CN108538976A - 深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深紫外发光二极管及其制备方法，该深紫外发光二极管包括衬底；位于衬底表面的第一半导体层；位于第一半导体层表面的不同位置的有源层和第三半导体层；位于有源层表面的第二半导体层；位于第二半导体层表面的第二电流扩展层；位于第三半导体层表面的第一电流扩展层；位于第一电流扩展层表面且与第一电流扩展层电性连接的第一金属电极；位于第二电流扩展层表面且与第二电流扩展层电性连接的第二金属电极。本发明能够改善深紫外发光二极管内中金属‑半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管的制备难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
随着我国科技水平的进步，制造业的持续发展，生活水平也得到不断地改善，物质生活和精神生活都有大幅的提升。然而近年来雾霾、水污染等的加重给日益改善的生活水平增添了瑕疵，空气和水等携带的细菌正在侵蚀我们的健康。为了保护自身的健康，各种消毒杀菌装置孕育而生，如空气净化器，水处理器。而这些杀菌装置的最主要杀菌功能部件为紫外灯，目前比较热门的是采用深紫外发光二极管(Light Emitting Diode，LED)灯。基于三族氮化物(Ⅲ-nitride)材料的紫外发光二极管(UV LED)在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景。相比较传统紫外光源汞灯，具备环保、小巧便携、低功耗、低电压等诸多优势。近年来收到越来越多的关注和重视。
紫外波段依据波长通常可以划分为：UVA(320-400nm)、UVB(280-320nm)、UVC(200-280nm)以及真空紫外VUV(10-200nm)。三族氮化物半导体材料氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(InN)均为直接带隙半导体材料，其禁带宽度分别为3.43、6.04和0.65eV,通过调节其合金组分，可以实现从200-400nm光谱范围内的发光，覆盖了从UVA到UVC的宽光谱范围，因而成为制备UV LED的理想半导体材料。
对于高铝组分的AlxGaN1-xN(x＞0.45)而言，往往较难获得理想的欧姆接触，主要原因为：1、深能级缺陷随Al组分递增致使Si施主的离化能升高，迁移率降低，造成高Al组分的n-AlGaN的电导率相对较差；2、电子亲和能小导致金-半界面处的肖特基势垒较高，欧姆接触特性较差，尤其是在经过ICP刻蚀后，N空位变成深能级缺陷存在，使得费米能级远离导带，进一步增加了制备欧姆接触的难度。现有技术手段中主要是通过在芯片制备过程中，调整金属的组分、厚度或高温退火条件等制备工艺参数，从而达到改善金属材料与高铝组分的N-AlGaN的欧姆接触的目的。
然而在芯片制备过程中，金属的组分、厚度和高温退火条件等工艺参数调整难度较大，调整的精确度较低，导致高铝组分的AlxGaN1-xN中的欧姆接触特性较差，最终影响了发光二极管内部的导电性能以及其整体的发光性能。
发明内容
为了解决背景技术中提到的至少一个问题，本发明提供一种深紫外发光二极管及其制备方法，能够改善深紫外发光二极管内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管的制备难度。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供的一种深紫外发光二极管，包括：
衬底，
位于衬底表面的第一半导体层；
位于第一半导体层表面的不同位置的有源层和第三半导体层；
位于有源层表面的第二半导体层；
位于第二半导体层表面的第二电流扩展层；
位于第三半导体层表面的第一电流扩展层；
位于第一电流扩展层表面且与第一电流扩展层电性连接的第一金属电极，
位于第二电流扩展层表面且与第二电流扩展层电性连接的第二金属电极，
第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层均为P型半导体，或第一半导体层和第三半导体层均为N型半导体。
另一方面，本发明还提供一种深紫外发光二极管的制备方法，包括：
在衬底表面生长第一半导体层；
在第一半导体层的表面的不同位置生长有源层和第三半导体层；
在有源层表面生长第二半导体层；
在第二半导体层表面生长第二电流扩展层；
在第三半导体层表面生长第一电流扩展层；
在第一电流扩展层上设置与第一电流扩展层电性连接的第一金属电极；
在第二电流扩展层上设置与第二电流扩展层电性连接的第二金属电极；
其中，第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层均为P型半导体，或第一半导体层和第三半导体层均为N型半导体。
