CN103681996A - 一种紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种紫外发光二极管及其制备方法。所述发光二极管包括：衬底，AlN本征层，n型AlxGa1-xN层，AlxGa1-xN多量子阱层，p型AlxGa1-xN电子阻挡层，P型GaN层，纳米金属颗粒结构，电流扩展层，p型电极，n型电极，倒装基板。本发明利用纳米金属颗粒结构的表面等离激元对材料发光的增强效应来提高AlGaN基紫外发光二极管里AlGaN量子阱的内量子效率，提高了紫外发光二极管的发光效率。本发明采用纳米球刻蚀技术制备纳米金属颗粒结构，需的仪器设备相当低廉，且工艺容易操作，可以在比较宽范围内调控共振波长，适用于多个波段紫外发光二极管应用，适合于工业化大规模生产制造使用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着低效率、体积大、不环保和电压高等缺点。与之相反，基于AlGaN半导体材料的紫外发光二极管是一种固态紫外光源，它具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势，在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，在二恶英、多氯联苯、农药等污染物快速分解、以及水与空气净化等环保领域，在高显色指数白光照明能源领域，大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用。然而与外量子效率已高达85%以上的InGaN基蓝光LED相比，目前AlGaN基紫外发光二极管的发光功率和效率还远不能令人满意，波长短于320nm的UV-LED的发光效率普遍在1%以下。导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一个主要原因是AlGaN材料缺陷密度高的问题。由于很难获得III族氮化物的体材料衬底，AlGaN紫外发光二极管的外延通常只能在蓝宝石等异质衬底上进行。由于这些异质衬底的晶格常数不同于高铝组分的AlGaN材料，并且由于Al原子的表面迁移率很低，在高铝组分AlGaN的外延生长过程中，抵达反应界面的Al原子难以迁移到台阶或者扭结这些能量的最低点，因此无法完成理想的二维外延生长，导致高Al组分的AlGaN薄膜由许多马赛克状分布的细小亚晶粒组成。在这些亚晶粒之间，会形成在密度高达109～1011cm-2的穿透位错。材料中的穿透位错起着非辐射复合中心的作用，过高的位错密度会强烈降低LED的内量子效率。虽然可以通过不断优化AlGaN材料的外延生长工艺，尽量抑制里面缺陷的形成，比如美国SET公司的MaxShatalov等人主要通过采用迁移增强型MOCVD生长出了厚达10μm的高质量AlN模板，使得器件外延结构的量子阱区所有位错密度在2×108cm-2以下，成功实现了外量子效率高达10.4%的278nm深紫外LED。但总的来说，单纯通过改善材料外延生长工艺提高AlGaN基深紫外LED的内量子效率的潜力已十分有限，因此如何运用新原理和新机制来提高其内量子效率已成为目前一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述的AlGaN基紫外LED里高缺陷密度所引起的辐射复合效率低的问题，提供一种紫外发光二极管及其制备方法，提高自发辐射速率，从而提高发光器件的内量子效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种紫外发光二极管，包括：
衬底；
AlN本征层，形成在所述衬底上；
n型AlxGa1-xN层，形成在所述AlN层上，且所述n型AlxGa1-xN层具有第一表面和第二表面；
AlxGa1-xN多量子阱层，形成在所述n型AlxGa1-xN层的第一表面上；
p型AlxGa1-xN电子阻挡层，形成在所述AlxGa1-xN多量子阱层上；
P型GaN层，形成在所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层上；
纳米金属颗粒结构，形成在所述P型GaN层上；
电流扩展层，形成在所述纳米金属颗粒结构上；
p型电极，形成在所述电流扩展层上；
n型电极，形成在所述n型AlxGa1-xN层的第二表面上；
倒装基板，通过焊料分别与所述p型电极和所述n型电极焊接。
