CN113380933A - 具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法 - Google Patents
具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有n‑AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法，包括蓝宝石衬底、AlN层、n‑AlGaN层、多量子阱层、p‑AlGaN层、p‑GaN层、p电极及n电极；n‑AlGaN层及AlN层自上到下依次设置于蓝宝石衬底上，n电极及多量子阱层设置于n‑AlGaN层上，p电极10、p‑GaN层、p‑AlGaN层及多量子阱层自上到下依次设置于n‑AlGaN层上；n‑AlGaN层内设置有纳米多孔结构，其中，所述纳米多孔结构位于n电极及多量子阱层的正下方，该LED器件及其制作方法能够有效实现光提取效率的增强。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法。
背景技术
随着科技的不断发展，紫外光的作用逐渐被人们重视起来。紫外光的应用领域包括：水净化、空气净化、杀菌消毒等，涉及食品安全、医疗、国防等各个领域。
然而经过多年的研究，目前深紫外LED的研究仍然存在问题：迄今为止的深紫外LED都没有取得较大的外量子效率，原因主要是光提取效率低下，主要包括p接触层对紫外光的吸收，多层结构中深紫外光的全内反射(TIR)损失，以及深紫外LED独特的光学偏振特性，更多的光是TM模式，而相较于TE模式而言，TM模式的光提取效率是要远远低于TE模式的。尤其是对于Al组分较高的深紫外LED而言，TM模式影响光提取效率的因素也更大。因此，光提取效率对有源区出射光主要是TM模式偏振的深紫外LED器件而言是一个严峻的问题，要实现高效率的深紫外LED，要么将深紫外LED器件出光的偏振度增大使TE分量增多，要么就需要找到大角度横向出光的方法。
为了提高LED的光提取效率，一些研究者通过将光子晶体与LED器件相结合的方式，或是通过对LED进行粗化等方式从而提高LED的光提取效率。但是这些关于提取光提取效率的方式大多数都是研究了对光提取效率整体的增强，并没有明确区分TE和TM不同模式对光提取效率的影响，对光提取效率的增强有限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法，该LED器件及其制作方法能够有效实现对TM模式光的增强，进而对整体的光提取效率达到增强效果。
为达到上述目的，本发明所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件包括蓝宝石衬底、AlN层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层、p电极及n电极；
n-AlGaN层及AlN层自上到下依次设置于蓝宝石衬底上，n电极及多量子阱层设置于n-AlGaN层上，p电极10、p-GaN层、p-AlGaN层及多量子阱层自上到下依次设置于n-AlGaN层上；
n-AlGaN层内设置有纳米多孔结构，其中，所述纳米多孔结构位于n电极及多量子阱层的正下方。
n-AlGaN层的上表面为台阶形结构。
多量子阱层位于上台阶面上，n电极位于下台阶面上，且n电极与所述纳米多孔结构相接触。
一种具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN基的UV-LED外延层，UV-LED外延层包括AlN层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层及p-GaN层，得样品；
2)对样品进在氮气环境中进行退火，以激活p型导电率；
3)在UV-LED外延层表面打出具有预设间距且依次排布的孔洞；
4)采用选择性电化学刻蚀工艺制备纳米多孔结构；
5)通过光刻定义芯片的台面刻蚀范围，再制备得到芯片的台面；
6)制备p电极及n电极。
p电极的材质为Ni、Ag、Pt、ITO，W合金或者Al。
n电极的材质为Ni、Ti、Pt、Au、Al及V中的一种或几种组成多层金属结构。
选择性电化学刻蚀工艺中的刻蚀电压为10-20V。
选择性电化学刻蚀工艺中的刻蚀液为具有选择性的酸性腐蚀溶液。
孔洞间距小于等于100μm。
使用电感耦合等离子体蚀刻的方法刻蚀并去胶，得芯片的台面。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件及其制作方法在具体操作时，通过使用打孔及选择性电化学刻蚀工艺在n-AlGaN层中制备得到纳米多孔结构，该纳米多孔结构的随机散射能够降低TIR、p-GaN层及有源区对发射光子的再吸收，能够增强TM模式的光子逸出，同时对TE模式也有一定程度的增强作用，TM模式具有更强的增强因子，能够显著提升深紫外LED器件的光提取效率。同时，纳米多孔结构引入的压缩应变松弛有助于抑制非辐射复合的发生并降低量子斯塔克效应(QCES)，助于提高深紫外LED的光输出功率，结构简单，制备工艺易于实现，不需要特殊的外延生长技术和芯片成型技术，操作可实现度高，可以应用于深紫外LED上。
附图说明
图1为在蓝宝石衬底上生长的深紫外LED外延的结构示意图；
图2为激光打孔的示意图；
图3为选择性电化学刻蚀后的结构示意图；
图4为制备的水平结构LED结构示意图；
图5a为纳米多孔结构9的SEM图；
图5b为图5a的放大图。
图6a为对TE模式的增强效果图。
图6b为对TM模式的增强效果图。
图7为具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED的实物图。
