CN103165775A - 一种具有高反射薄膜的紫外发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高反射薄膜结构的AlGaN基紫外发光二极管器件及制作方法，其涉及微电子技术领域，主要解决紫外发光二极管背面出光结构中出光效率低的问题。该器件依次包括：衬底、AlN成核层、n型AlGaN势垒层、有源区、p型AlGaN势垒层和p型GaN冒层；其中，所述p型AlGaN势垒层上制作有高反射薄膜，用于将光反射后从器件底部发射出去。本发明提出的紫外发光二极管中被p型GaN冒层吸收的光线经过高反射薄膜的反射，由底部发出，极大的提高了出射光的功率和效率。本发明工艺简单，重复性好，可靠性高，可用于空气/水净化，医疗，生物医学，白光照明以及空间通信等领域中。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是一种具有共振高反射膜的紫外发光二极管及其制作方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料作为第三代半导体材料的杰出代表，具有很多优良的特性，尤其是在光学应用方面，由Ga、Al、In、N组成的合金{Ga(Al，In)N}可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。而且纤铸矿结构的III族氮化物都是直接带隙，非常适合于光电子器件的应用。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。然而，随着LED发光波长的变短，GaN基LED有源层中Al组分越来越高，高质量AlGaN材料的制备具有很大难度，AlGaN材料造成UV-LED的外量子效率和光功率都很低，成为了UV-LED发展的瓶颈，是当前急需解决的问题。
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层难以形成良好的欧姆接触，提供良好的空穴注入效率，因此在p型层一侧多采用p-GaN层制作p型欧姆接触，以提高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和光辐射功率损失严重。虽然银反射镜对蓝光的反射率达到90％以上，但是对200nm-365nm波段的紫外光的反射率较低(＜10％)。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。铝在紫外波段的反射率较高，但是由于P型层的功函数较高(7.5eV)，而铝的功函数只有4.28eV，因此铝与P型层难以获得欧姆特性的接触。目前，200-365nm波段的紫外发光二极管为了获得较好的电学性能，一般不使用反射镜。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种具有高反射薄膜结构的AlGaN基紫外发光二极管器件及制作方法，其涉及微电子技术领域，主要解决紫外发光二极管背面出光结构中出光效率低的问题。
本发明公开了一种高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置，该装置依次包括：衬底(11)、AlN成核层(12)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、p型AlGaN势垒层(15)和p型GaN冒层(16)；其中，所述p型AlGaN势垒层上制作有高反射薄膜(110)，用于将光反射后从器件底部发射出去。
本发明还公开了一种高反射紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上的顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，其中所述窗口区内保留有一部分p型GaN冒层(16)；
步骤4、在所述n型AlGaN台面上光刻出n型电极图形，并在所述n型电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型欧姆接触电极(17)；
步骤5、在所保留的p型GaN冒层(16)顶部光刻出p型电极图形，并在所述p型电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型欧姆接触电极(18)；
步骤6、在所述反射窗口制作高反射薄膜，完成所述高反射紫外发光二极管的制作。
本发明公开的上述AlGaN基高反射紫外发光二极管及其制作方法，其应用于倒装结构、倒装薄膜或垂直结构的紫外发光二极管，将部分p-GaN层刻蚀掉，制作具有高反射率(＞80％)的高反射镜结构提高发光二极管的光提取效率；在未刻蚀的p-GaN层上制作p型欧姆接触电极，使器件既具有良好的欧姆接触性能，又具有较高的紫外反射率，从而保证紫外发光二极管的较好的电学性能的条件下，提高发光二极管的光提取效率。
本发明提出的紫外发光二极管中被p型GaN冒层吸收的光线经过高反射薄膜的反射，由底部发出，极大的提高了出射光的功率和效率。本发明公开的上述方法可以有效的提高紫外发光二极管的光提取效率，可用于空气与水净化，医疗与生物医学，白光以及特种照明，空间通信等领域。
附图说明
图1为本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管装置的截面结构和俯视示意图；
图2为本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管装置的外延结构示意图；
图3为本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管装置电极制作过程中结构变化示意图；
