CN114171652B - 一种提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子发光器件技术领域，具体涉及一种提高AlGaN基深紫外(DUV)发光二极管(LED)光提取效率的结构及其应用。所述提高AlGaN基DUV‑LED光提取效率的结构，其p型层由p‑AlGaN层及p‑GaN层组成；所述p‑AlGaN层具有超晶格结构；所述p‑GaN层的厚度控制在2‑10nm之间；所述p型欧姆接触金属为Ag纳米点/Al的复合金属。本发明所述结构可在保证电学性能的前提下具有更高的光提取效率LEE，进而提高其外量子效率EQE，提高了DUV‑LED器件性能。
Description
技术领域
本发明属于光电子发光器件技术领域，具体涉及一种提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构及其应用。
背景技术
AlGaN基固态深紫外(DUV)发光二极管(LED)由于在空气和水的净化、灭菌、紫外固化等方面的广泛应用而备受关注。与传统汞灯之类的气体DUV光源相比，AlGaN基DUV-LED具有体积小、功率大、能耗低、环境友好等优点，因此是一种很有前途的DUV光源。
尽管AlGaN基DUV-LED的研究取得了很大的进步，但与GaN基可见光LED相比，AlGaN基DUV-LED的外量子效率(EQE)仍然保持在较低水平，其中一个非常重要的原因是其光提取效率(LEE)非常低，进而严重阻碍了外量子效率EQE的提高。而阻碍光提取效率LEE提高的主要因素是光学偏振特性、界面处的全反射、以及p-GaN层对DUV光的强吸收，但这些是很难避免的。
为了提高光提取效率LEE，许多研究人员做出了各种努力。例如，使用AlN-δ-GaN量子阱来增加TE模式光比重，进而提高发光偏振度；或者，通过使用鹅眼微结构减弱蓝宝石与空气之间的全反射，增加光提取角度；此外，还有采用透明的p-AlGaN接触层和高反射率的Ni/Mg，Rh，Ni/Al作为p电极以获得更高的LEE，但由于难以获得具有高空穴浓度的p-AlGaN，不良的欧姆接触仍然是一个大障碍，会导致工作电压的增加，从而影响器件寿命。
由此可见，现有提高光提取效率LEE的方法难以平衡器件结构的光提取效率和电学性能。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构。该结构可在保证电学性能的前提下具有更高的光提取效率(LEE)，进而提高其外量子效率EQE，实现了DUV-LED高发光效率的性能目标，解决了目前DUV-LED光提取效率低的问题。
所述提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构，其p型层由p-AlGaN层及p-GaN层组成；其中，所述p-AlGaN层具有超晶格结构；所述p-GaN层的厚度控制在2-10nm之间。
本发明所述的p-AlGaN层具有超晶格结构，从而实现高的空穴浓度；而通过对p-AlGaN层上的p-GaN层厚度的控制，可在保证欧姆接触良好的同时，极大地减少了对正面紫外光的吸收，且具备良好的电学性能，大大提高光提取效率(LEE)，进而提高其外量子效率EQE，实现了DUV-LED高发光效率的性能目标。相比于现有直接采用p-AlGaN层作为欧姆接触金属，本发明所述结构能够显著降低器件的工作电压。
优选地，所述p-GaN层的厚度控制在5-7nm之间，平衡光提取效率及电学性能。
优选地，所述提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构还包括p型欧姆接触金属，所述p型欧姆接触金属为Ag纳米点/Al的复合金属。
本发明研究发现，所述Ag纳米点/Al的复合金属既保证良好的欧姆接触，又具有非常高的紫外光的反射率，形成高反射电极；可在显著降低对p-GaN侧光吸收的同时，大幅提高反射到蓝宝石一侧的紫外光，从而提高器件的光提取效率LEE；而且p电极的欧姆接触性能优良，使得器件工作电压较低，极大地提高了器件的稳定性以及可靠性。
所述p型欧姆接触金属通过下述方法获得：先在所述p-GaN层表面沉积Ag金属层，通过退火形成Ag纳米点结构；再在Ag纳米点的表面沉积Al金属层。研究表明，p-GaN层及其表面的Ag纳米点形成的欧姆接触能够保证结构的电学特性；而Ag纳米点及其表面的Al金属层的配合作用可实现对紫外光的高反射。
进一步优选地，控制所述Ag金属层的厚度为2-10nm，优选为4-6nm，从而既能够保证从连续的金属薄膜形成离散的岛状结构形貌，便于光透过，同时又便于Al金属层在其表面沉积。
进一步优选地，所述退火的条件为：N2氛围下，温度200-500℃；