其中，1为蓝宝石衬底、2为AlN层、3为n-AlGaN层、4为多量子阱层、5为p-AlGaN层、6为p-GaN层、7为激光束、8为孔洞、9为纳米多孔结构、10为p电极、11为n电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图4，本发明所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件包括蓝宝石衬底1、AlN层2、n-AlGaN层3、多量子阱层4、p-AlGaN层5、p-GaN层6、p电极10及n电极11，其中，n-AlGaN层3及AlN层2自上到下依次设置于蓝宝石衬底1上，n电极1及多量子阱层4设置于n-AlGaN层3上，p电极10、p-GaN层6、p-AlGaN层5及多量子阱层4自上到下依次设置于n-AlGaN层3上；
n-AlGaN层3内设置有纳米多孔结构9，其中，所述纳米多孔结构9位于n电极11及多量子阱层4的正下方，且n-AlGaN层3的上表面为台阶形结构，其中，多量子阱层4位于上台阶面上，n电极11位于下台阶面上，且n电极11与所述纳米多孔结构9相接触。
本发明所述的具有n-AlGaN层3纳米多孔结构9深紫外LED器件的制备方法包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底1上生长AlGaN/GaN基的UV-LED外延层，UV-LED外延层包括AlN层2、n-AlGaN层3、多量子阱层4、p-AlGaN层5及p-GaN层6，参考图1,；
2)将样品在氮气环境中退火，以激活p型导电率；
3)利用激光划片机输出的355nm激光束7在UV-LED外延层表面打出具有80μm～100μm间距且依次排布的孔洞8，其中，所述孔洞8从p-GaN层6表面延伸到n-AlGaN层3内，以便后续刻蚀溶液能直接到达n-AlGaN层3，从而实现选择性电化学刻蚀，参考图2；
4)在室温条件下，选用98％HNO3溶液作为刻蚀液，Pt电极作为阴极，待制备纳米多孔结构9的外延作为阳极，在两电极电池中进行选择性电化学刻蚀，由于电化学刻蚀的特性，刻蚀会优先发生在n-AlGaN层3的缺陷位置，缺陷处刻蚀速率更快，因而会率先形成小坑，并最终变成孔洞结构，因此想要刻蚀出良好的纳米多孔结构9，刻蚀电压需要保持在一个合适的范围，过小会导致得不到多孔结构，而过大则会导致刻蚀过度，也无法形成孔洞结构。因此选用刻蚀电压为10-20V，刻蚀时间为10～30min，参考图3；
5)通过光刻定义出芯片的台面刻蚀范围，并使用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻的方法刻蚀并去胶，得到台面；
6)使用蒸镀方法制备p电极10及n电极11，其中，p电极10的材质为Ni、Ag、Pt、ITO，W合金或者Al，n电极11的材质为Ni、Ti、Pt、Au、Al及V中的一种或几种组成多层金属结构。
Claims (10)
1.一种具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件，其特征在于，包括蓝宝石衬底(1)、AlN层(2)、n-AlGaN层(3)、多量子阱层(4)、p-AlGaN层(5)、p-GaN层(6)、p电极(10)及n电极(11)；
n-AlGaN层(3)及AlN层(2)自上到下依次设置于蓝宝石衬底(1)上，n电极(1)及多量子阱层(4)设置于n-AlGaN层(3)上，p电极(10)、p-GaN层(6)、p-AlGaN层(5)及多量子阱层(4)自上到下依次设置于n-AlGaN层(3)上；
n-AlGaN层(3)内设置有纳米多孔结构(9)，其中，所述纳米多孔结构(9)位于n电极(11)及多量子阱层(4)的正下方。
2.根据权利要求1所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件，其特征在于，n-AlGaN层(3)的上表面为台阶形结构。
3.根据权利要求1所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件，其特征在于，多量子阱层(4)位于上台阶面上，n电极(11)位于下台阶面上，且n电极(11)与所述纳米多孔结构(9)相接触。
4.一种具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底(1)上生长AlGaN/GaN基的UV-LED外延层，UV-LED外延层包括AlN层(2)、n-AlGaN层(3)、多量子阱层(4)、p-AlGaN层(5)及p-GaN层(6)，得样品；
2)对样品进在氮气环境中进行退火，以激活p型导电率；
3)在UV-LED外延层表面打出具有预设间距且依次排布的孔洞(8)；
4)采用选择性电化学刻蚀工艺制备纳米多孔结构(9)；
5)通过光刻定义芯片的台面刻蚀范围，再制备得到芯片的台面；
6)制备p电极(10)及n电极(11)。
5.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，p电极(10)的材质为Ni、Ag、Pt、ITO，W合金或者Al。
6.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，n电极(11)的材质为Ni、Ti、Pt、Au、Al及V中的一种或几种组成多层金属结构。
7.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，选择性电化学刻蚀工艺中的刻蚀电压为10-20V。
8.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，选择性电化学刻蚀工艺中的刻蚀液为具有材料选择性的酸性腐蚀溶液。
9.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，孔洞(8)间距小于等于100μm。
10.根据权利要求4所述的具有n-AlGaN层纳米多孔结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，使用电感耦合等离子体蚀刻的方法刻蚀并去胶，得芯片的台面。
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