域，大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用。然而与外量子效率已高达85%以上的InGaN基蓝光LED相比，目前AlGaN基紫外发光二极管的发光功率和效率还远不能令人满意，波长短于320nm的UV-LED的发光效率普遍在1%以下。导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一个主要原因是AlGaN材料缺陷密度高引起的低内量子效率问题。由于很难获得III族氮化物的体材料衬底，AlGaN紫外发光二极管的外延通常只能在蓝宝石等异质衬底上进行。由于这些异质衬底的晶格常数不同于高铝组分的AlGaN材料，并且由于Al原子的表面迁移率很低，AlGaN外延材料中会形成在密度高达109～1011cm-2的穿透位错。材料中的穿透位错起着非辐射复合中心的作用，过高的位错密度会强烈降低LED的内量子效率。而另外一个主要原因则是光子的低提取效率问题。由于p型高Al组分AlGaN材料普遍具有极低的空穴浓度，无法直接与金属电极形成良好的欧姆接触，传统深紫外LED结构p型接触层不得不采用GaN材料。虽然p型GaN可以与p型电极材料形成良好的欧姆接触，但对量子阱发光吸收强烈，并且p型电极材料普遍都对深紫外光产生强烈吸收，使得深紫外LED采用倒装焊形式，让光子从衬底处出射。倒装焊的芯片工艺虽然可以使紫外光成功从衬底表面发射出来，但量子阱的发光至少有一半在往p电极方向行进时受到p-GaN和p型电极材料的吸收损失掉。再加上衬底材料与空气界面处存在的全反射效应，使得真正能够出射到空气的紫外光只是量子阱发光的很小一部分。很显然，通过改善AlGaN材料的晶体质量来提高发光器件的内量子效率是比较困难的，而相对容易的是通过提高紫外光的出射效率来提高紫外LED整体的发光效率。
发明内容
本发明提供一种深紫外发光二极管及其制备方法，提高了AlGaN基深紫外发光二极管的出光效率，从而提高整体器件的外量子效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种深紫外发光二极管，包括：
衬底；
第一n型AlGaN层，形成在所述衬底上，具有第一表面和第二表面；
AlGaN/AlGaN多量子阱层，形成在所述第一n型AlGaN层的第一表面上；
p型AlGaN电子阻挡层，形成在所述AlGaN/AlGaN多量子阱层上；
第二n型AlGaN层，形成在所述p型AlGaN电子阻挡层上，所述第二n型AlGaN层与所述p型AlGaN电子阻挡层形成隧穿结；
p型端电极，形成在所述第二n型AlGaN层上，所述p型端电极为具有高反射率的金属材料，与所述第二n型AlGaN层形成欧姆接触；
n型电极，形成在所述第一n型AlGaN层的第二表面上；
倒装基板，通过焊料分别与所述p型端电极和所述n型电极焊接。
进一步地，所述p型AlGaN电子阻挡层中的Al组分值沿生长方向逐渐变小，从较大值x变为较小值y，所述较大值x大于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中垒层的Al组分值，所述较小值y大于或等于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中阱层的Al组分值。
进一步地，所述第二n型AlGaN层中的Al组分值大于或等于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中阱层的Al组分值。
进一步地，所述第二n型AlGaN层的Si掺杂浓度大于1×1019cm-3。
进一步地，所述p型端电极的材料为含Al的单层或多层金属材料。
一种深紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长第一n型AlGaN层；
（2）在所述第一n型AlGaN层上，生长AlGaN/AlGaN多量子阱层；
（3）在所述AlGaN/AlGaN多量子阱层上，生长p型AlGaN电子阻挡层；
（4）在所述p型AlGaN电子阻挡层上生长第二n型AlGaN层，得到深紫外发光二极管外延片；
（5）在所述深紫外发光二极管外延片上沉积Al薄膜，使所述Al薄膜与所述第二n型AlGaN层形成欧姆接触，形成p型端电极；
（6）刻蚀所述深紫外发光二极管外延片至第一n型AlGaN层；
（7）在所述第一n型AlGaN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极，得到深紫外发光二极管芯片；
（8）将所述深紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到深紫外发光二极管。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案的有益效果如下：
