CN109616563A - 背电极通孔uvc半导体发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背电极通孔UVC半导体发光二极管，包括基于外延的UVC发光二极管结构，在n型层内设多个垂直通孔，n型金属电极分布在通孔中。并公开了其制备方法。本发明采用采用工艺简单、低损伤、高效出光的三维光散射结构，n型金属电极在二极管内部分布的孔中，每一个金属电极柱都是反射镜，实现最大程度的平面内光散射，大大增强了器件的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种背电极通孔UVC半导体发光二极管及其制备方法，属于半导体材料技术领域。
背景技术
光电半导体器件在我们的生活和科学研究中扮演着越来越重要的角色。近年来，基于以氮化镓(GaN)为代表的氮化物半导体发光二极管(LED)在实际中得到了越来越多的应用，深紫外C波段(UVC)的LED也已被用来作为激发光源来实现特种光源。而对于LED的研究和应用，人们最多关注的是LED内量子效率和外量子效率。尽管目前UVC基LED的内量子效率已经达到60％，但由于UVC使用高Al组分的AlGaN材料，受到光学偏振的影响，仅有不超过12％的光能够逃出LED进入到空气中。这极大地影响了UVC基LED器件效率的提高，阻碍了其进一步的应用。
尽管各国学者在GaN的表面纳米结构以及借助纳米结构增强光引出效率的课题上开展了大量的研究，但是目前，还没有提出一种工艺简单、低损伤、对UVC波段高效出光的三维光散射结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背电极通孔UVC半导体发光二极管，在UVC-LED基片内实现多重反射柱结构，改变光出射方向，获得高出光效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种背电极通孔UVC半导体发光二极管，包括基于外延的UVC发光二极管结构，其结构自下而上依次包括：
一n型层；
一量子阱层；
一p型层；
一p型电极，所述p型电极为制作在p型层上的金属电极或非金属透明导电材料电极；
其特征在于：所述n型层上设有多个从n型层底表面至n型层与量子阱层的界面处的通孔，所述通孔基本垂直于n型层底表面，所述通孔内制备有金属层，在n型层的底表面上制备有金属电极线条，所述金属电极线条将所有通孔内的金属层相互连通，形成n型电极。
UVC-LED为公知的各种结构，如：利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)设备，在衬底材料上外延生长AlGaN材料及其他中间氮化物插入层材料，通常的结构是：在蓝宝石、碳化硅或硅等衬底材料上生长缓冲层，然后在缓冲层上依次生长n型层，发光层，p型层。然后将外延获得的结构翻转，去除衬底材料，露出n型层。
以光刻胶或介质层或掩蔽金属层等为掩蔽层，使用公知的干法刻蚀手段，在LED中刻蚀通孔，深度到达n型层与量子阱界面附近。
优选的，所述金属层为在通孔侧表面蒸镀的一层金属膜，或者为在通孔侧表面蒸镀的一层金属膜，然后用其它金属将通孔完全填充。
优选的，在n型层的底表面上也设有金属电极，所述金属电极线条将所有金属层以及金属电极相互连通，形成n型电极。
优选的，所述通孔为直径200nm～5000nm的圆孔、或者外接圆直径为200nm～5000nm的多边形孔，所述多边形孔需满足其侧面没有凹形表面。
优选的，所述通孔中制备金属层及相连金属电极线条的排布方式，为圆形、方形、扇形或者插指型，金属层为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag或上述金属的多层组合结构，优选为Al。
优选的，所述通孔在n型层底表面上周期性规则分布，或者随机分布。
优选的，p型电极在p型层上的排布方式为圆形、正方形、扇形或者插指型，或者随机分布，电极为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag，Mg，Pd或上述金属的多层组合结构，优选为Ag，或者为非金属的透明导电材料，比如ITO/Ag，这种透明导电氧化物与金属的复合材料结构也可以实现所需电极要求。
本发明还公开了上述的背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其步骤包括：
