CN116995162A - 垂直型深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直型深紫外发光二极管及其制备方法，垂直型深紫外发光二极管从上至下依次包括N型电极、N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层、金属材料层以及键合衬底，其中，垂直型深紫外发光二极管的内部还设置有多个凹槽，每一凹槽完全贯穿N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层以及金属材料层；本发明通过在垂直型深紫外发光二极管的内部设计的多个凹槽可以减少P型GaN层以及键合衬底对量子阱有源层发射至键合衬底方向的紫外光的吸收，同时凹槽完全贯穿N型GaN层以及量子阱有源层，有利于量子阱有源层发射至N型电极方向的紫外光沿凹槽侧面发生漫反射，进一步提升了垂直型深紫外发光二极管的发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种垂直型深紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
近年来，对于大功率照明发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的研究已经成为趋势，然而传统同侧结构的LED芯片存在电流拥挤、电压过高和散热难等缺点，很难满足大功率的需求，而垂直LED芯片不仅可以有效地解决大电流注入下的拥挤效应，还可以缓解大电流注入所引起的内量子效率降低，改善垂直LED芯片的光电性能。
目前垂直LED芯片的制备工艺主要为，在衬底上(一般为蓝宝石材料)生长GaN基外延层，在该GaN基外延层上制作接触层和金属反射层，然后采用电镀或基板键合(Waferbonding)的方式制作导热性能良好的导热基板，同时也作为GaN基外延层的新衬底，再通过激光剥离的方法使蓝宝石衬底和GaN基外延层分离，P-GaN外延层转移到金属基板上，这样使得LED芯片的散热性能会更好，之后再形成N型电极。然而，现有垂直型深紫外LED器件中的P-GaN外延层对紫外光的吸收较多，且垂直型深紫外LED器件的电流垂直流过整个器件，从而导致在高电流驱动下键合衬底下方的紫外光就会大部分被键合衬底吸收。而键合衬底用于连接键合层并且面积较大，就造成紫外光在垂直型深紫外LED器件上的发光利用率不高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种垂直型深紫外发光二极管及其制备方法，用于改善现有技术的垂直型深紫外发光二极管的发光强度较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种垂直型深紫外发光二极管，从上至下依次包括N型电极、N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层、金属材料层以及键合衬底；
其中，垂直型深紫外发光二极管的内部还设置有多个凹槽，每一凹槽完全贯穿N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层以及金属材料层。
优选地，金属材料层从上至下依次包括电流扩展层、反射层以及组合金属键合层；
其中，电流扩展层的材质为ITO、Al、ZnO以及AZO中的任意一种，反射层的材质为Al以及Ag中的至少一种，组合金属键合层的材质为Au-Au、Au-Sn以及Sn-Sn中的任意一种。
优选地，垂直型深紫外发光二极管还包括电流阻挡层，电流阻挡层位于N型电极与N型GaN层之间，N型电极完全覆盖电流阻挡层并与N型GaN层相接触。
优选地，电流阻挡层的厚度范围为电流阻挡层的长度范围为10μm～100μm。
优选地，N型电极的材质为Ni、Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni/Au合金、Cr/Al/Ti/Pt/Au合金以及Cr/Pt/Au合金中的任意一种；键合衬底的材质为Si、SiC以及Cu中的任意一种。
优选地，相邻两凹槽的间距相等，凹槽的深度范围为0.5um～5um。
相应地，本发明还提供一种如上任一项的垂直型深紫外发光二极管的制备方法，方法包括：
S10，在一生长衬底上依次外延生长未掺杂层、N型GaN层、量子阱有源层以及P型GaN层；
S20，对P型GaN层的上表面进行刻蚀处理以形成多个第一子凹槽，每一第一子凹槽贯穿P型GaN层以及至少一部分量子阱有源层；
S30，在P型GaN层上形成金属材料层，并对金属材料层的上表面进行刻蚀处理以形成多个第二子凹槽，每一第二子凹槽完全贯穿金属材料层，并暴露出对应的第一子凹槽；
S40，在金属材料层上形成键合衬底；
S50，分别剥离生长衬底以及未掺杂层，以暴露出N型GaN层；