图4为本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管装置中制作了高反射薄膜后的结构示意图。
图5为本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管装置的制作方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明公开了一种AlGaN基高反射紫外发光二极管装置。
图1示出了本发明所公开的所述AlGaN基高反射紫外发光二极管装置的截面和俯视结构示意图。如图1所示，所述AlGaN基高反射紫外发光二极管装置包括：
衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、SiC或AlN；
AlN成核层12，其采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)的方法生长在衬底11上，AlN成核层分为两层。第一层是低温成核层121，其生长温度550℃-650℃，优选为600℃，厚度为20-100nm，优选为50nm；第二层是高温模板层122，其生长温度为1100℃-1250℃，优选为1200℃，其厚度为500-5000nm，优选为1200nm；其中，所述低温成核层生长在所述衬底11上，而高温模板层122生长在所述低温成核层121上；
n型AlGaN势垒层13，其采用MOCVD法生长在AlN成核层12的高温模板层122上，其厚度为1-5μm，优选为3μm；
具有一个或多个量子阱的有源区14，其采用MOCVD法生长在n型AlGaN层13上，其材料为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，其中0≤x＜y≤1，单层量子阱和量子垒的厚度分别是1-6nm/7-20nm，优选3nm/10nm，包含1-10个量子阱，优选为5；
p型AlGaN势垒层15，其采用MOCVD法生长在有源区14上，p型AlGaN势垒层15分为两层，第一层为高Al组分p型AlGaN层151，其制作在有源区14的顶部，第二层为低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152，其制作在高Al组分p型AlGaN层151的顶部；p型AlGaN势垒层15的Al组分含量均高于有源区14中势阱AlGaN的Al组分含量，总厚度要求大于0.5λ，最好在40-100nm之间，优选为70nm；
其中，λ为有源区14的辐射电磁波在该种材料中的波长。因此各种材料和厚度的描述中相对于有源区14的中心辐射波长的尺寸，其具体计算设计中需要参考该材料对有源区14的中心辐射波长的折射率影响。例如，有源区14的中心辐射波长在真空中为300nm，假设材料的折射率系数为3，则0.5λ描述的材料厚度为50nm(＝0.5*300/3)；
p型GaN冒层16，其采用MOCVD法生长在p型AlGaN势垒层15的低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层(152)上，其材料为GaN，其厚度为100nm-4000nm，优选为200nm，其空穴浓度为5×1017cm-3-1019cm-3，优选为8×1018cm-3；
n型欧姆接触电极17，其采用真空蒸发或者溅射的方式制作在n型AlGaN势垒层13上。其中，在制作n型欧姆接触电极17前，需要通过台面工艺从p型GaN冒层16正面选择台面区域刻蚀到n型AlGaN势垒层13中，并将所述n型欧姆接触电极17制作在刻蚀出的n型AlGaN势垒层13台面上；要求刻蚀后的n型AlGaN势垒层13台面低于n型AlGaN势垒层13顶部/有源区14的底部100nm-4000nm，优选800nm，并要求n型欧姆接触电极17与台面刻蚀形成的侧壁中间保持一段距离，通常为5-100μm，优选15μm；
所述n型欧姆接触电极17选用金属制成，可以为Ti/Al/Ti/Au，Ti/Al/Pt/Au，V/Al/V/Au，Ti/Al/Ni/Au中的一种，各层厚度范围依次为50-600nm/100-3000nm/50-600nm/200-2000nm，退火条件为退火温度450℃-950℃，退火时间20s-120s，空气或N2气氛；优选地，其厚度为200nm/600nm/200nm/1000nm，退火条件为800℃，60s；
p型欧姆接触层18，其采用蒸发或者溅射的方式制作在p型GaN冒层16上。所述p型欧姆接触层18选用金属制成，可以为Ni/Ag，Ni/Au中的一种，厚度为5-200nm/5-400nm，退火条件为退火温度400℃-600℃，退火时间20-120s，空气或N2气氛；优选的Ni/Au，其厚度为50nm/100nm，退火条件为550℃，60s；
SiO2侧壁保护层19，其采用PECVD的方式制作在p型GaN冒层16的侧壁上，厚度为20-500nm，优选为200nm；为达到理想的侧壁保护效果，要求SiO2侧壁保护层19除制作在p型GaN冒层16的侧壁上以外，其上部延伸覆盖部分p型GaN冒层16顶部，其下部延伸覆盖部分反射窗口区的低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152，延伸部分宽度5-50μm，优选10μm；
高反射薄膜110，其采用蒸发、溅射或者电镀的方式制作在反射窗口区的低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152上，与SiO2侧壁保护层19侧壁可以相接或保留小于50μm的空隙，优选10μm，并与SiO2侧壁保护层19底部延伸部分相接。在制作所述高反射薄膜110时，首先对p型GaN冒层区域上进行刻蚀，得到任意形状的p型AlGaN势垒层15反射窗口区域，然后在该区域制作高反射薄膜110。所述高反射薄膜为具有高反射率(＞80％)的双层薄膜高反射镜结构，该紫外发光二极管装置利用该高反射镜结构将光反射后从器件底部发射，以提高出光效率。所述高反射薄膜的第一层材料为金属铝，厚度为5-3000nm，优选为200nm，其制作在低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152表面或其中，高反射薄膜的第二层材料为MgF2，LiF，金属Pt或者金属Rh中的一种，但并不仅限于以上几种材料组合，其厚度为5-3000nm，优选为250nm，其制作在第一层高反射薄膜上。