1)在UVC发光二极管中，去除底层衬底材料，露出n型层；
2)在n型层上刻蚀出多个延伸至n型层与量子阱的界面处的垂直通孔；
3)在垂直通孔侧表面上蒸镀上金属层，并n型层底表面上蒸镀金属电极线条，使得所有通孔的金属层互相连通，形成n型电极；
4)在p型层顶表面蒸镀上p型电极。
优选的，步骤3中在垂直通孔侧表面上蒸镀上金属层后，再用其它金属将通孔完全填充。
优选的，制备n型电极和p型电极的方式为电子束蒸发或热蒸发。
优选的，步骤3中在n型层底表面上也蒸镀有金属电极。
通常人工制备的多孔结构，都制备在样品表面，往往仅对射向表面方向的发光具有较高的光引出效率，不能获得广谱角度的光引出增强效果。本发明的关键之一就是设计出了n型金属电极在二极管内部分布的通孔中，使其在宽广的光传播角度范围内都具有很高的光引出效率。
本发明的机理主要是在翻转的芯片中，依靠n型金属电极在二极管内部分布的孔中，实现器件内部的光散射。很多实验报道已经表明，UVC-LED光传播主要在平面内。表面微结构对垂直表面的光传播具有明显作用，但对平面内平行传播的光影响很小。n型金属电极在二极管内部分布的孔中，每一个金属电极柱都是反射镜，实现最大程度的平面内光散射，因而增强了出光效率。这些都与以报道的UVC光引出结构不同。
本发明设计并制备出一种UVC发光二极管出光结构，p型金属电极在p层表面，n型金属电极在二极管内部分布的孔中，孔的位置周期性规则分布或随机分布。本发明采用工艺简单、低损伤、高效出光的三维光散射结构，最大程度增加了平面内部UVC光散射，极大地提高了光引出效率。
附图说明
图1是光在内部多孔UVC发光二极管界面间的光传播行为示意图。
图2是本发明UVC发光二极管出光结构设计原理图。
图3是实施例2中本发明n型电极表面分布图。
图4是实施例3中本发明n型电极表面分布图。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
如图1-2所示，本背电极通孔UVC半导体发光二极管，包括基于外延的UVC发光二极管结构，其结构自下而上依次包括：
一n型层1；
一量子阱层2；
一p型层3；
一p型电极4，所述p型电极为制作在p型层上的金属电极或非金属透明导电材料电极；
所述n型层上设有多个从n型层底表面至n型层与量子阱层的界面处的通孔，所述通孔基本垂直于n型层底表面，所述通孔内侧表面蒸镀一层金属层51，在金属层内填充其它金属52，在n型层的底表面上制备有金属电极线条53，所述金属电极线条将所有通孔内的金属层相互连通，形成n型电极5；UVC-LED可以采用公知的各种结构，如：利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)设备，在衬底材料上外延生长AlGaN材料及其他中间氮化物插入层材料，通常的结构是：在蓝宝石、碳化硅或硅等衬底材料上生长缓冲层，然后在缓冲层上依次生长n型层，发光层，p型层。然后将外延获得的结构翻转，去除衬底材料，露出n型层。
其中通孔为直径200nm～5000nm的圆孔、边长直径200nm～5000nm的方孔、或者外接圆直径为200nm～5000nm的三角孔或六角孔。
所述通孔中制备金属及相连电极线条的排布方式，包括圆形、正方形、扇形或者插指型，电极为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag，Mg，Pd或上述金属的多层组合结构，电极为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag或上述金属的多层组合结构。优选为Al。
所述通孔在n型层底表面上周期性规则分布，也可以随机随机分布。
p型电极在p型层上的排布方式为圆形、正方形、扇形或者插指型，或者随机分布，电极为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag，Mg，Pd或上述金属的多层组合结构，优选为Ag，或者为非金属的透明导电材料，比如ITO/Ag。
实施例2
如图3所示，本背电极通孔UVC半导体发光二极管，与实施例1结构基本一致，区别在于仅在所述通孔内侧表面蒸镀一层金属层51，不填充其它金属。
实施例3
如图4所示，本背电极通孔UVC半导体发光二极管，与实施例1结构基本一致，区别在于在n型层的底表面上也设有金属电极54，所述金属电极线条53将所有金属层以及金属电极相互连通，形成n型电极。
