一种硅衬底深紫外发光二极管外延芯片结构及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是一种硅衬底深紫外发光二极管的外延结构、芯片结构以及其制备方法。
【背景技术】
[0002]AlGaN(氮化镓招)材料的深紫外发光二极管(Light Emitting D1de，LED)，由于其具有寿命长、预热时间短、光谱纯净(发光峰的半波宽在15nm以内)、体积小、可靠性高等优势，被认为是取代紫外线低压汞灯等含汞光源的最佳光源。因此，将AlGaN基深紫外LED应用在医疗卫生、杀菌消毒等领域有巨大潜力，也成为了研究热点。
[0003]但目前AlGaN深紫外LED的发光效率还非常低。特别是波长短于320nm(纳米)的紫外LED，其普遍的光电转换效率在10%以下。其主要原因在于光提取效率偏低，也就是说LED发光区发出的光不能有效地被导出LED器件。一般来说，光提取效率低的原因有两点:1)常见的深紫外LED只能在A1N(氮化铝)或者蓝宝石的平面衬底上生长(不能在图形化衬底上进行外延)，制作成平面结构或者倒装结构的芯片。2)在制备LED的过程中，由于衬底未被剥离，绝大部分紫外光会从芯片的侧面出光，不能被充分的利用。
[0004]当然，现在也有能够解决以上问题的技术方案，如，制作表面粗化的垂直芯片，然而由于缓冲层材料的差异以及金属A1(铝)相对金属Ga(镓)的高熔点等原因，目前成熟的激光剥离技术难以应用于制备AlGaN基垂直结构深紫外LED。故，如何采用一种简单有效的方法制备AlGaN基垂直结构深紫外LED成为了一个亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]为了克服以上缺点，本发明提供了一种硅衬底深紫外发光二极管的外延芯片结构及制备方法，其有效解决了现有的AlGaN深紫外LED发光效率低的问题。
[0006]本发明提供的技术方案如下:
[0007]—种硅衬底深紫外发光二极管的外延结构，所述外延结构在硅衬底上从下到上依次生长:A1N缓冲层、AlxGai—XN缓冲层、非掺杂AlyGai—yN层、η型AlzGai—ZN层、多量子阱AluGai—UN/ Al vGai—VN 层、p?AlwGai—WN 层、P 型 AlmGai—mN 层以及p 型 GaN接触层，其中，所述 x、y、z、u、v 以及m的取值范围都为0.01?0.99，所述w的取值范围为0.2?0.99。
[0008]进一步优选地，所述外延结构的生长过程在金属有机物化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延设备中进行。
[0009]进一步优选地，所述硅衬底为纯硅衬底或者加入掺杂的硅衬底。
[0010]和/或，
[0011]所述A1N缓冲层的厚度范围为1?lOOOnm(纳米)，生长温度范围为800?1500°C。
[0012]进一步优选地，所述AlxGai—xN缓冲层的厚度范围为1?lOOOnm、生长温度范围为800?1500°C(摄氏度)，且所述AlxGai—XN缓冲层中A1组分x范围为0.01?0.99，；
[0013]和/或，
[0014]所述非掺杂AlyGai—yN层的厚度范围为0.1?10um、生长温度为800?1500°C，且所述非掺杂AlyGai—yN层中A1组分y的范围为0.01?0.99。
[0015]进一步优选地，所述η型AlzGai—ZN层中掺杂浓度范围为1E17?lE20cm—3的S1、C或者Ge元素，且所述η型AlzGai—ZN层中A1组分z的范围为0.01?0.99，所述η型AlzGai—ZN层的厚度范围为0.1?10um、生长温度范围为800?1500°C;
[0016]和/或，
[0017]在所述多量子阱AluGai—uN/AlvGai—vN层中:势阱层AluGai—UN的厚度范围为1?10nm、势皇层AlvGaiiN的厚度范围为4?40nm以及多量子阱的周期数为1?15。
[0018]进一步优选地，在所述多量子阱AluGa^N/AlvGaiiN层中:所述多量子阱AluGa1-uN/AlvGai—VN层的生长温度范围为800?1500°C，所述势阱层AluGai—UN中Al组分u的范围为0.01?0.99，所述势皇层AlvGai—VN的A1组分V的范围为0.01?0.99，且所述势皇层AlvGai—VN中的A1组分V大于所述势讲层AluGa1-uN中A1组分U。