本发明提供的深紫外发光二极管及其制备方法，其中该深紫外发光二极管包括衬底，位于衬底表面的第一半导体层，位于第一半导体层表面的不同位置的有源层和第三半导体层，位于有源层表面的第二半导体层，位于第二半导体层表面的第二电流扩展层，位于第三半导体层表面的第一电流扩展层，位于第一电流扩展层表面且与第一电流扩展层电性连接的第一金属电极，位于第二电流扩展层表面且与第二电流扩展层电性连接的第二金属电极，第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层均为P型半导体，或第一半导体层和第三半导体层均为N型半导体。该深紫外发光二极管能够改善深紫外发光二极管内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管的制备难度。
本发明的构造以及它的其他发明目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性和劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管中覆盖有过渡层的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的图2的俯视图；
图4是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管中生长第三半导体层的结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的深紫外发光二极管的结构示意图；
图6是本发明实施例四提供的深紫外发光二极管的制备方法的流程示意图；
图7是本发明实施例四提供的深紫外发光二极管的制备方法中制备第三半导体层的流程示意图；
图8是本发明实施例六提供的另一种深紫外发光二极管的制备方法的流程示意图。
附图标记说明：
100-深紫外发光二极管；
1-衬底；
2-第一半导体层；
3-有源层；
4-第二半导体层；
5-第三半导体层；
6-第一电流扩展层；
7-第二电流扩展层；
8-绝缘保护层；
9-第一金属电极；
10-第二金属电极；
11-过渡层；
12-永久转移基板。
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，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管的结构示意图。图2是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管中覆盖有过渡层的结构示意图；图3是本发明实施例一提供的图2的俯视图。图4是本发明实施例一提供的深紫外发光二极管中生长第三半导体层的结构示意图。
参照附图1至附图4所示，本发明实施例一提供一种水平式的深紫外发光二极管100，其包括：
衬底1，位于衬底表面的第一半导体层2，位于第一半导体层2表面的不同位置的有源层3和第三半导体层5，位于有源层3表面的第二半导体层4，位于第二半导体层4表面的第二电流扩展层7，位于第三半导体层5表面的第一电流扩展层6，位于第一电流扩展层6表面且与第一电流扩展层6电性连接的第一金属电极9，位于第二电流扩展层7表面且与第二电流扩展层7电性连接的第二金属电极10，第三半导体层5与第一金属电极9的接触电阻小于第一半导体层2与第一金属电极9的接触电阻，且第一半导体层2和第三半导体层5的均为P型半导体，或第一半导体层2和第三半导体层5的均为N型半导体。
进一步地，第三半导体层5和有源层3位于第一半导体层2的同一侧的表面。
第一半导体层2表面具有未被有源层3覆盖的第一裸露区，第一裸露区表面依次覆盖有第三半导体层5和第一电流扩展层6。
进一步地，第一电流扩展层6和第二电流扩展层7表面覆盖有绝缘保护层8。
第一电流扩展层6上具有未被绝缘保护层8覆盖的第二裸露区，第一金属电极9覆盖在第二裸露区表面并与第一电流扩展层6电性连接。
第二电流扩展层7上具有未被绝缘保护层8覆盖的第三裸露区，第二金属电极10覆盖在第三裸露区表面并与第二电流扩展层7电性连接。
其中，衬底1上的第一半导体层2、有源层3和第二半导体层4构成该发光二极管的外延层。
需要说明的是，在本实施例中，有源层3和第三半导体层5位于第一半导体层2的同一侧的表面的不同位置，即有源层3和第三半导体层5两者之间不存相互重叠的部分。
进一步地，制备衬底1的材料可以是硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或氮化铝(AlN)中的一种。第一半导体层2可以是N型半导体层，其构成材料的AlxGa1-xN中Al组分可以是x＝0-1，厚度的取值范围可以是1-500nm。有源层3是指由AlyGa1-yN/AlzGa1-zN材料构成的多量子阱结构，量子阱的周期为3-10个，厚度为1-200nm。第二半导体层4是指由AluGa1-uN构成，其中u＝0-1。