本发明p型AlGaN电子阻挡层上生长第二n型AlGaN层，该第二n型AlGaN层与p型AlGaN电子阻挡层形成隧穿结，在发光二极管处在正偏工作时处于反偏状态，使得空穴可以从隧穿结注入到有源区中。由于器件表面隧穿结的形成，p型端电极采用与第二n型AlGaN层形成良好欧姆接触的且具有高反射率的金属材料。本发明可以很大程度上提高紫外发光二极管芯片的出光效率，从而提高整体器件的外量子效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的深紫外发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种深紫外发光二极管，包括：衬底101、形成在衬底101上的第一n型AlGaN层102、形成在第一n型AlGaN层102的第一表面上的AlGaN/AlGaN多量子阱层103、形成在AlGaN/AlGaN多量子阱层103上的p型AlGaN电子阻挡层104、形成在p型AlGaN电子阻挡层104上的第二n型AlGaN层105、形成在第二n型AlGaN层105上的p型端电极106、形成在第一n型AlGaN层102的第二表面上的n型电极107、通过焊料109分别与p型端电极106和n型电极107焊接的倒装基板108。其中，第二n型AlGaN层105与p型AlGaN电子阻挡层104形成隧穿结，当发光二极管处在正偏工作时处于反偏状态，使得空穴可以从隧穿结注入到有源区中；p型端电极106为具有高反射率的金属材料，与第二n型AlGaN层105形成良好欧姆接触。本实施例中，第一n型AlGaN层102具体为厚度是2000nm的Si掺杂浓度在1×1020cm-3的Al0.6Ga0.4N层。
进一步地，为了有利于隧穿结的形成，本实施例中p型AlGaN电子阻挡层104采用组分渐变p型AlGaN电子阻挡层，该层中的Al组分值沿生长方向逐渐变小，从较大值x变为较小值y，较大值x大于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中垒层的Al组分值，较小值y大于或等于AlGaN/AlGaN多量子阱层中阱层的Al组分值。本实施例中，p型AlGaN电子阻挡层104的Al组分值从0.9线性渐变到0.45，该层厚度为20nm，Mg掺杂浓度在5×1021cm-3；AlGaN/AlGaN多量子阱层103具体为Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层，Al0.6Ga0.4N势垒层厚度为10nm，Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。采用组分渐变p型AlGaN电子阻挡层既可以有效阻挡电子的溢流，提高内量子效率，降低工作电压，而且可以增加该层中的空穴密度，有利于与相邻的第二n型AlGaN层105形成隧穿结。
进一步地，本实施例中，第二n型AlGaN层105中的Al组分值大于或等于所述Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层的阱层的Al组分0.4。本实施例中，第二n型AlGaN层105具体为30nm厚的n型Al0.45Ga0.55N层。第二n型AlGaN层105具有高掺杂浓度的特点，可与p型AlGaN电子阻挡层104形成隧穿结，其Si掺杂浓度在1×1022cm-3。
进一步地，为了进一步提高本实施提供的发光二极管的出光率，p型端电极106的采用Al金属。Al金属与第二n型AlGaN层105形成欧姆接触，起到传导和扩散注入电流的作用，同时可以将量子阱发光区发出来的光部分反射回去，从衬底端出射，从而很大程度上提高光出射效率。
实施例2：
本实施例提供一种深紫外发光二极管制备方法，具体包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长第一n型AlGaN层；
具体地，在蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，使生长温度保持在1150℃，生长厚度为2000nm的Si掺杂浓度在1×1020cm-3的Al0.6Ga0.4N层。
（2）在第一n型AlGaN层上，生长AlGaN/AlGaN多量子阱层；
具体地，在Al0.6Ga0.4N层上，生长温度保持在1150℃，生长Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层，Al0.6Ga0.4N势垒层厚度为10nm，Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。
（3）在AlGaN/AlGaN多量子阱层上，生长p型AlGaN电子阻挡层；
具体地，生长温度保持在1150℃，在Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层上，生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，该层Al组分值从0.9线性渐变到0.45，Mg掺杂浓度在5×1021cm-3。
（4）在p型AlGaN电子阻挡层上生长第二n型AlGaN层，得到深紫外发光二极管外延片；
具体地，生长温度保持在1150℃，在p型AlGaN电子阻挡层上生长厚度为30nm的n型Al0.45Ga0.55N层，该层Si掺杂浓度在1×1022cm-3。
（5）在深紫外发光二极管外延片上沉积Al薄膜，使Al薄膜与第二n型AlGaN层形成欧姆接触，形成p型端电极；
具体地，在深紫外发光二极管外延片通过电子束蒸发来沉积300纳米厚的Al薄膜，用快速退火炉退火在第二n型AlGaN层上形成欧姆接触，形成p型端电极。
（6）在深紫外发光二极管外延片上沉积TiW合金薄膜；
具体地，采用磁控溅射工艺，在深紫外发光二极管外延片上沉积500nm厚的TiW合金薄膜，以保护p型端电极。
