CN109103313A - 一种深紫外led芯片的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次叠加设置的P型GaN层，P型AlGaN层，多量子阱有源层，N型AlGaN层，AlN层和蓝宝石衬底，其特征在于，所述多量子阱有源层和N型AlGaN层共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28‑40度可控；本发明还提供了所述深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，通过控制不同的干法刻蚀参数，来调整台面的刻蚀角度及深度；该方法可以有效提取TE和TM模式的深紫外光，提升深紫外光LED的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种深紫外LED芯片的外延结构及其制备方法。
背景技术
随着LED技术不断发展，其发光波长已经由可见光波段拓展到深紫外波段，其技术逐渐成熟和成本下降将使得紫外LED应用更加广泛，甚至可能超越目前的蓝光LED。从深紫外LED的发光特点，制作工艺等方面，重点介绍深紫外LED的目前的研究进展与产业化应用。1997年，日亚化学成功研发世界首个发光波长为371nm的GaN基紫外发光LED。2003年，美国SETi公司开发出波长为280nm的A1GaN基深紫外LED。2014年10月24日，诺贝尔物理学奖获得者之一天野浩在记者见面会上介绍了自己正在进行的研究，其中包括波长为250～350nm左右的深紫外LED。紫外LED作为LED的1个分支，虽不能照明但具备LED的所有优势，理论上可以替代所有传统紫外光源，极大地拓展了LED的应用领域。紫外LED制造技术主要包括第一步，发光材料的制备，其外延生长工艺为，外延结构示意图见下附图5所示，通过MOCVD设备在蓝宝石衬底6上依次生长A1N模板层5、N型A1GaN层4、多量了阱有源层3、P型AlGaN层2和P型GaN层1；第二步，电极制作工艺：通过光刻、刻蚀露出N型接触层，通过蒸镀以及合金，N型、P型与电极形成欧姆接触(如图6)，然后通过减薄、裂片，对小芯粒进行分选，倒装到绝缘的硅片上。图6是倒装芯片的结构示意图；第三步，封装：封装方式影响出光效率，而透镜封装和非透镜封装对紫外LED的出光影响尤其很大。另外，不同管座引起的散热和防静电能力不同，也会影响器件寿命。
基于AlGaN的深紫外LED(λ<300nm)由于其广泛的潜在应用，如消毒，空气和水净化，生化检测和光通信，引起了许多科学家的关注。然而，深紫外LED的低光提取效率仍然不能满足目前的应用要求，如上所述，现有技术中为了刻蚀漏出N型接触层通常为N型接触层具有垂直的弯折角α(如附图4和附图5)，深紫外LED的量子阱发出的光以TM模式为主，而TM模式光更多从量子阱的侧壁发射，在倒装封装之后无法被收集，不利于提高深紫外LED的出光；目前常用的器件工艺对深紫外LED的台面刻蚀没有过多的关注，而且这种设计的有源区侧壁，会造成量子阱有源区的损失，不利于提高深紫外LED的出光。
基于常规的深紫外LED芯片的外延结构会造成量子阱有源区的损失，不利于提高深紫外LED的出光等问题，亟待开发一种能有效提升侧壁深紫外光的提取效率的深紫外LED芯片的外延结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种深紫外LED芯片的外延结构及其制备方法，能有效提升侧壁深紫外光的提取效率，从而使得更多的光能从背面出射，提高深紫外LED的光提取效率。
本发明是这样实现的：
本发明的目的之一在于提供了一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次叠加设置的P型GaN层，P型AlGaN层，多量子阱有源层，N型AlGaN层，AlN层和蓝宝石衬底，所述多量子阱有源层和N型AlGaN层共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28-40度。
优选地，所述调节层具有多个所述倾斜侧面，且多个所述倾斜侧面对应的台面刻蚀夹角均为28-40度。
优选地，所述倾斜侧面包括设置在所述多量子阱有源层的第一倾斜侧面和设置在所述N型AlGaN层的第二倾斜侧面，且所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面在同一平面上。
更为优选地，所述N型AlGaN层包括靠近所述多量子阱有源层的第一部分和远离所述多量子阱有源层的第二部分，所述第二倾斜侧面位于所述第一部分。
本发明的目的之二在于提供了一种深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其具体包括如下步骤：
步骤1、选用深紫外LED芯片的外延结构作为材料；
步骤2、清洗外延片表面，去除表面残留的金属以及氧化物；
步骤3、旋涂光刻胶；
步骤4、覆盖光刻板；
步骤5、紫外投影曝光；
步骤6、干法刻蚀：刻蚀外延片，控制刻蚀参数使其呈现台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28-40度，刻蚀厚度为600-700纳米；
步骤7、去除表面残留的光刻胶；
步骤8、表面处理，修复刻蚀带来的损伤。