第一半导体层2可以作为该深紫外发光二极管100的负极，第二半导体层4作为该该深紫外发光二极管100的正极，第一半导体层2通过第三半导体层5、第一电流扩展层6以及第一金属电极9与外接电源的正极相连，第二半导体层4通过第二电流扩展层7与外接电源的负极相连，当外接电源向该深紫外发光二极管100施加电压后，电子由第一半导体层2向有源层3转移，空穴由第二半导体层4向有源层3转移，电子与空穴在有源层3中结合产生能量，该能量以光电子的形式辐射出该发光二极管，该深紫外发光二极管100完成发光。
本实施例中的第三半导体层5作为第一半导体层2和第一金属电极9之间的过渡，可以减小第一半导体层2和第一金属电极9之间的接触电阻。该第三半导体层5材料可以由Ⅲ/Ⅴ序族元素，或Ⅱ/Ⅳ序族元素构成，例如GaN或GaAs等。由于第三半导体层5的加入，原本第一半导体层2和第一金属电极9之间的金属-半导体接触方式转变为第一半导体层2和第三半导体层5之间的半导体-半导体接触以及第三半导体层5和第一金属电极9之间的半导体-金属接触，可以理解的是半导体-半导体接触相比于半导体-金属接触更有利于电子传输，并且第三半导体层5与第一金属电极9的接触电阻小于第一半导体层2与第一金属电极9的接触电阻，因此引入第三半导体层5后可以有效降低第一半导体层2和第一金属电极9之间的接触电阻，从而使得该深紫外发光二极管100获得优良的欧姆接触，增加其导电性能和发光性能。
进一步地，该第三半导体层5可以通过掺杂施主元素以获得与第一半导体层2相同材料属性。此处的材料属性是指为P型半导体或N型半导体。
作为本实施例的一个优选实施方式中，采用MOCVD方法生长获得第三半导体层5。具体而言是采用高纯H2或高纯N2或其混合气体做为载气，高纯NH3做为N源，三甲基镓(TMGa)做为镓源，硅烷(SiH4)做为掺杂源。将反应腔压力维持在150-300mbar，温度为800-1200℃下持续生长掺Si的N型GaN。Si的掺杂浓度可以是渐变的，也可以维持在特定的浓度范围内例如5E+18至1E+19atom/cm3。通过上述条件下生长获得的掺Si的N型GaN材料，其结构特征和材料属性与现有技术下蓝白光LED的N型GaN材料相同或类似。相比较高Al组分的n-AlGaN第一半导体材料来说，它能够与金属之间更易获得优良的欧姆接触，因此改善该深紫外发光二极管100的发光性能。其中，第一半导体层2和第三半导体层5的均为P型半导体或N型半导体，第一半导体层2和第三半导体层5具有相同的材料属性可以保证在该发光二极管内部一致的电子传输方向。
其中第三半导体层5的生长温度不能过低或者过高，如低于800℃下生长不利于生长出高质量的晶体，也不利于施主Si元素的掺杂，而过高的生长温度将可能导致过渡层11被高温分解或者破坏，如前述采用氧化硅做为过渡层11时，其熔点为1650℃，因此当生长温度高于1200℃时，则有可能会导致氧化硅受热变化。
作为一种可实现的实施方式，衬底1和第一半导体层2之间还设有用于电子传输的缓冲层，第二半导体层4和有源层3之间还设有阻止电子传输的电子阻挡层。
上述第二电流扩展层7覆盖于部分第二半导体层4之上，是指在水平式发光元件中，需要采用ICP(等离子干法刻蚀)刻蚀方法定义发光元件的尺寸和外观，具体来说，是指采用ICP部分移除第二半导体层4、有源层3，使得部分第一半导体层2裸露，形成第一裸露区。则第二电流扩展层7覆盖在刻蚀后剩余的第二半导体层4之上，用于帮助电流在垂直于外延生长方向上的输运，避免电流进入有源层3时被局限在部分特定的区域。第二电流扩展层7的材料可以是氧化锌、氧化铟锡、碳纳米管等材料，也可以是Ni、Au、Cr、W、Ti等金属材料，或者是上述材料的复合层。通过热退火处理，可以使得第二电流扩展层7与第二半导体层4形成良好的欧姆接触。
如图4所示，通过光刻、蒸镀等方式分别于第二半导体层4、第三半导体层5之上形成第二电流扩展层7和第一电流扩展层6，第二电流扩展层7和第一电流扩展层6的材料可以是金属、金属复合层或者半导体氧化物材料。例如Cr/Au、Ni/Au、Cr/Al/Ti/Au等。并对第二电流扩展层7和第一电流扩展层6实施对应条件的热退火处理以改善电流扩展层与位于其下的半导体层之间的欧姆接触；与现有技术对比的明显优势在于，在本实施例中，由于第三半导体层5的引入，不但改善了ICP刻蚀对第一半导体层2的损伤，而且第三半导体层5与其上的第一电流扩展层6容易形成良好的欧姆接触，这就意味着在本实施例的制作过程中，可以不需要对第一半导体层2进行热退火处理，或更容易实施热退火处理，降低了工艺难度。
进一步的，采用气相化学沉积、电子束蒸镀、热阻蒸发等方法形成绝缘保护层8位于发光元件之上，并对绝缘保护层8施以图案化，用于部分移除位于第一电流扩展层6与第二电流扩展层7之上的绝缘保护层8。