S60，对N型GaN层远离金属材料层的一侧表面进行刻蚀处理以形成多个第三子凹槽，每一第三子凹槽完全贯穿N型GaN层，并暴露出对应的第一子凹槽；
S70，在N型GaN层远离金属材料层的一侧表面形成N型电极。
优选地，S10步骤中，未掺杂层的材质为非掺杂的GaN，未掺杂层的厚度范围为10nm～100nm。
优选地，S60步骤之前还包括：对N型GaN层远离金属材料层的一侧表面进行平整化处理。
优选地，平整化处理选用湿法刻蚀工艺或者研磨工艺，湿法刻蚀工艺中选用刻蚀溶液为KOH或H2SO4。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种垂直型深紫外发光二极管及其制备方法，垂直型深紫外发光二极管从上至下依次包括N型电极、N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层、金属材料层以及键合衬底，其中，垂直型深紫外发光二极管的内部还设置有多个凹槽，每一凹槽完全贯穿N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层以及金属材料层；本发明通过在垂直型深紫外发光二极管的内部设计多个凹槽，且每一凹槽完全贯穿N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层以及金属材料层，从而可以减小P型GaN层、键合衬底以及金属材料层中三者的截面积，进而减少P型GaN层以及键合衬底对量子阱有源层发射至键合衬底方向的紫外光的吸收，同时凹槽完全贯穿N型GaN层以及量子阱有源层，有利于量子阱有源层发射至N型电极方向的紫外光沿凹槽侧面发生漫反射，进一步提升了垂直型深紫外发光二极管的发光强度。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管的截面结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管的制备方法流程图；
图3A至图3G为本发明实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管的制备方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，均属于本发明保护的范围。
现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。
请参阅图1，图1为本发明实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管1000的截面结构示意图；本发明提供了一种垂直型深紫外发光二极管1000，该垂直型深紫外发光二极管1000的主要出光方向为如图1所示的第一方向D1，垂直型深紫外发光二极管1000从上至下依次包括N型电极90、N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50、金属材料层60以及键合衬底70；
其中，垂直型深紫外发光二极管1000的内部还设置有多个凹槽100，每一凹槽100完全贯穿N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50以及金属材料层60。
下面对本发明实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管1000的各个部分进行详细介绍。
在本发明实施例中，N型电极90的材质为Ni、Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni/Au合金、Cr/Al/Ti/Pt/Au合金以及Cr/Pt/Au合金中的任意一种。
在本发明实施例中，N型GaN层30采用掺杂Si元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；N型GaN层30的厚度优选1μm～10μm。
具体地，垂直型深紫外发光二极管1000还包括电流阻挡层80，电流阻挡层80位于N型电极90与N型GaN层30之间，N型电极90完全覆盖电流阻挡层80并与N型GaN层30相接触；其中，借助于电流阻挡层80的阻挡作用，可以减少N型GaN层30与N型电极90之间的电流拥挤以及N型电极90下面的紫外光将会被N型电极90吸收而降低垂直型深紫外发光二极管1000的发光强度的问题。
优选地，电流阻挡层80的材质为二氧化硅，厚度范围为长度范围为10μm～100μm。
在本发明实施例中，量子阱有源层40的材料为：InGaN/GaN，并且InGaN层的厚度介于1nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～15nm之间。
在本发明实施例中，P型GaN层50采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；P型GaN层50的厚度优选1μm～10μm。