进一步地，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或AlN；所述AlN本征层的厚度在0-10微米之间；所述n型AlxGa1-xN层的Al组分为0-100%，厚度为0.1-10微米；所述AlxGa1-xN多量子阱层的Al组分为0-100%，厚度为1-500纳米；所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层Al组分为0-100%，厚度为1-200纳米；所述p型GaN层厚度为1-200纳米。
进一步地，所述金属纳米颗粒结构的材料为Al及其合金材料或Ag及其合金材料，所述金属纳米颗粒结构中的金属纳米颗粒的直径为1-500纳米。
进一步地，所述电流扩展层为与所述p型GaN层形成欧姆接触的非金属导电层。
进一步地，所述电流扩展层为氧化铟锡、氧化镓锌或氧化铝锌。
一种紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长AlN本征层；
（2）在所述AlN本征层上，生长n型AlxGa1-xN层；
（3）在所述n型AlxGa1-xN层上，生长AlxGa1-xN多量子阱层；
（4）在所述AlxGa1-xN多量子阱层上，生长p型AlxGa1-xN电子阻挡层；
（5）在所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层上生长p型GaN层，得到紫外发光二极管外延片；
（6）在所述紫外发光二极管外延片上制备纳米金属颗粒结构；
（7）在所述纳米金属颗粒结构上沉积电流扩展层；
（8）刻蚀所述紫外发光二极管外延片至n型AlxGa1-xN层，形成n型AlxGa1-xN层台面；
（9）在所述n型AlxGa1-xN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极；
（10）在所述电流扩展层上光刻出p型电极的图形，然后在p型电极图形区沉积p型电极，得到紫外发光二极管芯片；
（11）将所述紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到紫外发光二极管。
进一步地，所述步骤（6）具体包括如下步骤：
步骤A：使用尺寸相同的纳米胶体球，在所述紫外发光二极管外延片上形成纳米球层；
步骤B：将所述纳米球层作为沉积掩板，沉积金属薄膜，填充所述纳米胶体球之间的空隙；
步骤C：再通过剥离工艺就可以得到纳米金属颗粒结构。
进一步地，所述步骤（8）具体包括如下步骤：在所述紫外发光二极管外延片上光刻出n型区台面图案，然后将n型区台面图案上的纳米Al颗粒结构和电流扩展层腐蚀掉，再刻蚀所述紫外发光二极管外延片至n型AlxGa1-xN层，形成n型AlxGa1-xN台面。
进一步地，所述步骤（9）具体包括如下步骤：在所述n型AlxGa1-xN层台面上光刻出n型电极的图形，在电极图形区沉积n电极金属层，然后将所述紫外发光二极管外延片放入到快速退火炉中在快速退火形成n型电极。
进一步地，所述步骤（11）具体包括如下步骤：
在所述紫外发光二极管芯片上用PECVD沉积二氧化硅或氮化硅钝化层，在所述钝化层上光刻出倒装焊点金属沉积图形；
用RIE工艺刻蚀掉所述焊点金属沉积图形区域上的钝化层，再在所述焊点金属沉积图形区域上用热蒸发工艺沉积AuSn焊料，并将所述紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到紫外发光二极管。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案的有益效果如下：
本发明利用纳米金属颗粒结构的表面等离激元对材料发光的增强效应来提高AlGaN基紫外发光二极管里AlGaN量子阱的内量子效率，提高了紫外发光二极管的发光效率。本发明中纳米金属颗粒结构上的电流扩展层可以使得纳米金属颗粒结构的表面等离激元特性不受p型区金属电极薄膜的负面影响，并可有效起到电流扩展作用，降低工作电压。
本发明采用纳米球刻蚀技术制备纳米金属颗粒结构，此技术所需的仪器设备相当低廉，且工艺容易操作，只需变化不同纳米颗粒球的粒径，便可在各种基板上得到不同纳米尺寸的大面积纳米金属颗粒周期阵列结构，可以在比较宽范围内调控共振波长，适用于多个波段紫外发光二极管应用，适合于工业化大规模生产制造使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的紫外发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