进一步的，水平式的深紫外发光二极管100是指形成第一金属电极9和第二金属电极10分别位于该发光二极管水平方向的两端，第一金属电极9至少覆盖第一电流扩展层6上的第二裸露区(图中未示出)，第二金属电极10至少覆盖第二电流扩展层7上的第三裸露区(图中未示出)，如此第一金属电极9和第二金属电极10可分别通过第二裸露区和第三裸露区与第一电流扩展层6和第二电流扩展层7形成电学连接。可以理解的是，虽然图中并未示出第二裸露区和第三裸露区，但是第二裸露区即为第一电流扩展层6上的开孔位置，第三裸露区即为第二电流扩展层7上的开孔位置。
进一步的，对上述的发光二极管施以常规方法的减薄和切割，获得最终成品。该减薄和切割可以为现有的方法，本实施例对此并不加以限定。
因此本发明实施例一提供的深紫外发光二极管100，通过在第一金属电极9和第一半导体层2之间增加第三半导体层5，并且限定第三半导体层5与第一金属电极9的接触电阻小于第一半导体层2与第一金属电极9的接触电阻，且第一半导体层2和第三半导体层5的材料属性相同，从而改善深紫外发光二极管100内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管100的制备难度。
实施例二
图5是本发明实施例二提供的深紫外发光二极管的结构示意图。参照附图5所示，在上述实施例一的基础上，本发明实施例二还提供另一种结构的深紫外发光二极管100。实施例二与实施例一相比，两者的区别之处在于：第一金属电极9和第二金属电极10相对于第一半导体层2的相对位置有所不同。
具体的，本发明实施例二提供一种垂直式深紫外发光二极管100，第三半导体层5和有源层3分别位于第一半导体层2的相对侧的表面。
需要说明的是，第二电流扩展层7表面覆盖有绝缘保护层8，第二电流扩展层7上具有未被绝缘保护层8覆盖的第四裸露区，第二金属电极10覆盖在第四裸露区表面并与第二电流扩展层7电性连接。
绝缘保护层8覆盖于第二电流扩展层7上，通过图案化处理使其形成第四裸露区，该第四裸露区可以是附图5中，第二电流扩展层7上未被绝缘保护层8覆盖的区域。
在第四裸露区和绝缘保护层8表面覆盖第二金属电极10，该第二金属电极10可以是焊接金属电极，位于绝缘保护层8之上，并且通过第四裸露区与第二电流扩展层7电性相连。
其中可以预先设置永久转移基板12，永久转移基板12为电导体且覆盖有过渡性金属材料。过渡性金属材料可以预先进行图案化处理，使得其图案化阵列与第二金属电极10所构成的阵列在垂直方向上投影重叠。通过金属键合工艺将焊接金属电极与过渡性金属材料相互粘接构成整体。
进一步的，对发光二极管施以激光剥离，去除位于外延层最下层的衬底1材料，使得位于次下层的第一半导体层2裸露。
进一步的，将剥离后的发光二极管裸露的第一半导体层2面朝上置于外延设备反应室内进行二次外延生长，获得第三半导体层5，厚度为10-200nm。外延生长可采用外延生长设备如液相外延(LPE,liquid phase epitaxy)、金属有机气相化学沉积(MOCVD)、分子束磊晶(MBE,Molecular Beam Epitaxy)等。使得第三半导体材料覆盖在剥离后裸露的第一半导体层2之上
进一步的，图案化处理后的第一金属电极9位于第三半导体层5之上，构成发光二极管的基本结构。
其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
在本发明实施例二中，在垂直结构芯片制作中植入二次外延生长工艺，形成与第一半导体层2属性相同的第三半导体层5材料并覆盖于第一半导体层2材料之上，由于第三半导体层5材料与金属材料之间的欧姆接触容易实现，从而改善了发光二极管的正向电压，提高了发光效率。
实施例三
在上述实施例一的基础上，本发明实施例三还提供另一种结构的深紫外发光二极管100，实施例三与实施例一相比，两者的区别之处在于，位于第一裸露区中的第一半导体表面结构有所不同。
具体的，位于第一裸露区中的第一半导体层2的表面具有凸起结构。
需要说明的是，该凸起结构可以是凸起部分的表面高度高于第一半导体层2表面其余部分的高度，即为三维立体结构。对第一裸露区中的第一半导体层2采取选择性刻蚀的方式，从而将裸露的第一半导体层2原本二维的平面形貌改善为三维立体形貌，相比于实施例一中第一半导体层2的平面结构，这样的凸起结构不但增大了裸露的第一半导体层2的表面接触面积，同时也提供了第一半导体层2不同的掺杂浓度接触区。可以理解为，第一半导体层2自下而上的掺杂浓度并不相同，改善为三维结构后，使得最佳载流子浓度所在层面更有机会裸露在外。
由晶体生长的一般特性可知，外延生长的水平生长速率与垂直生长速率并不相同，在基体为三维结构时，水平方向上的生长速率要大于垂直方向的生长速率。在本发明实施例中，由于部分裸露的第一半导体层2被进一步加工成具备三维形貌，使得后续的第三半导体层5的生长首先朝着水平方向生长，形成完整平面后再朝向垂直方向生长，晶体通过在两个方向上生长可以有效消除其内部的各种缺陷，从而获得更好的外延晶体质量。