在本发明实施例中，金属材料层60从上至下依次包括电流扩展层、反射层以及组合金属键合层；
其中，电流扩展层的材质为ITO、Al、ZnO以及AZO中的任意一种，反射层的材质为Al以及Ag中的至少一种，组合金属键合层的材质为Au-Au、Au-Sn以及Sn-Sn中的任意一种。
具体地，电流扩展层可以减少P型GaN层50与键合衬底70之间的电流拥挤；射层用于将量子阱有源层40出射至键合衬底70方向的紫外光反射，使这部分紫外光经N型GaN层30方向出射；组合金属键合层用于将反射层与键合衬底70键合。
在本发明实施例中，键合衬底70的材质为Si、SiC以及Cu中的任意一种；键合衬底70在本发明实施例中复用为P型电极。
在本发明实施例中，垂直型深紫外发光二极管1000的内部还设置有多个凹槽100，每一凹槽100完全贯穿N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50以及金属材料层60；其中，每一凹槽100完全贯穿N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50以及金属材料层60，从而可以减小P型GaN层50、键合衬底70以及金属材料层60中三者的截面积，进而减少P型GaN层50以及键合衬底70对量子阱有源层40发射至键合衬底70方向的紫外光的吸收，同时凹槽100完全贯穿N型GaN层30以及量子阱有源层40，有利于量子阱有源层40发射至N型电极90方向的紫外光沿凹槽100侧面发生漫反射，进一步提升了垂直型深紫外发光二极管1000的发光强度。
优选地，相邻两凹槽100的间距相等，凹槽100的深度范围为0.5um～5um。
相应地，请参阅图2，本发明还提供一种如上任一项的垂直型深紫外发光二极管1000的制备方法，上述制备方法中的几个步骤主要在Veeco K465i型号的MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备中实现，其中，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，MOCVD设备中反应腔的压力控制在20～100torr。
具体地，垂直型深紫外发光二极管1000的制备方法具体包括：
S10，在一生长衬底10上依次外延生长未掺杂层20、N型GaN层30、量子阱有源层40以及P型GaN层50。
具体地，S10步骤具体包括：
首先，将一生长衬底10放入至MOCVD设备中，生长衬底10通常为蓝宝石衬底(氧化铝材质)、Si衬底、SiC衬底或图形化蓝宝石衬底中的任意一种；
之后，在生长衬底10上生长未掺杂层20，该未掺杂层20的生长条件为：在N2氛围下，生长温度介于450℃～550℃之间，生长时间为3min；未掺杂层20的材质为非掺杂的GaN，未掺杂层20的厚度范围为10nm～100nm。其中，未掺杂层20的作用如下：一方面，为生长高质量的N型GaN层30，即为本实施例的N型GaN层30提供成核点；另一方面，未掺杂层20能够在采用激光剥离去除生长衬底10的步骤时很好的保护位于未掺杂层20下方的N型GaN层30，避免了N型GaN层30遭受激光光斑交界带来的损伤；
之后，在未掺杂层20上外延生长N型GaN层30，采用同时通NH3源和Ga源的方法进行N型GaN层30的生长；其中，N型GaN层30的生长温度介于1000℃～1100℃之间，在生长过程中还通入SiH4；
之后，在N型GaN层30上外延生长量子阱有源层40；量子阱有源层40的材料为：InGaN/GaN，并且InGaN层的厚度介于1nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～15nm之间；
最后，在量子阱有源层40上外延生长P型GaN层50，P型GaN层50采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；P型GaN层50的厚度优选1μm～10μm之间。其中，P型GaN层50的制备过程与N型GaN层30的制备过程类似，在制备过程中通入二茂镁，得到掺杂Mg元素的P型GaN层50，如图3A所示。
S20，对P型GaN层50的上表面进行刻蚀处理以形成多个第一子凹槽101，每一第一子凹槽101贯穿P型GaN层50以及至少一部分量子阱有源层40。
具体地，S20还包括：
首先将S10步骤中获得的外延层结构转移至等离子刻蚀设备中；之后，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP，Inductively Couple Plasma)对P型GaN层50远离量子阱有源层40的一侧表面进行刻蚀处理以形成多个第一子凹槽101，每一第一子凹槽101贯穿P型GaN层50以及至少一部分量子阱有源层40；其中，第一子凹槽101的深度大于P型GaN层50的厚度，第一子凹槽101的宽度不作限制，相邻两第一子凹槽101的间距也不作限制，如图3B所示。