更优选地，所述退火的温度为350-450℃，退火时间为2-5min。
优选地，控制所述Al金属层的厚度20-200纳米，优选为90-100nm，其目的是为了保证在纳米粒结构表面形成连续的金属薄膜，实现对紫外光的高效反射，同时也避免过厚影响p型欧姆接触金属的性能。
本发明的第二个目的是提供上述结构在制备半导体器件中的应用。
所述半导体器件优选为AlGaN基深紫外发光器件，特别是DUV-LED器件。
本发明的第三目的是提供一种AlGaN基DUV-LED结构的制备方法，包括：
(1)在衬底上依次外延生长AlN缓冲层、应力调制多层结构、n-AlGaN、AlGaN量子阱层、上述p型层；
(2)通过光刻以及ICP刻蚀技术，刻蚀出台面区域；
(3)通过金属剥离的方法，在n-AlGaN层表面沉积N电极，并进行高温合金处理，以形成n型欧姆接触金属；
(4)在p型层的p-GaN层表面形成上述p型欧姆接触金属。
本发明所述的制备方法工艺简单且兼容传统的LED制作工艺。采用基于薄层p-GaN的Ag纳米点/Al金属高反射率电极，在显著降低对p-GaN侧光吸收的同时，大幅提高反射到蓝宝石一侧的紫外光，从而提高了器件的光提取效率LEE；而且p电极的欧姆接触性能优良，使得器件工作电压较低，极大地提高了器件的稳定性以及可靠性。
步骤(1)中，所述衬底可为蓝宝石衬底、AlN衬底或Si衬底。
步骤(1)中，所述应力调制多层结构为AlN/AlGaN层或AlGaN/AlGaN层。
步骤(3)中，所述N电极的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或多种组成。
步骤(3)中，所述高温合金处理的条件为：N2氛围下，温度800-850℃，退火50-55s。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述的p-AlGaN层具有超晶格结构，从而实现高的空穴浓度；而通过对基于p-AlGaN层的p-GaN层厚度的控制，可在保证欧姆接触良好的同时，极大地减少了对正面紫外光的吸收，且具备良好的电学性能，大大提高光提取效率(LEE)，进而提高其外量子效率EQE，实现了DUV-LED高发光效率的性能目标。相比于现有直接采用p-AlGaN层作为欧姆接触金属，本发明所述结构能够显著降低器件的工作电压。
(2)本发明所述的Ag纳米点/Al复合金属既保证良好的欧姆接触，又具有非常高的紫外光的反射率，形成高反射电极；可在显著降低对p-GaN侧光吸收的同时，大幅提高反射到蓝宝石一侧的紫外光，从而提高了器件的光提取效率LEE；而且p电极的欧姆接触性能优良，使得器件工作电压较低，极大地提高了器件的稳定性以及可靠性。
(3)本发明所述的制备方法工艺简单且兼容传统的LED制作工艺。采用基于薄层p-GaN的Ag纳米点/Al金属高反射率电极，在显著降低对p-GaN侧光吸收的同时，大幅提高反射到蓝宝石一侧的紫外光，从而提高了器件的光提取效率LEE；而且p电极的欧姆接触性能优良，使得器件工作电压较低，极大地提高了器件的稳定性以及可靠性。
附图说明
图1是高光提取效率的深紫外LED芯片的结构剖面图；其中(2)-(4)为(1)中虚线椭圆圈标示工艺先后步骤的示意图，其中：
1为蓝宝石衬底，2为AlN层，3为AlN/AlGaN(或AlGaN/AlGaN)应力调制层，4为n-AlGaN层，5为AlGaN量子阱层，6为p-AlGaN层，7为p-GaN层，8为n型欧姆接触金属，9为Ag金属层，10为Ag金属层退火后Ag纳米点，11为高反射Al金属层。
图2是实施例1中所述深紫外LED芯片的外量子效率-电流的函数曲线。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
作为本发明的具体实施方式之一，所述AlGaN基DUV-LED结构的制备方法，包括：
1)在蓝宝石衬底表面1依次外延生长AlN层2、AlN/AlGaN层(或AlGaN/AlGaN)应力调制层3、n-AlGaN层4、AlGaN量子阱层5、p-AlGaN层6、p-GaN层7；
2)通过光刻和ICP刻蚀技术，去除掉部分区域的p-GaN薄层、p-AlGaN层、AlGaN量子阱层及部分的n-AlGaN层，露出n-AlGaN层表面；
3)通过光刻和ICP刻蚀技术，制备出芯片的深刻蚀沟道，延伸至蓝宝石表面，将芯片划分成一个个独立的单元；
4)通过剥离的方法在n-AlGaN层表面制备n型欧姆接触金属8，并在N2氛围中高温(大于800℃的)快速退火50s；具体地，该n型欧姆接触金属为(Ti/Al/Ni/Au)多层金属，如图1(1)所示；
5)通过剥离的方法在p-GaN薄层表面制作一层Ag金属层9，如图1(2)所示，并经过快速退火形成Ag纳米点10，如图1(3)所示；
