CN110459658A - 一种P型GaN层的UV LED芯片及其制备方法 - Google Patents

一种P型GaN层的UV LED芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种P型GaN层的UV LED芯片及其制备方法，包括由下而上依次设置的衬底、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、透明导电膜层、钝化层，所述透明导电膜层上设置有p型欧姆电极，所述n型AlGaN层上设置有N型欧姆电极，所述p型GaN层上刻蚀有规则结构体或不规则结构体。减少了p型GaN层对紫外光的吸收，同时保留了p型GaN层与透明导电膜层的欧姆接触，从而提高UV‑LED的外量子效率和发光功率。

Description

一种P型GaN层的UV LED芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种P型GaN层的UV LED芯片及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近年来，LED逐渐成为最受重视的光源技术之一，一方面LED具有体积小的特征；另一方面LED具备低电流、低电压驱动的省电特性；同时它还具有结构牢固、抗冲击和抗震能力强、超长寿命等众多优点。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。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层不能提供良好的空穴注入效率，导致很难形成良好的欧姆接触，因此在p型层一侧多采用p-GaN层制作p型欧姆接触，来提高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。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。
为了解决此问题，现有技术通常采用倒装和改变P型层的方法。中国专利文献CN105355736A公开的一种具有量子点p区结构的紫外发光二极管(UV-LED)。由于采用GaN或低Al组分AlGaN量子点作为p区材料，易实现Mg掺杂和激活；又因为量子点相较于高维材料具有更大的禁带宽度，可以避免其对紫外出射光的吸收，因此该结构可以从而提高UV-LED的外量子效率和发光功率。但对较短波长的紫外光，该专利描述的技术不能很好避免对紫外出射光的吸收。
发明内容
为了解决现有UV LED芯片制备技术存在的不足，本发明提供了一种能够降低紫外光吸收的P型GaN层的UV LED芯片；
本发明还提供了上述P型GaN层的UV LED芯片的制备方法；
术语解释：
UV LED，紫外发光二极管；
本发明的技术方案为：
一种P型GaN层的UV LED芯片，包括由下而上依次设置的衬底、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、透明导电膜层、钝化层，所述透明导电膜层上设置有p型欧姆电极，所述n型AlGaN层上设置有N型欧姆电极，所述p型GaN层上刻蚀有规则结构体或不规则结构体。
p型GaN层上刻蚀有规则结构体或不规则结构体，减少了p型GaN层对紫外光的吸收，同时保留了p型GaN层与透明导电膜层的欧姆接触，从而提高UV-LED的外量子效率和发光功率。
根据本发明优选的，所述规则结构体或不规则结构体的表面积与所述p型GaN层的表面积的比值为10％-50％。
进一步优选的，所述规则结构体或不规则结构体的表面积与所述p型GaN层的表面积的比值为30％。
根据本发明优选的，所述规则结构体或不规则结构体为圆柱体，圆柱体横截面圆的直径为3-5μm，相邻圆柱体之间的距离为6-10μm。
根据本发明优选的，所述规则结构体或不规则结构体为梯形体或锥形体。
此处设计的优势在于，可以获得较大出光效率。
根据本发明优选的，所述p型GaN层上均匀刻蚀有规则结构体或不规则结构体。
根据本发明优选的，所述量子阱层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，所述电子阻挡层为AlzGa1-zN电子阻挡层，z>y>x，0<x<1，0<y<1，0<z<1。
根据本发明优选的，所述衬底的厚度为10-300nm，所述AlN缓冲层的厚度为10-300nm，所述非掺杂AlGaN缓冲层的厚度为100-2000nm，所述n型AlGaN层的厚度为100-2000nm，所述量子阱层的厚度为5-200nm，所述电子阻挡层的厚度为20-300nm，所述p型GaN层的厚度为10-500nm，所述透明导电膜层的厚度为20-2000nm，所述钝化层的厚度为10-500nm。
根据本发明优选的，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或氮化镓衬底；
所述透明导电膜层为ITO、ZnO或石墨烯；
所述钝化层为SiO2或SiN。