S30，在P型GaN层50上形成金属材料层60，并对金属材料层60的上表面进行刻蚀处理以形成多个第二子凹槽102，每一第二子凹槽102完全贯穿金属材料层60，并暴露出对应的第一子凹槽101。
具体地，S30还包括：
首先将S20步骤得到的外延层结构采用物理气相沉积工艺中以对P型GaN层50远离量子阱有源层40的一侧表面进行金属镀膜处理以形成金属材料层60；
之后，对金属材料层60远离P型GaN层50的一侧表面进行电感耦合等离子体刻蚀以形成多个第二子凹槽102，每一第二子凹槽102完全贯穿金属材料层60，并暴露出对应的第一子凹槽101；其中，金属材料层60包括电流扩展层、反射层以及组合金属键合层，电子扩展层与P型GaN层50相接触，反射层位于电流扩展层和组合金属键合层之间，如图3C所示。
具体地，第二子凹槽102的深度等于金属材料层60的厚度，第二子凹槽102的宽度与第一子凹槽101的宽度，相邻两第二子凹槽102的间距也与相邻两第一子凹槽101的间距相等。
S40，在金属材料层60上形成键合衬底70。
具体地，S40还包括：
在金属材料层60远离P型GaN层50的一侧表面形成键合衬底70，键合衬底70的材质为Si、SiC或Cu。键合衬底70和金属材料层60中组合金属键合层之间采用高温键合法进行键合，如图3D所示。
S50，分别剥离生长衬底10以及未掺杂层20，以暴露出N型GaN层30。
具体地，S50还包括：
采用激光分别剥离生长衬底10以及未掺杂层20，暴露出N型GaN层30远离量子阱有源层40的一侧表面，如图3E所示。
S60，对N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面进行刻蚀处理以形成多个第三子凹槽103，每一第三子凹槽103完全贯穿N型GaN层30，并暴露出对应的第一子凹槽101。
具体地，S60还包括：
首先，对N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面进行平整化处理，平整化处理选用湿法刻蚀工艺或者研磨工艺，湿法刻蚀工艺中选用刻蚀溶液为KOH或H2SO4；其中，对N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面进行平整化处理可以减少N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面的粗糙度，从而提高N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面的透光率，同时由于N型GaN层30作为垂直型深紫外发光二极管1000的出光层，因此对N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面进行平整化处理有利于增加垂直型深紫外发光二极管1000的出光效率；
之后，对N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面进行电感耦合等离子体刻蚀以形成多个第三子凹槽103，每一第三子凹槽103完全贯穿N型GaN层30，并暴露出对应的第一子凹槽101；其中，第三子凹槽103的深度大于N型GaN层30的厚度，第三子凹槽103的宽度与第一子凹槽101的宽度，相邻两第三子凹槽103的间距也与相邻两第一子凹槽101的间距相等；第一子凹槽101、第二子凹槽102以及第三子凹槽103组成上述凹槽100，如图3F所示。
S70，在N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面形成N型电极90。
具体地，S70还包括：
首先，在N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面形成电流阻挡层80；之后，在N型GaN层30远离金属材料层60的一侧表面形成N型电极90，N型电极90完全覆盖电流阻挡层80且与N型GaN层30相接触，如图3G所示。
需要说明的是，本公开GaN基垂直LED结构的制备方法中的实验条件可以根据实际情况进行适应性调整，不局限于本实施例中列举的参数。