本发明提出利用纳米金属结构的表面等离激元（Surface Plasmon,SP）对材料发光的增强效应来提高AlGaN基深紫外LED里AlGaN量子阱的内量子效率。金属结构具有独特的光学特性，在光激发条件下，其导带电子会集体振荡产生表面等离激元，当光的频率接近某一特征频率时会产生共振，表面等离激元会对光产生强烈的吸收和散射，并在金属结构表面附近形成很强的局域场。该特征频率称为共振频率，由金属结构的尺寸、形状和介电环境等因素决定。在共振频率处，表面等离激元的色散曲线变化十分平缓，因此在共振频率处的态密度是非常高的。当半导体材料的发光中心处在表面等离激元的局域场内时，两者产生强烈耦合，发光中心处的局域场得到增强，辐射跃迁的光子态密度得到增大，根据费米黄金定则，发光中心的能量以极快辐射跃迁速率向表面等离激元传递能量，从而相应地减少了在材料缺陷处的非辐射复合机会。因此，原理上可以利用表面等离激元与AlGaN基深紫外LED里的AlGaN量子阱进行耦合发光，提高自发辐射速率，从而提高发光器件的内量子效率。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种紫外发光二极管，包括：衬底101、形成在衬底101上的AlN本征层102、形成在AlN层102上的n型AlxGa1-xN层103、形成在n型AlxGa1-xN层103的第一表面上的AlxGa1-xN多量子阱层104、形成在AlxGa1-xN多量子阱层104上的p型AlxGa1-xN电子阻挡层105、形成在p型AlxGa1-xN电子阻挡层105上的P型GaN层106、形成在P型GaN层106上的纳米金属颗粒结构107、形成在纳米金属颗粒结构107上的电流扩展层108、形成在电流扩展层108上的p型电极109、形成在n型AlxGa1-xN层103的第二表面上的n型电极110、通过焊料111分别与p型电极109和n型电极焊接的倒装基板112。
进一步地，衬底101是蓝宝石、碳化硅或AlN。AlN本征层102的厚度为0-10微米，优选地，AlN本征层102的厚度为1000nm。n型AlxGa1-xN层103的Al组分为0-100%，厚度为0.1-10微米，优选地，n型AlxGa1-xN层103是厚度为2000nm的Si掺杂浓度在1020cm-3的Al0.6Ga0.4N层。AlxGa1-xN多量子阱层104的Al组分为0-100%，厚度为1-500纳米，优选地，AlxGa1-xN多量子阱层104为Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层，Al0.6Ga0.4N势垒层厚度为10nm，Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。p型AlxGa1-xN电子阻挡层105的Al组分为0-100%，厚度为1-200纳米，优选地，p型AlxGa1-xN电子阻挡层105是厚度为5nm的p型Al0.9Ga0.1N电子阻挡层。p型GaN层106厚度为1-200纳米，优选地，p型GaN层106厚度为10nm。p型AlGaN层和p型GaN层的厚度总和优化为5-30nm。
进一步地，金属纳米颗粒结构107的材料为Al及其合金材料或Ag及其合金材料，纳米颗粒的形状不限，所述金属纳米颗粒结构中的金属纳米颗粒直径为1-500纳米。
进一步地，电流扩展层108为与p型GaN层106形成欧姆接触的非金属导电层，非金属导电层的材料为氧化铟锡、氧化镓锌或氧化铝锌等材料。电流扩展层的厚度没有限制，但优化为50-1000nm纳米。
实施例2：
本实施例提供一种紫外发光二极管制备方法，具体包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长AlN本征层；
具体地，在蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，将衬底温度降低为600℃，生长厚度为20nm的低温AlN成核层，然后将生长温度升高到1300℃，生长厚度为1000nm的AlN本征层。
（2）在AlN本征层上，生长n型AlxGa1-xN层；
具体地，在AlN本征层上，使生长温度保持在1150℃，生长厚度为2000nm的Si掺杂浓度在1×1020cm-3的n型Al0.6Ga0.4N层。
（3）在n型AlxGa1-xN层上，生长AlxGa1-xN多量子阱层；
具体地，在n型Al0.6Ga0.4N层上，生长温度保持在1150℃，生长Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层，Al0.6Ga0.4N势垒层厚度为10nm，Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。