其他技术特征与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
因此本发明实施例三提供的深紫外发光二极管100，通过在第一金属电极9和第一半导体层2之间增加第三半导体层5，并且限定第三半导体层5与第一金属电极9的接触电阻小于第一半导体层2与第一金属电极9的接触电阻，且第一半导体层2和第三半导体层5的材料属性相同，从而改善深紫外发光二极管100内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管100的制备难度。并且通过刻蚀的方法将第一裸露区的第一半导体层2表面形成凸起结构，提高第三半导体层5的外延晶体质量。
实施例四
图6是本发明实施例四提供的深紫外发光二极管的制备方法的流程示意图。图7是本发明实施例四提供的深紫外发光二极管的制备方法中制备第三半导体层的流程示意图参照附图6和图7所示，本发明实施例四提供一种深紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底表面生长第一半导体层。
S2：在第一半导体层表面的不同位置生长有源层和第三半导体层。
S3：在有源层表面生长第二半导体层。
S4：在第二半导体层表面生长第二电流扩展层。
S5：在第三半导体层表面生长第一电流扩展层。
S6：在第一电流扩展层上设置与第一电流扩展层电性连接的第一金属电极。
S7：在第二电流扩展层上设置与第二电流扩展层电性连接的第二金属电极。
在上述步骤中，第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层均为P型半导体，或第一半导体层和第三半导体层均为N型半导体。
在第一半导体层的表面的不同位置生长有源层和第三半导体层的步骤中，还可以包括以下分步骤：
S201：去除部分第二半导体层和部分有源层，以形成暴露第一半导体层的第一裸露区。
S202：在第一裸露区和第二半导体层的表面形成过渡层。
S203：去除部分过渡层，以使过渡层上再次形成第一裸露区。
S204：在第一裸露区和过渡层表面生长第三半导体层。
S205：去除过渡层，以保留位于第一裸露区的第三半导体层。
S206：在第三半导体层上生长第一电流扩展层。
其中，第三半导体层和有源层位于第一半导体层的同一侧的表面。
需要说明的是，在制备过程中衬底可以选用硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或氮化铝(AlN)中的一种。第一半导体层可以是N型半导体层，其构成材料的AlxGa1-xN中Al组分可以是x＝0-1，厚度的取值范围可以是1-500nm。有源层是指由AlyGa1-yN/AlzGa1-zN材料构成的多量子阱结构，量子阱的周期为3-10个，厚度为1-200nm。第二半导体层是指由AluGa1-uN构成，其中u＝0-1。
第一半导体层可以作为该深紫外发光二极管的负极，第二半导体层作为该该深紫外发光二极管的正极，第一半导体层通过第三半导体层、第一电流扩展层以及第一金属电极与外接电源的正极相连，第二半导体层通过第二电流扩展层与外接电源的负极相连，当外接电源向该深紫外发光二极管施加电压后，电子由第一半导体层向有源层转移，空穴由第二半导体层向有源层转移，电子与空穴在有源层中结合产生能量，该能量以光电子的形式辐射出该发光二极管，该深紫外发光二极管完成发光。
本实施例中的第三半导体层作为第一半导体层和第一金属电极之间的过渡，可以减小第一半导体层和第一金属电极之间的接触电阻。该第三半导体层材料可以由Ⅲ/Ⅴ序族元素，或Ⅱ/Ⅳ序族元素构成，例如GaN或GaAs等。由于第三半导体层的加入，原本第一半导体层和第一金属电极之间的金属-半导体接触方式转变为第一半导体层和第三半导体层之间的半导体-半导体接触以及第三半导体层和第一金属电极之间的半导体-金属接触，可以理解的是半导体-半导体接触相比于半导体-金属接触更有利于电子传输，并且第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，因此引入第三半导体后可以有效降低第一半导体层和第一金属电极之间的接触电阻，从而使得该深紫外发光二极管获得优良的欧姆接触，增加其导电性能和发光性能。
进一步地，该第三半导体层可以通过掺杂施主元素以获得与第一半导体层相同材料属性。此处的材料属性是指为P型半导体或N型半导体。