图2示出了本发明中上述AlGaN基高反射紫外发光二极管装置的外延结构示意图。如图2所示，所述外延结构包括：衬底11、AlN成核层12、n型AlGaN势垒层13、有源区14、p型AlGaN势垒层15和p型GaN冒层16。
本发明还公开了一种AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置的制作方法。
图3示出了本发明中AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置制作过程中结构变化图。图5示出了本发明公开的一种AlGaN基高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置的制作方法流程图。如图5所示，所述方法包括：
步骤A、生长外延结构。
在蓝宝石基片11上，利用MOCVD工艺，按照自下而上的顺序生长低温AlN成核层121、高温AlN模板层122、n型AlGaN势垒层13、有源区14、高Al组分p型AlGaN势垒层151、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152、p型GaN冒层16，完成所述紫外发光二极管装置外延结构的制作，所述外延结构如图2所示；
步骤B、制作电极。图3示出了电极制作过程中所述紫外发光二极管结构的变化示意图，其具体包括：
步骤(B1)、采用ICP或者RIE工艺从顶部的将p型GaN冒层16的部分刻蚀至n型AlGaN势垒层13中，形成n型AlGaN台面；其中，所刻蚀后的n型AlGaN势垒层13台面低于n型AlGaN势垒层13顶部/有源区14的底部100nm-4000nm，优选800nm；
步骤(B2)、在未被刻蚀的p型GaN冒层16上光刻任意形状的反射窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀反射窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152的表面或表面以下，形成任意形状的反射窗口；其中反射窗口区在未被刻蚀的p型GaN冒层16上的相对位置和窗口形状可任意选择，并需要保留一部分p型GaN冒层16仍未被刻蚀，以便于后期在保留的p型GaN冒层16顶部制作p型电极；
步骤(B3)、在p型GaN冒层16的侧壁制作SiO2钝化层，其具体实施方式如下：光刻反射窗口区与未刻蚀的p型GaN冒层16交界位置，选取宽度10-100μm，优选为30μm，采用PECVD工艺制作SiO2钝化层，形成SiO2侧壁保护层19，保护p型GaN冒层16的侧壁；为达到理想的侧壁保护效果，要求SiO2侧壁保护层19除制作在p型GaN冒层16的侧壁上以外，其上部延伸覆盖部分p型GaN冒层16顶部，其下部延伸覆盖部分反射窗口区的低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层152经(B2)步骤刻蚀后形成的表面，延伸部分宽度5-50μm，优选10μm；
步骤(B4)、在所述n型AlGaN台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型欧姆接触电极17；所述n型欧姆接触电极17与台面刻蚀形成的侧壁中间保持一段距离，通常为5-100μm，优选15μm；
步骤(B5)、在未被SiO2侧壁保护层19覆盖的p型GaN冒层16顶部光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型欧姆接触电极18。
其中，所述B4步骤也可提前到步骤B1完成之后进行。
步骤C、制作高反射膜结构。图4示出了制作了高反射薄膜后所述紫外发光二极管装置的结构示意图。制作所述高反射薄膜的流程具体如下：
在反射窗口区采用蒸发镀膜、溅射镀膜或者电镀的方式依次顺序制作第一层高反射薄膜金属Al和第二层高反射薄膜MgF2、LiF、金属Pt或者金属Rh中的一种，但并不仅限于以上几种材料组合；其中，第一层高反射薄膜制作在窗口区低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层152上，第二层高反射薄膜制作在第一层高反射薄膜上，完成高反射薄膜110的制作；最终完成紫外发光二极管的制作。
所述的紫外发光二极管为A1xGa1-xN基的材料，其中0≤x≤1；
上述AlGaN基高反射紫外发光二极管装置，其在空气中发射的紫外光中心波长在200-365nm之间，优选为280nm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种高反射紫外发光二极管(UV-LED)装置，该装置依次包括：衬底(11)、AlN成核层(12)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、p型AlGaN势垒层(15)和p型GaN冒层(16)；其中，所述p型AlGaN势垒层(15)上制作有高反射薄膜(110)，用于将光反射后从器件底部发射出去。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高反射薄膜(110)为具有反射率大于80％的双层薄膜高反射镜结构。