实施例4
本背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其步骤包括：
1)在UVC发光二极管中，去除底层衬底材料，露出n型层；
2)在n型层上刻蚀出多个延伸至n型层与量子阱层的界面处的垂直通孔；
3)在垂直通孔侧表面上蒸镀上金属层，并n型层底表面上蒸镀金属电极线条，使得所有通孔的金属层互相连通，形成n型电极，也可以在n型层的底表面上也蒸镀上金属电极，同样以金属电极线条互相连通；
4)在p型层顶表面蒸镀上p型电极。
制备n型电极和p型电极的方式可以采用电子束蒸发或热蒸发。
本发明所指所述n型层上设有多个从n型层底表面至n型层与量子阱层的界面处的通孔，并非要求通孔的底部严格限定在n型层与量子阱层的交界处，一般而言，金属电极不能接触量子阱层，因此，在实际操作时，为防止金属电极接触到量子阱层，让通孔底部与量子阱层之间保持100～300nm的距离，会比较合理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种背电极通孔UVC半导体发光二极管，包括基于外延的UVC发光二极管结构，其结构自下而上依次包括：
一n型层；
一量子阱层；
一p型层；
一p型电极，所述p型电极为制作在p型层上的金属电极或非金属透明导电材料电极；
其特征在于：所述n型层上设有多个从n型层底表面至n型层与量子阱层的界面处的通孔，所述通孔基本垂直于n型层底表面，所述通孔内制备有金属层，在n型层的底表面上制备有金属电极线条，所述金属电极线条将所有通孔内的金属层相互连通，形成n型电极。
2.根据权利要求1所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管，其特征在于：所述金属层为在通孔侧表面蒸镀的一层金属膜，或者为在通孔侧表面蒸镀的一层金属膜，然后用其它金属将通孔完全填充。
3.根据权利要求2所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管，其特征在于：在n型层的底表面上也设有金属电极，所述金属电极线条将所有金属层以及金属电极相互连通，形成n型电极。
4.根据权利要求1所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管，其特征在于：所述通孔为直径200nm～5000nm的圆孔、或者外接圆直径为200nm～5000nm的多边形孔，所述多边形孔需满足其侧面没有凹形表面。
5.根据权利要求1、2或3所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管，其特征在于：所述通孔中制备金属层及相连金属电极线条的排布方式，为圆形、方形、扇形或者插指型，金属层为Ni，Al，Ti，Au，Cr，Ag或上述金属的多层组合结构。
6.根据权利要求1、2或3所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管，其特征在于：所述通孔在n型层底表面上周期性规则分布，或者随机分布。
7.权利要求1-6中任一项所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其步骤包括：
1)在UVC发光二极管中，去除底层衬底材料，露出n型层；
2)在n型层上刻蚀出多个延伸至n型层与量子阱的界面处的垂直通孔；
3)在垂直通孔侧表面上蒸镀上金属层，并n型层底表面上蒸镀金属电极线条，使得所有通孔的金属层互相连通，形成n型电极；
4)在p型层顶表面蒸镀上p型电极。
8.根据权利要求7所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤3中在垂直通孔侧表面上蒸镀上金属层后，再用其它金属将通孔完全填充。
9.根据权利要求8所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其特征在于：制备n型电极和p型电极的方式为电子束蒸发或热蒸发。
10.根据权利要求9所述的背电极通孔UVC半导体发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤3中在n型层底表面上也蒸镀有金属电极。
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