作为本发明的一个优选实施方式中，采用MOCVD方法生长获得第三半导体层。具体而言是采用高纯H2或高纯N2或其混合气体做为载气，高纯NH3做为N源，三甲基镓(TMGa)做为镓源，硅烷(SiH4)做为掺杂源。将反应腔压力维持在150-300mbar，温度为800-1200℃下持续生长掺Si的N型GaN。Si的掺杂浓度可以是渐变的，也可以维持在特定的浓度范围内例如5E+18至1E+19atom/cm3。通过上述条件下生长获得的掺Si的N型GaN材料，其结构特征和材料属性与现有技术下蓝白光LED的N型GaN材料相同或类似。相比较高Al组分的n-AlGaN第一半导体材料来说，它能够与金属之间更易获得优良的欧姆接触，因此改善该深紫外发光二极管的发光性能。其中，第一半导体层和第三半导体层均为P型半导体或N型半导体，第一半导体层和第三半导体层具有相同的材料属性可以保证在该发光二极管内部一致的电子传输方向。
其中第三半导体层的生长温度不能过低或者过高，如低于800℃下生长不利于生长出高质量的晶体，也不利于施主Si元素的掺杂，而过高的生长温度将可能导致过渡层被高温分解或者破坏，如前述采用氧化硅做为过渡层时，其熔点为1650℃，因此当生长温度高于1200℃时，则有可能会导致氧化硅受热变化。
作为一种可选的实施方式，在上述提供衬底，在衬底表面生长第一半导体层的步骤中，还可以包括以下分步骤：
在衬底和第一半导体层之间生长用于电子传输的缓冲层。
在上述有源层表面生长第二半导体层中的步骤中，还可以包括以下分步骤：
在有源层和第二半导体层之间生长用于阻止电子传输的电子阻挡层。
进一步的，采用气相化学沉积、电子束蒸镀、热阻蒸发等方法形成一绝缘保护层位于发光元件之上，并对绝缘保护层施以图案化，用于部分移除位于第一电流扩展层与第二电流扩展层之上的绝缘保护层。
进一步的，水平式的深紫外发光二极管是指形成第一金属电极和第二金属电极分别位于该发光二极管水平方向的两端，第一金属电极至少覆盖第一电流扩展层上的第二裸露区，第二金属电极至少覆盖第二电流扩展层上的第三裸露区，如此第一金属电极和第二金属电极可分别通过第二裸露区和第三裸露区与第一电流扩展层和第二电流扩展层形成电学连接。可以理解的是，虽然图中并未示出第二裸露区和第三裸露区，但是第二裸露区即为第一电流扩展层上的开孔位置，第三裸露区即为第二电流扩展层上的开孔位置。
进一步的，对上述制备过程中的发光二极管施以常规方法的减薄和切割，获得最终成品，完成整个制备流程。该减薄和切割可以为现有的方法，本实施例对此并不加以限定。
因此本发明实施例四提供的深紫外发光二极管的制备方法，通过在第一金属电极和第一半导体层之间增加第三半导体层，并且限定第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层的材料属性相同，从而改善深紫外发光二极管内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管的制备难度。
实施例五
在上述实施例四的基础上，本发明实施例五还提供另一种结构的深紫外发光二极管的制备方法。实施例五与实施例四相比，两者的区别之处在于：制备得到的第一金属电极和第二金属电极相对于第一半导体层的相对位置有所不同。
具体的，本实施例五提供的是一种垂直式深紫外发光二极管的制备方法，其中第三半导体层和有源层分别位于第一半导体层的相对侧的表面。
需要说明的是，第二电流扩展层表面覆盖有绝缘保护层，第二电流扩展层上具有未被绝缘保护层覆盖的第四裸露区，第二金属电极覆盖在第四裸露区表面并与第二电流扩展层电性连接。
绝缘保护层覆盖于第二电流扩展层上，通过图案化处理使其形成第四裸露区。
在第四裸露区和绝缘保护层表面覆盖第二金属电极，该第二金属电极可以是焊接金属电极，位于绝缘保护层之上，并且通过第四裸露区与第二电流扩展层电性相连。
其中可以预先设置永久转移基板，永久转移基板为电导体且覆盖有过渡性金属材料。过渡性金属材料可以预先进行图案化处理，使得其图案化阵列与第二金属电极所构成的阵列在垂直方向上投影重叠。通过金属键合工艺将焊接金属电极与过渡性金属材料相互粘接构成整体。
进一步的，对发光二极管施以激光剥离，去除位于外延层最下层的衬底材料，使得位于次下层的第一半导体层裸露。
进一步的，将剥离后的发光二极管裸露的第一半导体层面朝上置于外延设备反应室内进行二次外延生长，获得第三半导体层，厚度为10-200nm。外延生长可采用外延生长设备如液相外延(LPE,liquid phase epitaxy)、金属有机气相化学沉积(MOCVD)、分子束磊晶(MBE,Molecular Beam Epitaxy)等。使得第三半导体材料覆盖在剥离后裸露的第一半导体层之上
进一步的，图案化处理后的第一金属电极位于第三半导体层之上，构成发光二极管的基本结构。
其他技术特征与实施例四相同，并能达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
在本发明实施例五中，在垂直结构芯片制作中植入二次外延生长工艺，形成与第一半导体层属性相同的第三半导体层材料并覆盖于第一半导体层材料之上，由于第三半导体层材料与金属材料之间的欧姆接触容易实现，从而改善了发光二极管的正向电压，提高了发光效率。
实施例六