（7）在深紫外发光二极管外延片上光刻出n型区台面图案，然后将n型区台面图案上的Al薄膜、TiW合金薄膜腐蚀掉；
具体地，用腐蚀溶液将Al、TiW金属层腐蚀掉。
（8）刻蚀深紫外发光二极管外延片至第一n型AlGaN层；
具体地，采用ICP工艺刻蚀深紫外发光二极管外延片至第一n型AlGaN层。
（9）在第一n型AlGaN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极，得到深紫外发光二极管芯片；
具体地，在第一n型AlGaN层台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区依次蒸发厚度为100纳米Ti和厚度为1微米的Al两层金属，以增强电极的粘附力，然后将深紫外发光二极管外延片放入到快速退火炉中在快速退火形成n型电极。
（10）将深紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到深紫外发光二极管；
具体地，在深紫外发光二极管芯片上用PECVD沉积200纳米厚度的二氧化硅钝化层，在二氧化硅钝化层上光刻出倒装焊点金属沉积图形；用RIE工艺刻蚀掉所述焊点金属沉积图形区域上的二氧化硅钝化层，再在所述焊点金属沉积图形区域上用热蒸发工艺沉积2微米厚度的AuSn焊料，并将所述深紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到深紫外发光二极管。
本发明在p型AlGaN电子阻挡层上生长具有高电子浓度且对有源区发射光子不吸收的第二n型AlGaN层，第二n型AlGaN层与p型AlGaN电子阻挡层形成隧穿结，在发光二极管处在正偏工作时处于反偏状态，使得空穴可以从隧穿结注入到有源区中。本发明既可以消除现有技术中p型GaN对量子阱发光的强烈吸收问题，又可以在第二n型AlGaN层上形成良好欧姆接触的高反射率Al电极（即p型端电极），将量子阱发光往衬底方向上反射回去，很大程度上提高了紫外发光二极管芯片的出光效率，从而提高发光二极管的外量子效率。
以上所述为本发明一种实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种深紫外发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
第一n型AlGaN层，形成在所述衬底上，具有第一表面和第二表面；
AlGaN/AlGaN多量子阱层，形成在所述第一n型AlGaN层的第一表面上；
p型AlGaN电子阻挡层，形成在所述AlGaN/AlGaN多量子阱层上；
第二n型AlGaN层，形成在所述p型AlGaN电子阻挡层上，所述第二n型AlGaN层与所述p型AlGaN电子阻挡层形成隧穿结；
p型端电极，形成在所述第二n型AlGaN层上，所述p型端电极为具有高反射率的金属材料，与所述第二n型AlGaN层形成欧姆接触；
n型电极，形成在所述第一n型AlGaN层的第二表面上；
倒装基板，通过焊料分别与所述p型端电极和所述n型电极焊接。
2.如权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述p型AlGaN电子阻挡层中的Al组分值沿生长方向逐渐变小，从较大值x变为较小值y，所述较大值x大于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中垒层的Al组分值，所述较小值y大于或等于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中阱层的Al组分值。
3.如权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二n型AlGaN层中的Al组分值大于或等于所述AlGaN/AlGaN多量子阱层中阱层的Al组分值。
4.如权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二n型AlGaN层的Si掺杂浓度大于1×1019cm-3。
5.如权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述p型端电极的材料为含Al的单层或多层金属材料。
6.一种深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长第一n型AlGaN层；
（2）在所述第一n型AlGaN层上，生长AlGaN/AlGaN多量子阱层；
（3）在所述AlGaN/AlGaN多量子阱层上，生长p型AlGaN电子阻挡层；
（4）在所述p型AlGaN电子阻挡层上生长第二n型AlGaN层，得到深紫外发光二极管外延片；
（5）在所述深紫外发光二极管外延片上沉积含Al的金属薄膜，使所述该金属薄膜与所述第二n型AlGaN层形成欧姆接触，形成p型端电极；
（6）刻蚀所述深紫外发光二极管外延片至第一n型AlGaN层；
（7）在所述第一n型AlGaN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极，得到深紫外发光二极管芯片；
（8）将所述深紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到深紫外发光二极管。
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