[0019]进一步优选地，所述p型AlwGai—WN层中掺杂浓度范围为1E18?lE21cm—3Mg或Be元素，其中包含的Al组分w的范围为0.2?0.99;且所述p型AlwGaiiN层的厚度范围为1?lOOnm、生长温度范围为800?1500°C;
[0020]和/或，
[0021]所述P型AlmGai—mN层中掺杂浓度范围为1E18?lE21cm—3的Mg或Be元素，其中包含的A1组分m的范围为0.01-0.99;且所述P型AlmGai—mN层的厚度范围为10?lOOOnm，生长温度范围为800 ?1500°C;
[0022]和/或，
[0023]所述p型GaN接触层中掺杂浓度范围为1E18?lE21cm—3的Mg或Be元素，且所述P型GaN接触层的厚度范围为1?lOOnm，生长温度为400?1200°C。
[0024]本发明还提供了一种硅衬底深紫外发光二极管的芯片结构，依次包括如权利要求
1所述的 η型AlzGai—ZN层、多量子阱 AluGai—uN/AlvGai—VN层、p型AlwGai—WN层、P 型AlmGai—mN层以及P型GaN接触层，还包括反射电极层、转移衬底以及η电极，其中，所述反射电极沉积在p型GaN接触层表面，所述转移衬底邦定在所述反射电极上，所述η电极沉积在所述η型AlzGa1-zN层表面。
[0025]进一步优选地，所述反射电极的材料为Al、Au、Ag中的一种或多种，且所述反射电极的厚度范围为10?2000nm;
[0026]和/或，
[0027]所述转移衬底为硅衬底或铜基板。
[0028]进一步优选地，采用导电导热金属或者胶将所述转移衬底邦定在所述反射电极上;
[0029]和/或，
[0030]所述η电极中包括Al、Au以及Ag中的一种或多种金属，且所述η电极的厚度范围为10?4000nm。
[0031]本发明还提供了一种硅衬底深紫外发光二极管外延结构的制备方法，应用于如权利要求1-7任意一项所述的外延结构，所述硅衬底深紫外发光二极管外延结构制备方法包括以下步骤:
[0032]S10在硅衬底上生长A1N缓冲层；
[0033]S11在所述A1N缓冲层上生长AlxGai—XN缓冲层，所述x的取值范围为0.01?0.99;
[0034]S12在所述A1N缓冲层上生长非掺杂AlyGai—yN层，所述y的取值范围为0.01?0.99;
[0035]S13在所述非掺杂AlyGai—yN层上生长η型AlzGai—ZN层，所述z的取值范围为0.01?
0.99；
[0036]S14在所述η型AlzGai—ZN层上生长多量子阱AluGai—uN/AlvGai—VN层，所述u和V的取值范围都为0.01?0.99;
[0037]S15在所述多量子阱AluGai—uN/AlvGai—VN层上生长p型AlwGai—WN层，所述w的取值范围为0.2?0.99;
[0038]S16在所述p型AlwGa!—WN层上生长P型AlmGai—mN层，所述m的取值范围为0.01?0.99;
[0039]S17在所述P型AlmGai—mN层上生长p型GaN接触层。
[0040]本发明还提供了一种硅衬底深紫外发光二极管的芯片结构制备方法，包括如权利要求11所述的硅衬底深紫外发光二极管外延结构制备方法，所述硅衬底深紫外发光二极管的芯片结构制备方法还包括以下步骤:
[0041]S20对权利要求11制备得到的外延结构进行高温退火；
[0042]S21在所述外延结构上的p型GaN接触层沉积反射电极；
[0043]S22将转移衬底邦定在所述反射电极上；
[0044]S23去除所述外延结构中的所述硅衬底；
[0045]S24去除所述外延结构中的所述A1N缓冲层、AlxGa1-xN缓冲层、非掺杂AlyGa1-yN层；
[0046]S25 粗化所述 η 型 AlzGai—ZN 层；
[0047]S26在所述η型AlzGai—ZN层上制备η电极。
[0048]进一步优选地，所述反射电极的材料为Al、Au、Ag中的一种或多种，且所述反射电极的厚度范围为10?2000nmo
[0049]和/或，
[0050]所述转移衬底为硅衬底或铜基板。
[0051 ]和/或，
[0052]在步骤S22中，采用导电导热金属或者胶将所述转移衬底邦定在所述反射电极上。
[0053]进一步优选地，在步骤S23中，采用腐蚀液去除所述硅衬底，所述腐蚀液中至少包括Κ0Η溶液或HF-HN03溶液或HC1-HN03溶液；