综上，区别于现有技术的情况，本发明提供了一种垂直型深紫外发光二极管1000及其制备方法，垂直型深紫外发光二极管1000从上至下依次包括N型电极90、N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50、金属材料层60以及键合衬底70，其中，垂直型深紫外发光二极管1000的内部还设置有多个凹槽100，每一凹槽100完全贯穿N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50以及金属材料层60；本发明通过在垂直型深紫外发光二极管1000的内部设计多个凹槽100，且每一凹槽100完全贯穿N型GaN层30、量子阱有源层40、P型GaN层50以及金属材料层60，从而可以减小P型GaN层50、键合衬底70以及金属材料层60中三者的截面积，进而减少P型GaN层50以及键合衬底70对量子阱有源层40发射至键合衬底70方向的紫外光的吸收，同时凹槽100完全贯穿N型GaN层30以及量子阱有源层40，有利于量子阱有源层40发射至N型电极90方向的紫外光沿凹槽100侧面发生漫反射，进一步提升了垂直型深紫外发光二极管1000的发光强度。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，从上至下依次包括N型电极、N型GaN层、量子阱有源层、P型GaN层、金属材料层以及键合衬底；
其中，所述垂直型深紫外发光二极管的内部还设置有多个凹槽，每一所述凹槽完全贯穿所述N型GaN层、所述量子阱有源层、所述P型GaN层以及所述金属材料层。
2.根据权利要求1所述的垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，所述金属材料层从上至下依次包括电流扩展层、反射层以及组合金属键合层；
其中，所述电流扩展层的材质为ITO、Al、ZnO以及AZO中的任意一种，所述反射层的材质为Al以及Ag中的至少一种，所述组合金属键合层的材质为Au-Au、Au-Sn以及Sn-Sn中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，所述垂直型深紫外发光二极管还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N型电极与所述N型GaN层之间，所述N型电极完全覆盖所述电流阻挡层并与所述N型GaN层相接触。
4.根据权利要求1所述的垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，所述电流阻挡层的厚度范围为所述电流阻挡层的长度范围为10μm～100μm。
5.根据权利要求1所述的垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，所述N型电极的材质为Ni、Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni/Au合金、Cr/Al/Ti/Pt/Au合金以及Cr/Pt/Au合金中的任意一种；所述键合衬底的材质为Si、SiC以及Cu中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的垂直型深紫外发光二极管，其特征在于，相邻两所述凹槽的间距相等，所述凹槽的深度范围为0.5um～5um。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的垂直型深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S10，在一生长衬底上依次外延生长未掺杂层、所述N型GaN层、所述量子阱有源层以及所述P型GaN层；
S20，对所述P型GaN层的上表面进行刻蚀处理以形成多个第一子凹槽，每一所述第一子凹槽贯穿所述P型GaN层以及至少一部分所述量子阱有源层；
S30，在所述P型GaN层上形成所述金属材料层，并对所述金属材料层的上表面进行刻蚀处理以形成多个第二子凹槽，每一所述第二子凹槽完全贯穿所述金属材料层，并暴露出对应的所述第一子凹槽；
S40，在所述金属材料层上形成所述键合衬底；
S50，分别剥离所述生长衬底以及所述未掺杂层，以暴露出所述N型GaN层；
S60，对所述N型GaN层远离所述金属材料层的一侧表面进行刻蚀处理以形成多个第三子凹槽，每一所述第三子凹槽完全贯穿所述N型GaN层，并暴露出对应的所述第一子凹槽；
S70，在所述N型GaN层远离所述金属材料层的一侧表面形成所述N型电极。
8.根据权利要求7所述的垂直型深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述S10步骤中，所述未掺杂层的材质为非掺杂的GaN，所述未掺杂层的厚度范围为10nm～100nm。
9.根据权利要求7所述的垂直型深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述S60步骤之前还包括：对所述N型GaN层远离所述金属材料层的一侧表面进行平整化处理。
10.根据权利要求9所述的垂直型深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述平整化处理选用湿法刻蚀工艺或者研磨工艺，所述湿法刻蚀工艺中选用刻蚀溶液为KOH或H2SO4。
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