上述P型GaN层的UV LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层，得到AlGaN基外延片；
(2)沿AlGaN基外延片的p型GaN层到n型AlGaN层刻蚀出N型台面结构；
(3)在步骤(2)得到的AlGaN基外延片上利用光刻技术、ICP干法刻蚀技术刻蚀出规则结构体或不规则结构体；
(4)在步骤(3)得到的p型GaN层表面蒸镀透明导电膜层，经退火后蒸镀钝化层；
(5)在步骤(4)得到的晶圆上制备p型欧姆电极和N型欧姆电极；
(6)将步骤(5)得到的晶圆减薄及划裂后得到UVLED芯片。
根据本发明优选的，所述步骤(3)，在步骤(2)得到的AlGaN基外延片上利用光刻技术、ICP干法刻蚀技术刻蚀出规则结构体或不规则结构体，包括步骤如下：
A、在p型GaN层上铺一层光刻胶掩膜；
B、利用光刻技术在光刻胶掩膜上制作规则结构体或不规则结构体对应的规则结构或不规则结构；
C、利用ICP干法刻蚀技术，通入Cl2、BCl3、H2、N2混合气体，通过调节混合气体中的混合比例和刻蚀功率条件，在p型GaN层上形成相应的规则结构体或不规则结构体；
D、去除光刻胶掩膜。
本发明的有益效果为：
本发明通过在P型GaN层上制作周期性孔状结构，减少了GaN层对紫外光的吸收，同时保留了GaN与透明导电层的欧姆接触，从而提高UV-LED的外量子效率和发光功率。
附图说明
图1是本发明UV LED芯片的侧面结构示意图。
图2是本发明p型GaN层上刻蚀圆柱体的结构示意图。
1、衬底，2、AlN缓冲层，3、非掺杂AlGaN缓冲层，4、n型AlGaN层，5、量子阱层，6、电子阻挡层，7、p型GaN层，8、透明导电膜层，9、钝化层，10、p型欧姆电极，11、n型欧姆电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种P型GaN层的UV LED芯片，如图1所示，包括由下而上依次设置的衬底1、AlN缓冲层2、非掺杂AlGaN缓冲层3、n型AlGaN层4、量子阱层5、电子阻挡层6、p型GaN层7、透明导电膜层8、钝化层9，透明导电膜层8上设置有p型欧姆电极9，n型AlGaN层4上设置有N型欧姆电极11，p型GaN层7上均匀刻蚀有圆柱体。p型GaN层7上刻蚀圆柱体的结构示意图如图2所示。
圆柱体的表面积与p型GaN层7的表面积的比值为30％。
圆柱体横截面圆的直径为3μm，相邻圆柱体之间的距离为3μm。
量子阱层5为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，电子阻挡层6为AlzGa1-zN电子阻挡层，0<x<1，0<y<1，0<z<1。
衬底1的厚度为10-300nm，AlN缓冲层2的厚度为10-300nm，非掺杂AlGaN缓冲层3的厚度为100-2000nm，n型AlGaN层4的厚度为100-2000nm，量子阱层5的厚度为5-200nm，电子阻挡层6的厚度为20-300nm、p型GaN层7的厚度为10-500nm，透明导电膜层8的厚度为20-2000nm，钝化层9的厚度为10-500nm。
衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或氮化镓衬底；
透明导电膜层8为ITO、ZnO或石墨烯；
钝化层9为SiO2或SiN。
实施例2
根据实施例1所述的UV LED芯片，其区别在于，p型GaN层7上均匀刻蚀有锥形体。
实施例3
根据实施例1所述的UV LED芯片，其区别在于，p型GaN层7上均匀刻蚀有梯形体。
实施例4
根据实施例1所述的UV LED芯片，其区别在于，p型GaN层7上均匀刻蚀有规则结构体或不规则结构体。采用孔洞光刻图形，规则结构体或不规则结构体内表面可以形成半圆或三角形等。
实施例5
实施例1-4任一所述的UV LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用PECVD(等离子体化学气相沉积)工艺，在衬底1上依次生长AlN缓冲层2、非掺杂AlGaN缓冲层3、n型AlGaN层4、量子阱层5、电子阻挡层6和p型GaN层7，得到AlGaN基外延片；
(2)利用现有的ICP干法刻蚀方法，沿AlGaN基外延片的p型GaN层7到n型AlGaN层4刻蚀出N型台面结构，完成刻蚀后，对GaN基外延片进行去胶清洗。
(3)利用光刻技术在光刻胶掩膜上制作规则结构体或不规则结构体对应的规则结构或不规则结构；利用ICP干法刻蚀技术，通入Cl2、BCl3、H2、N2混合气体，通过调节混合气体中的混合比例和刻蚀功率等条件，在p型GaN层7上形成相应的规则结构体或不规则结构体；去除光刻胶掩膜。
(4)在步骤(3)所得晶圆的表面沉积一层ITO作为透明导电膜层8，在透明导电膜层8上进行光刻，只保留p型GaN层7上对应的透明导电膜层8。
(5)在步骤(3)完成的芯片表面使用PECVD的方法沉积SiO2钝化层8。
(6)分别在透明导电膜层8和n型AlGaN层4上制备p型欧姆电极10、n型欧姆电极11。
(7)将上述晶减薄、划裂后得到UVLED芯片。