6)通过剥离的方法在Ag纳米点表面制备高反射Al金属层11，形成具有高反射的Ag纳米点/Al作为p电极，如图1(4)所示。
实施例1
本实施例提供一种增强深紫外LED芯片光提取的方法，包括以下步骤：
(1)利用MOCVD设备在(0001)蓝宝石衬底上依次外延生长2微米厚AlN层、Al0.55Ga0.45N/AlN层周期多层应力调制层、2微米n-Al0.55Ga0.45N层、5对Al0.35Ga0.65N/Al0.5Ga0.5N量子阱结构，Mg掺杂AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN超晶格层，以及5nm厚的p-GaN接触层；
(2)通过光刻和ICP刻蚀技术，去除掉部分区域的p-GaN层、p-AlGaN层、多量子阱层及部分厚度的n-AlGaN层；
(3)通过光刻和ICP刻蚀技术，制备出芯片的深刻蚀沟道，延伸至蓝宝石表面，将芯片划分成一个个独立的单元；
(4)通过剥离的方法，在n-AlGaN层表面沉积Ti/Al/Ni/Au电极，并在850℃的N2氛围中快速退火50s形成欧姆接触；
(5)通过剥离的方法，在p-GaN薄层上沉积4nm厚的Ag层，在400℃的N2氛围中快速退火3min，形成Ag纳米点结构；
(6)通过剥离的方法在Ag纳米点表面沉积100nm厚的Al金属层，实现紫外光的高反射。
效果测试：
1、实施例1制得的发光波长277nm的紫外LED芯片的最大外量子效率(测试电流0-200mA范围)较之于在p-GaN层上采用Ni/Au传统电极结构的紫外LED提高了～58％(如图2)，具有显著增强光提取的效果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构，其特征在于，p型层由p-AlGaN层及p-GaN层组成；
所述p-AlGaN层具有超晶格结构；
所述p-GaN层的厚度控制在2-10nm之间；
所述提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构还包括p型欧姆接触金属，所述p型欧姆接触金属为Ag纳米点/Al的复合金属；
所述p型欧姆接触金属通过下述方法获得：先在所述p-GaN层表面沉积Ag金属层，通过退火形成Ag纳米点结构；再在Ag纳米点的表面沉积Al金属层；所述Ag金属层的厚度为4-6nm；所述Al金属层的厚度为90-100nm。
2.根据权利要求1所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构，其特征在于，所述p-GaN层的厚度控制在5-7nm之间。
3.根据权利要求1所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构，其特征在于，所述退火的条件为：N2氛围下，温度200-500℃。
4.根据权利要求1所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构，其特征在于，所述退火的条件为：N2氛围下，所述退火的温度为350-450℃。
5.权利要求1-4任一所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构在制备半导体器件中的应用。
6.一种AlGaN基DUV-LED结构的制备方法，其特征在于，包括：
（1）在衬底上依次外延生长AlN缓冲层、应力调制多层结构、n-AlGaN、AlGaN量子阱层、权利要求1-4任一所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构中所述p型层；
（2）通过光刻以及ICP刻蚀技术，刻蚀出台面区域；
（3）通过金属剥离的方法，在n-AlGaN层表面沉积N电极，并进行高温合金处理，以形成n型欧姆接触金属；
（4）在p型层的p-GaN层表面形成权利要求1-4任一所述的提高AlGaN基DUV-LED光提取效率的结构中所述p型欧姆接触金属。
7.根据权利要求6所述的AlGaN基DUV-LED结构的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述衬底为蓝宝石衬底、AlN衬底或Si衬底；
和/或，步骤（1）中，所述应力调制多层结构为AlN/AlGaN层或AlGaN/AlGaN层；
和/或，步骤（3）中，所述N电极的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或多种组成；
和/或，步骤（3）中，所述高温合金处理的条件为：N2氛围下，温度800-850℃。
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