优选地，所述步骤2中，所述的去除表面残留的金属时，配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，时间为30分钟；所述的去除表面的氧化物时，配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，时间为20分钟。
优选地，所述步骤3中，所述旋涂光刻胶时的旋涂厚度约7-8微米，旋涂完后在95℃的热板烘烤1分钟。
优选地，所述步骤5中，紫外投影曝光时使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间为4-5秒。
优选地，所述步骤6中，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，时间为2-5分钟。
优选地，所述步骤7中使用有机溶剂去除表面残留的光刻胶。
优选地，所述步骤8中使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种深紫外LED芯片的外延结构，所述N型AlGaN层的侧面为弯折型的截面，所述弯折型的截面包括相连接的倾斜截面和水平截面，所述倾斜的截面与水平截面之间靠近所述N型AlGaN层内侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28-40度；背景技术中的发光原理如图5所示，由于3多量子阱有源层是发光层，光从3多量子阱有源层发出进入6-蓝宝石衬底；而从侧边发出的光进入III区域，无法进入6-蓝宝石衬底，造成侧面光的浪费；本发明如图3所示的出光原理，设置台面刻蚀夹角后，从III区打出来的光经折射从II区打出来，从II区出来的光可通过6-蓝宝石衬底打出来，使得原本从侧面发出的光经折射通过6-蓝宝石衬底打出来而进行了利用，可以有效提取TE和TM模式的深紫外光，能有效提升侧壁深紫外光的提取效率，从而使得更多的光能从背面出射，提高深紫外LED的光提取效率，在驱动电流为350A/cm2时，与现有技术中标准紫外LED工艺制备得到的芯片相比，最优刻蚀角度对应的紫外LED芯片(实施例2)在出光功率上提升了48.16％。
2、本发明提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，通过控制不同的干法刻蚀参数，来调整台面的刻蚀角度及深度，实现更大角度范围内的台面的调控，从而能够广泛应用在深紫外LED器件工艺领域，制作工艺流程简单，易于调控，适用于规模生产，在深紫外LED器件工艺中具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1-3提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的立体结构示意图；
图2是本发明实施例1-3提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的平面结构示意图；
图3是本发明的实施例1-3提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的发光原理图；
图4是本发明的实施例提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的制备方法的流程图；
图5是本发明的背景技术中提供的一种深紫外LED芯片的外延结构的平面结构示意图；
图6是本发明的背景技术中提供的倒装芯片的结构示意图；
所述图中，1-P型GaN层，2-P型AlGaN层，3-多量子阱有源层；4-N型AlGaN层；5-AlN层；6-蓝宝石衬底；θ-台面刻蚀夹角；
图7为本发明实验例提供的实施例1-3以及对比例1的深紫外LED光功率对比图。
具体实施方式
实施例1
一、一种深紫外LED芯片的外延结构
如图1-3所示，一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次连接的P型GaN层1，P型AlGaN层2，多量子阱有源层3，N型AlGaN层4，AlN层5和蓝宝石衬底6，所述多量子阱有源层3和N型AlGaN层4共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28度。
所述调节层具有多个所述倾斜侧面，且多个所述倾斜侧面对应的台面刻蚀夹角均为28度。
所述倾斜侧面包括设置在所述多量子阱有源层3的第一倾斜侧面和设置在所述N型AlGaN层4的第二倾斜侧面，且所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面在同一平面上。所述N型AlGaN层4包括靠近所述多量子阱有源层的第一部分和远离所述多量子阱有源层的第二部分，所述第二倾斜侧面位于所述第一部分。
二、深紫外LED芯片的外延结构的制备方法(如图4所示)
1、使用通常的深紫外LED芯片的外延结构作为材料，为直径5.08厘米的
圆片；
2、配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，去除表面残留的金属，时间30分钟；
3、配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，去除表面的氧化物，时间20分钟；
4、旋涂光刻胶，旋涂厚度约7-8微米，并在95℃的热板烘烤1分钟；
5、覆盖光刻板，光刻板上有紫外LED芯片的图形；