（4）在AlxGa1-xN多量子阱层上，生长p型AlxGa1-xN电子阻挡层；
具体地，生长温度保持在1150℃，在Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N多量子阱层上，生长5nm厚的p型Al0.9Ga0.1N电子阻挡层。
（5）在p型AlxGa1-xN电子阻挡层上生长p型GaN层，得到紫外发光二极管外延片；
具体地，生长温度保持在1150℃，在p型Al0.9Ga0.1N电子阻挡层上生长厚度为10nm的p型GaN层。
（6）在紫外发光二极管外延片上制备纳米金属颗粒结构；
具体地，步骤A：使用尺寸相同的直径在500纳米的聚苯乙烯球作为纳米胶体球，通过旋涂法，在紫外发光二极管外延片上利用“自组装效应”制成以六方最密堆积形式排列成的纳米球阵列；
步骤B：将纳米球阵列作为沉积掩板，通过电子束蒸发来沉积60纳米厚的Al金属薄膜，填充纳米胶体球之间的空隙；本实施例中，金属薄膜的材料还可以是Al的合金材料、Ag及其合金材料；
步骤C：再通过剥离工艺，比如加热退火的方式，去除纳米胶体球，就可以在紫外发光二极管外延片表面上留下近三角形状的纳米金属颗粒结构；再经过持续升温的热退火，将三角形的纳米金属颗粒结构转变为圆形纳米微粒。
（7）在纳米金属颗粒结构上沉积电流扩展层；
具体地，采用电子束蒸发工艺，在Al纳米金属颗粒结构上沉积200nm厚的ITO电流扩展层。
（8）刻蚀所述紫外发光二极管外延片至n型AlxGa1-xN层，形成n型AlxGa1-xN层台面；
具体地，在紫外发光二极管外延片上光刻出n型区台面图案，然后用BOE腐蚀溶液将n型区台面图案上的纳米Al颗粒结构和ITO电流扩展层腐蚀掉，再采用ICP工艺刻蚀紫外发光二极管外延片至n型AlxGa1-xN层，形成n型AlxGa1-xN台面。
（9）在n型AlxGa1-xN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极；
具体地，在n型AlxGa1-xN层台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区依次蒸发厚度为100纳米的Ti和厚度为1微米的Al两层金属，然后将紫外发光二极管外延片放入到快速退火炉中在快速退火形成n型电极。
（10）在电流扩展层上光刻出p型电极的图形，然后在p型电极图形区沉积p型电极，得到紫外发光二极管芯片。
（11）将紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到紫外发光二极管；
具体地，在紫外发光二极管芯片上用PECVD沉积200纳米厚度的二氧化硅或氮化硅钝化层，在二氧化硅或氮化硅钝化层上光刻出倒装焊点金属沉积图形；用RIE工艺刻蚀掉焊点金属沉积图形区域上的二氧化硅钝化层，再在焊点金属沉积图形区域上用热蒸发工艺沉积2微米厚度的AuSn焊料，并将紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到紫外发光二极管。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
（1）本发明中的纳米金属颗粒结构可以与AlGaN基紫外LED里的AlGaN量子阱进行耦合发光，使得量子阱中的电子空穴对以极快辐射跃迁速率向表面等离激元传递能量，从而减少了电子空穴对在材料缺陷处的非辐射复合机会，提高了紫外LED的发光效率。
（2）纳米金属颗粒结构采用纳米球刻蚀技术制备，此法最大的特色就在于所需的仪器设备相当低廉，且工艺容易操作，只需变化不同纳米颗粒球的粒径，便可在各种基板上得到不同纳米尺寸的大面积纳米金属颗粒周期阵列结构，可以在比较宽范围内调控共振波长，适用于多个波段紫外LED应用，适合于工业化大规模生产制造使用。
（3）纳米金属颗粒结构上具有一层导电非金属薄膜作为p型区欧姆接触材料和电流扩展层。导电非金属薄膜可以使得纳米金属颗粒的表面等离激元特性不受p型区金属电极薄膜的负面影响，并可有效起到电流扩展作用，降低工作电压。
以上所述为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种紫外发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
AlN本征层，形成在所述衬底上；
n型AlxGa1-xN层，形成在所述AlN层上，且所述n型AlxGa1-xN层具有第一表面和第二表面；
AlxGa1-xN多量子阱层，形成在所述n型AlxGa1-xN层的第一表面上；
p型AlxGa1-xN电子阻挡层，形成在所述AlxGa1-xN多量子阱层上；