图8是本发明实施例六提供的另一种深紫外发光二极管的制备方法的流程示意图。参照附图8所示，在上述实施例四的基础上，本发明实施例六提供另一种深紫外发光二极管的制备方法，实施例六与实施例四相比，两者的区别之处在于：对位于第一裸露区中的第一半导体层的处理方法不同。
具体的，在上述实施例四中，在第一半导体层的表面的不同位置生长有源层和第三半导体层的步骤中，还可以包括以下分步骤中：
S211：去除部分第二半导体层和部分有源层，以形成暴露第一半导体层的第一裸露区。
S212：在第一裸露区和第二半导体层的表面形成掩蔽层。
S213：去除部分掩蔽层，以在第一裸露区中形成暴露第一半导体层的第五裸露区。
S214：刻蚀位于第五裸露区中的第一半导体层，以在第五裸露区中的第一半导体层表面形成凸起结构。
S215：在凸起结构、第一裸露区和第二半导体层表面形成过渡层。
S216：去除部分过渡层，以使过渡层上形成暴露凸起结构的第六裸露区。
S217：在第六裸露区和过渡层表面生长第三半导体层。
S218：去除过渡层，以保留位于第六裸露区的第三半导体层。
S219：在第三半导体层表面生长第一电流扩展层。
需要说明的是，在第一裸露区和第二半导体层的表面，通过气相沉积或者薄膜蒸镀、溅镀等方式形成掩蔽层，并图案化蚀刻该掩蔽层，使得覆盖于外延层表面的掩蔽层被部分裸露。掩蔽层裸露的部分被限定于部分裸露的第一半导体层内，换言之，部分裸露的第一半导体层中的一部分区域被掩蔽层重新覆盖，而另一部分继续裸露。需要指出的是，本发明实施例六中对掩蔽层的图案形状并未做出限定，它可以是圆形或者方形阵列，或者是块状、条纹状或者呈不同角度。
进一步的，采用ICP刻蚀的方法进一步去除部分裸露的第一半导体层中未被掩蔽层覆盖的部分第一半导体层，使之形成一(组)垂直于衬底面的凸起结构。
并且，对第一裸露区中的第一半导体层采取选择性刻蚀的方式，从而将裸露的第一半导体层原本二维的平面形貌改善为三维立体形貌，相比于实施例四中第一半导体层的平面结构，这样的凸起结构不但增大了裸露的第一半导体层的表面接触面积，同时也提供了第一半导体层不同的掺杂浓度接触区。可以理解为，第一半导体层自下而上的掺杂浓度并不相同，改善为三维结构后，使得最佳载流子浓度所在层面更有机会裸露在外。
进一步的，在该过渡层，例如氧化硅，通过气相化学沉积或者真空电子束蒸发等手法容易将氧化硅覆盖于发光二极管上表面。对过渡层进行选择性去除，例如采取光刻和酸腐蚀的方式，将前述加工环节裸露的被三维图案化的第一半导体层继续选择性裸露。
进一步的，将选择性覆盖有过渡层的发光二极管置于外延设备反应室内进行二次外延生长，获得第三半导体层。第三半导体材料覆盖于发光元件表面，具体是指覆盖于过渡层表面，以及部分裸露的被三维图案化的第一半导体层的表面。
由晶体生长的一般特性可知，外延生长的水平生长速率与垂直生长速率并不相同，在基体为三维结构时，水平方向上的生长速率要大于垂直方向的生长速率。在本发明实施例中，由于部分裸露的第一半导体层被进一步加工成具备三维形貌，使得后续的第三半导体层的生长首先朝着水平方向生长，形成完整平面后再朝向垂直方向生长，晶体通过在两个方向上生长可以有效消除其内部的各种缺陷，从而获得更好的外延晶体质量。
其他技术特征与实施例四相同，并能达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
因此本发明实施例六提供的深紫外发光二极管，通过在第一金属电极和第一半导体层之间增加第三半导体层，并且限定第三半导体层与第一金属电极的接触电阻小于第一半导体层与第一金属电极的接触电阻，且第一半导体层和第三半导体层的材料属性相同，从而改善深紫外发光二极管内中金属-半导体界面的欧姆接触，修复刻蚀造成的损伤，降低电压的同时提高发光效率，并且降低了金属材料制备和高温退火的难度，降低了该深紫外发光二极管的制备难度。并且通过刻蚀的方法将第一裸露区的第一半导体层表面形成凸起结构，提高第三半导体层的外延晶体质量。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例保护范围的限制。
此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包含至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种深紫外发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的第一半导体层；
位于所述第一半导体层表面的不同位置的有源层和第三半导体层；
位于所述有源层表面的第二半导体层；
位于所述第二半导体层表面的第二电流扩展层；
位于所述第三半导体层表面的第一电流扩展层；
位于所述第一电流扩展层表面且与所述第一电流扩展层电性连接的第一金属电极；
位于所述第二电流扩展层表面且与所述第二电流扩展层电性连接的第二金属电极；