6、紫外投影曝光，使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间约4-5秒；
7、干法刻蚀，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，时间为3分钟，刻蚀厚度在600-700纳米；Cl2流量30sccm，BCl3流量20sccm，刻蚀功率100W，腔体压强4Pa；
8、去除光刻胶，使用相应的有机溶剂去除表面残留的光刻胶；
9、表面处理，使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
实施例2
一、一种深紫外LED芯片的外延结构
如图1-3所示，一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次连接的P型GaN层1，P型AlGaN层2，多量子阱有源层3，N型AlGaN层4，AlN层5和蓝宝石衬底6，所述多量子阱有源层3和N型AlGaN层4共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为35度。
所述调节层具有多个所述倾斜侧面，且多个所述倾斜侧面对应的台面刻蚀夹角均为35度。
所述倾斜侧面包括设置在所述多量子阱有源层3的第一倾斜侧面和设置在所述N型AlGaN层4的第二倾斜侧面，且所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面在同一平面上。所述N型AlGaN层4包括靠近所述多量子阱有源层的第一部分和远离所述多量子阱有源层的第二部分，所述第二倾斜侧面位于所述第一部分。
二、深紫外LED芯片的外延结构的制备方法(如图4所示)
1、使用通常的深紫外LED芯片的外延结构作为材料，为直径5.08厘米的
圆片；
2、配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，去除表面残留的金属，时间30分钟；
3、配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，去除表面的氧化物，时间20分钟；
4、旋涂光刻胶，旋涂厚度约7-8微米，并在95℃的热板烘烤1分钟；
5、覆盖光刻板，光刻板上有紫外LED芯片的图形；
6、紫外投影曝光，使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间约4-5秒；
7、干法刻蚀，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，时间为3分钟，刻蚀厚度在600-700纳米；Cl2流量50sccm，BCl3流量7sccm，刻蚀功率100W，腔体压强4Pa；
8、去除光刻胶，使用相应的有机溶剂去除表面残留的光刻胶；
9、表面处理，使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
实施例3
一、一种深紫外LED芯片的外延结构
如图1-3所示，一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次连接的P型GaN层1，P型AlGaN层2，多量子阱有源层3，N型AlGaN层4，AlN层5和蓝宝石衬底6，所述多量子阱有源层3和N型AlGaN层4共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为40度。
所述调节层具有多个所述倾斜侧面，且多个所述倾斜侧面对应的台面刻蚀夹角均为40度。
所述倾斜侧面包括设置在所述多量子阱有源层3的第一倾斜侧面和设置在所述N型AlGaN层4的第二倾斜侧面，且所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面在同一平面上。所述N型AlGaN层4包括靠近所述多量子阱有源层的第一部分和远离所述多量子阱有源层的第二部分，所述第二倾斜侧面位于所述第一部分。
二、深紫外LED芯片的外延结构的制备方法(如图4所示)
1、使用通常的深紫外LED芯片的外延结构作为材料，为直径5.08厘米的
圆片；
2、配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，去除表面残留的金属，时间30分钟；
3、配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，去除表面的氧化物，时间20分钟；
4、旋涂光刻胶，旋涂厚度约7-8微米，并在95℃的热板烘烤1分钟；
5、覆盖光刻板，光刻板上有紫外LED芯片的图形；
6、紫外投影曝光，使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间约4-5秒；
7、干法刻蚀，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，时间为3分钟，刻蚀厚度在600-700纳米；Cl2流量50sccm，BCl3流量7sccm，刻蚀功率100W，腔体压强8Pa；
8、去除光刻胶，使用相应的有机溶剂去除表面残留的光刻胶；
9、表面处理，使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
对比例1