Claims (10)

1.一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，包括由下而上依次设置的衬底、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、透明导电膜层、钝化层，所述透明导电膜层上设置有p型欧姆电极，所述n型AlGaN层上设置有N型欧姆电极，所述p型GaN层上刻蚀有规则结构体或不规则结构体。
2.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述规则结构体或不规则结构体的表面积与所述p型GaN层的表面积的比值为10％-50％；
进一步优选的，所述规则结构体或不规则结构体的表面积与所述p型GaN层的表面积的比值为30％。
3.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述规则结构体或不规则结构体为圆柱体，圆柱体横截面圆的直径为3-5μm，相邻圆柱体之间的距离为6-10μm。
4.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述规则结构体或不规则结构体为梯形体或锥形体。
5.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述p型GaN层上均匀刻蚀有规则结构体或不规则结构体。
6.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述量子阱层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，所述电子阻挡层为AlzGa1-zN电子阻挡层，z>y>x，0<x<1，0<y<1，0<z<1。
7.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述衬底的厚度为10-300nm，所述AlN缓冲层的厚度为10-300nm，所述非掺杂AlGaN缓冲层的厚度为100-2000nm，所述n型AlGaN层的厚度为100-2000nm，所述量子阱层的厚度为5-200nm，所述电子阻挡层的厚度为20-300nm，所述p型GaN层的厚度为10-500nm，所述透明导电膜层的厚度为20-2000nm，所述钝化层的厚度为10-500nm。
8.根据权利要求1所述的一种P型GaN层的UV LED芯片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或氮化镓衬底；
所述透明导电膜层为ITO、ZnO或石墨烯；
所述钝化层为SiO2或SiN。
9.权利要求1-8任一所述的一种P型GaN层的UV LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层，得到AlGaN基外延片；
(2)沿AlGaN基外延片的p型GaN层到n型AlGaN层刻蚀出N型台面结构；
(3)在步骤(2)得到的AlGaN基外延片上利用光刻技术、ICP干法刻蚀技术刻蚀出规则结构体或不规则结构体；
(4)在步骤(3)得到的p型GaN层表面蒸镀透明导电膜层，经退火后蒸镀钝化层；
(5)在步骤(4)得到的晶圆上制备p型欧姆电极和N型欧姆电极；
(6)将步骤(5)得到的晶圆减薄及划裂后得到UVLED芯片。
10.根据权利要求9所述的一种P型GaN层的UV LED芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)，在步骤(2)得到的AlGaN基外延片上利用光刻技术、ICP干法刻蚀技术刻蚀出规则结构体或不规则结构体，包括步骤如下：
A、在p型GaN层上铺一层光刻胶掩膜；
B、利用光刻技术在光刻胶掩膜上制作规则结构体或不规则结构体对应的规则结构或不规则结构；
C、利用ICP干法刻蚀技术，通入Cl2、BCl3、H2、N2混合气体，通过调节混合气体中的混合比例和刻蚀功率条件，在p型GaN层上形成相应的规则结构体或不规则结构体；
D、去除光刻胶掩膜。
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