P型GaN层，形成在所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层上；
纳米金属颗粒结构，形成在所述P型GaN层上；
电流扩展层，形成在所述纳米金属颗粒结构上；
p型电极，形成在所述电流扩展层上；
n型电极，形成在所述n型AlxGa1-xN层的第二表面上；
倒装基板，通过焊料分别与所述p型电极和所述n型电极焊接。
2.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或AlN；所述AlN本征层的厚度在0-10微米之间；所述n型AlxGa1-xN层的Al组分为0-100%，厚度为0.1-10微米；所述AlxGa1-xN多量子阱层的Al组分为0-100%，厚度为1-500纳米；所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层Al组分为0-100%，厚度为1-200纳米；所述p型GaN层厚度为1-200纳米。
3.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述金属纳米颗粒结构的材料为Al及其合金材料或Ag及其合金材料，所述金属纳米颗粒结构中的金属纳米颗粒直径为1-500纳米。
4.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述电流扩展层为与所述p型GaN层形成欧姆接触的非金属导电层。
5.如权利要求4所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述电流扩展层为氧化铟锡、氧化镓锌或氧化铝锌。
6.一种紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在衬底上，生长AlN本征层；
（2）在所述AlN本征层上，生长n型AlxGa1-xN层；
（3）在所述n型AlxGa1-xN层上，生长AlxGa1-xN多量子阱层；
（4）在所述AlxGa1-xN多量子阱层上，生长p型AlxGa1-xN电子阻挡层；
（5）在所述p型AlxGa1-xN电子阻挡层上生长p型GaN层，得到紫外发光二极管外延片；
（6）在所述紫外发光二极管外延片上制备纳米金属颗粒结构；
（7）在所述纳米金属颗粒结构上沉积电流扩展层；
（8）刻蚀所述紫外发光二极管外延片至n型AlxGa1-xN层，形成n型AlxGa1-xN层台面；
（9）在所述n型AlxGa1-xN层台面上光刻出n型电极的图形，然后在n型电极图形区沉积金属形成n型电极；
（10）在所述电流扩展层上光刻出p型电极的图形，然后在p型电极图形区沉积p型电极，得到紫外发光二极管芯片；
（11）将所述紫外发光二极管芯片倒装焊到倒装基板上，得到紫外发光二极管。
7.如权利要求6所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）具体包括如下步骤：
步骤A：使用尺寸相同的纳米胶体球，在所述紫外发光二极管外延片上形成纳米球层；
步骤B：将所述纳米球层作为沉积掩板，沉积金属薄膜，填充所述纳米胶体球之间的空隙；
步骤C：再通过剥离工艺就可以得到纳米金属颗粒结构。
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Date of cancellation: 20231101 Granted publication date: 20170510 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Youweixin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022420000324 |
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Denomination of invention: A UV light-emitting diode and its preparation method Effective date of registration: 20231214 Granted publication date: 20170510 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Youweixin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980071681 |