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高反射薄膜(110)的第一层材料为金属铝，厚度为5-3000nm，其制作在p型AlGaN势垒层(15)上，第二层材料为MgF2、LiF、金属Pt或者金属Rh中的任一种，厚度为5-3000nm，且第二层高反射薄膜制作在第一层高反射薄膜上。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底(11)的材料为蓝宝石、SiC或AlN。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述紫外发光二极管装置为AlxGa1-xN基材料，其中0≤x≤1。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源区(14)至少包含一个量子阱结构。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述AlN成核层(12)分为两层，第一层是生长温度在550℃-750℃之间的低温成核层(121)，厚度为20-100nm，第二层是生长温度在1100℃-1250℃之间的高温模板层(122)，厚度为500-5000nm。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述p型AlGaN势垒层(15)分为两层，第一层为高Al组分p型AlGaN层(151)，厚度为5-500nm，其制作在有源区(14)的顶部，第二层为低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层(152)，厚度为5-200nm，其制作在高Al组分p型AlGaN层(151)的顶部。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述p型AlGaN势垒层(15)的Al组分含量均高于有源区(14)量子阱结构中势阱AlGaN的Al组分含量。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高反射薄膜(110)是在刻蚀掉部分p型GaN冒层(16)后制作形成的。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述高反射膜(110)是通过对所述p型GaN冒层(16)刻蚀得到反射窗口区，进而在所述反射窗口区制作而形成的，且所述反射窗口区的底部位于低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层(152)表面或其中。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高反射薄膜(110)采用蒸发镀膜、溅射镀膜或者电镀的方式制作。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该紫外发光二极管装置在空气中发射的紫外光中心波长在200-365nm之间。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括SiO2侧壁保护层(19)，其制作在所述p型GaN冒层(16)的侧壁上，厚度为20-500nm。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括n型欧姆接触层(17)和p型欧姆接触层(18)，所述n型欧姆接触层(17)制作在所述n型AlGaN势垒层(14)上，所述p型欧姆接触层(18)制作在所述p型GaN冒层(16)上。
16.一种高反射紫外发光二极管装置的制作方法，其包括：
步骤1、生长外延结构，所述外延结构按照自下而上的顺序包括低温AlN成核层(121)、高温AlN模板层(122)、n型AlGaN势垒层(13)、有源区(14)、高Al组分p型AlGaN势垒层(151)、低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)、p型GaN冒层(16)；
步骤2、从顶部的部分p型GaN冒层(16)刻蚀至n型AlGaN势垒层(13)，形成n型AlGaN台面；
步骤3、在未被刻蚀的p型GaN冒层(16)上光刻形成窗口区，并采用氯基ICP工艺刻蚀所述窗口区至低Al组分p型AlGaN势垒层或Al组分渐变减小的p型AlGaN势垒层(152)的表面或表面以下，形成反射窗口，其中所述窗口区内保留有一部分p型GaN冒层(16)；
步骤4、在所述n型AlGaN台面上光刻出n型电极图形，并在所述n型电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型欧姆接触电极(17)；
步骤5、在所保留的p型GaN冒层(16)顶部光刻出p型电极图形，并在所述p型电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极；
步骤6、在所述反射窗口制作高反射薄膜，完成所述高反射紫外发光二极管的制作。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤3之后还包括：
光刻所述反射窗口区与所保留的p型GaN冒层(16)的交界位置，以在所保留的p型GaN冒层(16)侧壁制作SiO2钝化层，以形成SiO2侧壁保护层(19)。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述SiO2侧壁保护层(19)的上部还延伸覆盖所保留的p型GaN冒层(16)顶部边沿部分，其下部延伸覆盖部分所述反射窗口区的低Al组分p型AlGaN层或Al组分渐变减小的p型AlGaN层(152)。
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