一、深紫外LED芯片的外延结构，如背景技术所述。
二、所述深紫外LED芯片的外延结构的制备方法
1、使用通常的深紫外LED芯片的外延结构作为材料，为直径5.08厘米的
圆片；
2、配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，去除表面残留的金属，时间30分钟；
3、配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，去除表面的氧化物，时间20分钟；
4、旋涂光刻胶，旋涂厚度约7-8微米，并在95℃的热板烘烤1分钟；
5、覆盖光刻板，光刻板上有紫外LED芯片的图形；
6、紫外投影曝光，使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间约4-5秒；
7、干法刻蚀，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，使用标准的工艺参数，Cl2流量30sccm，BCl3流量20sccm，刻蚀功率60W，腔体压强4Pa；
8、去除光刻胶，使用相应的有机溶剂去除表面残留的光刻胶；
9、表面处理，使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
需要说明的是，实施例1-实施例3以及对比例1中，改变刻蚀参数的同时也会影响对应的刻蚀深度，因而我们合理的调整了不同条件下的刻蚀时间，使其仅在角度这一变量上有所不同，而尽可能的减小了其他因素的影响。
实验例出光功率测定
测量实施例1-3以及对比例1制作好的深紫外LED芯片的外延结构的出光功率，其出光功率随电流密度变化的曲线图，如图7所示。在驱动电流为35A/cm2时，实施例1-3以及对比例1制作好的深紫外LED芯片的外延结构的出光功率如下表1所示。
表1
实验结果表明，在驱动电流为35A/cm2时，与对比例1中标准紫外LED工艺制备得到的芯片相比，最优刻蚀角度对应的紫外LED芯片(实施例2)在出光功率上提升了48.16％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种深紫外LED芯片的外延结构，包括依次叠加设置的P型GaN层，P型AlGaN层，多量子阱有源层，N型AlGaN层，AlN层和蓝宝石衬底，其特征在于，所述多量子阱有源层和N型AlGaN层共同组成调节层，所述调节层具有至少一个倾斜侧面，所述倾斜侧面与水平截面之间靠近所述调节层中心侧的夹角为台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28-40度。
2.如权利要求1所述的深紫外LED芯片的外延结构，其特征在于，所述调节层具有多个所述倾斜侧面，且多个所述倾斜侧面对应的台面刻蚀夹角均为28-40度。
3.如权利要求1所述的深紫外LED芯片的外延结构，其特征在于，所述倾斜侧面包括设置在所述多量子阱有源层的第一倾斜侧面和设置在所述N型AlGaN层的第二倾斜侧面，且所述第一倾斜侧面和第二倾斜侧面在同一平面上。
4.如权利要求3所述的深紫外LED芯片的外延结构，其特征在于，所述N型AlGaN层包括靠近所述多量子阱有源层的第一部分和远离所述多量子阱有源层的第二部分，所述第二倾斜侧面位于所述第一部分。
5.一种如权利要求1所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
步骤1、选用深紫外LED芯片的外延结构作为材料；
步骤2、清洗外延片表面，去除表面残留的金属以及氧化物；
步骤3、旋涂光刻胶；
步骤4、覆盖光刻板；
步骤5、紫外投影曝光；
步骤6、干法刻蚀：刻蚀外延片，控制刻蚀参数使其呈现台面刻蚀夹角，且所述台面刻蚀夹角为28-40度；
步骤7、去除表面残留的光刻胶；
步骤8、表面处理，修复刻蚀带来的损伤。
6.如权利要求5所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述的去除表面残留的金属时，配置硝酸：盐酸＝3：1的王水溶液清洗外延片表面，时间为30分钟；所述的去除表面的氧化物时，配置硫酸：过氧化氢＝5：1的混合溶液清洗外延片表面，时间为20分钟。
7.如权利要求5所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述旋涂光刻胶时的旋涂厚度约7-8微米，旋涂完后在95℃的热板烘烤1分钟。
8.如权利要求5所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，紫外投影曝光时使用发射波长为365nm的紫外光源进行投影曝光，时间为4-5秒。
9.如权利要求5所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，在BCl3和Cl2的混合气氛中等离子体刻蚀外延片，时间为2-5分钟。
10.如权利要求5所述的深紫外LED芯片的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤7中使用有机溶剂去除表面残留的光刻胶；所述步骤8中使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，时间为10分钟。
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