所述第三半导体层与所述第一金属电极的接触电阻小于所述第一半导体层与所述第一金属电极的接触电阻，且所述第一半导体层和所述第三半导体层均为P型半导体，或所述第一半导体层和所述第三半导体层均为N型半导体。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第三半导体层和所述有源层位于所述第一半导体层的同一侧的表面；
所述第一半导体层表面具有未被所述有源层覆盖的第一裸露区，所述第一裸露区表面依次覆盖有所述第三半导体层和所述第一电流扩展层。
3.根据权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一电流扩展层和所述第二电流扩展层表面覆盖有绝缘保护层；
所述第一电流扩展层上具有未被所述绝缘保护层覆盖的第二裸露区，所述第一金属电极覆盖在所述第二裸露区表面并与所述第一电流扩展层电性连接；
所述第二电流扩展层上具有未被所述绝缘保护层覆盖的第三裸露区，所述第二金属电极覆盖在所述第三裸露区表面并与所述第二电流扩展层电性连接。
4.根据权利要求3所述的深紫外发光二极管，其特征在于，位于所述第一裸露区中的所述第一半导体层的表面具有凸起结构。
5.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第三半导体层和所述有源层分别位于所述第一半导体层的相对侧的表面；
所述第二电流扩展层表面覆盖有绝缘保护层，所述第二电流扩展层上具有未被所述绝缘保护层覆盖的第四裸露区，所述第二金属电极覆盖在所述第四裸露区表面并与所述第二电流扩展层电性连接。
6.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底和所述第一半导体层之间还设有用于电子传输的缓冲层，所述第二半导体层和所述有源层之间还设有阻止电子传输的电子阻挡层。
7.一种深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底表面生长第一半导体层；
在所述第一半导体层表面的不同位置生长有源层和第三半导体层；
在所述有源层表面生长第二半导体层；
在所述第二半导体层表面生长第二电流扩展层；
在所述第三半导体层表面生长第一电流扩展层；
在所述第一电流扩展层上设置与所述第一电流扩展层电性连接的第一金属电极；
在所述第二电流扩展层上设置与所述第二电流扩展层电性连接的第二金属电极；
其中，所述第三半导体层与所述第一金属电极的接触电阻小于所述第一半导体层与所述第一金属电极的接触电阻，且所述第一半导体层和所述第三半导体层均为P型半导体，或所述第一半导体层和所述第三半导体层均为N型半导体。
8.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在所述第一半导体层的表面的不同位置生长有源层和第三半导体层中，还包括：
去除部分所述第二半导体层和部分所述有源层，以形成暴露所述第一半导体层的第一裸露区；
在所述第一裸露区和所述第二半导体层的表面形成过渡层；
去除部分所述过渡层，以使所述过渡层上再次形成所述第一裸露区；
在所述第一裸露区和所述过渡层表面生长所述第三半导体层；
去除过渡层，以保留位于所述第一裸露区的所述第三半导体层；
在所述第三半导体层上生长所述第一电流扩展层；
其中，所述第三半导体层和所述有源层位于所述第一半导体层的同一侧的表面。
9.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在所述第一半导体层的表面的不同位置生长有源层和第三半导体层中，还包括：
去除部分所述第二半导体层和部分所述有源层，以形成暴露所述第一半导体层的第一裸露区；
在所述第一裸露区和所述第二半导体层的表面形成掩蔽层；
去除部分所述掩蔽层，以在所述第一裸露区中形成暴露所述第一半导体层的第五裸露区；
刻蚀位于所述第五裸露区中的所述第一半导体层，以在所述第五裸露区中的所述第一半导体层表面形成凸起结构；
在所述凸起结构、所述第一裸露区和所述第二半导体层表面形成过渡层；
去除部分过渡层，以使所述过渡层上形成暴露所述凸起结构的第六裸露区；
在所述第六裸露区和所述过渡层表面生长第三半导体层；
去除过渡层，以保留位于所述第六裸露区的所述第三半导体层；
在所述第三半导体层表面生长所述第一电流扩展层。
10.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在衬底表面生长第一半导体层，还包括：
在所述衬底和所述第一半导体层之间生长用于电子传输的缓冲层；
所述在所述有源层表面生长第二半导体层，还包括：
在所述有源层和所述第二半导体层之间生长用于阻止电子传输的电子阻挡层。
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