一种高出光效率的深紫外发光二极管芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片及芯片的制备方法。
【背景技术】
[0002]AlGaN是一种直接带隙半导体材料，具有稳定的物理化学性质，通过调节材料中的铝组分，可以使AlxGa1-χΝ(0<χ< I)的禁带宽度在3.4eV(GaN)-6.2eV(AlN)之间变化，基于AlyGanN/AlzGa^N量子阱材料的带间跃迀可以实现200?365纳米可调的全固态紫外发光二极管光源。新型AlGaN基紫外发光二极管相对于传统的汞灯拥有诸多的优点:1.紫外发光二极管结构简单，不含易碎的玻璃外壳，便携耐冲击，工作电压仅为几伏，且无需复杂的驱动电路;2.紫外发光二极管开启迅速(10—9S)，无需预热;3.紫外发光二极管发光峰单一，且发光波长连续可调;4.紫外发光二极管材料中不含对环境有害的物质，环境友好;5.紫外发光二极管的寿命已经能够达到5000小时以上，远远超过汞灯的寿命。其应用已经渗透到保密通信，生化检测等军事领域及水净化，消毒杀菌，紫外光疗，紫外固化，防伪检测等国民经济领域。
[0003]但是，315纳米以下的深紫外发光二极管的效率还比较低，外量子效率只有不到15%，究其原因主要有以下几点:第一，高铝组分AlGaN材料生长较为困难，通常制备的AlGaN材料中具有较高的位错密度(>101()Cm—2)，这些位错可能会延伸到量子阱有源区，从而形成非辐射复合中心，最终发光二极管器件的内量子效率降低。第二，高Al组分AlGaN材料的惨杂困难。AlGaN中的η型惨杂杂质主要是Si，ρ型惨杂杂质主要是Mg，Si在材料中的激活能为 17meV(GaN)到 180meV(AlN)，Mg 在材料中的激活能为 170meV(GaN)到 510meV(AlN)，远高于室温的热能(26meV)。随着Al组分的提高，AlGaN材料中η型和P型掺杂杂质激活能急剧上升，载流子浓度急剧下降，因此，很难在室温下火的载流子浓度很高、导电性能优良的高铝组分AlGaN薄膜。第三，AlyGa1WAlzGa1-ZN量子阱结构中强的量子限制斯塔克效应。由于不具备反转对称性，纤锌矿结构的AlGaN材料沿
[0001]生长方向上具有很强的自发极化和压电极化，在量子阱区可以形成高达MV/cm量级的极化电场，使得电子和空穴得波函数在空间上产生分离，极大的降低了辐射复合速率，降低了发光二极管器件的内量子效率。第四，c面AlGaN基深紫外发光二极管表面出光困难。对于常见的沿c轴
[0001]方向生长的AlGaN材料，随着材料中Al组分的升高，材料内部的晶场分裂能由原来GaN中的正值逐渐变化为AlN中较大的负值，由此带来了价带顶能带结构的改变。GaN中价带顶为重空穴能级，而AlN中价带顶为晶场分裂能级，因此GaN中电子-空穴复合的发光出射方向平行于c轴(TE模式)，而AlN中电子-空穴复合的发光出射方向垂直于c轴(TM模式)。随着Al组分的升高,AlGaN材料的发光偏振特性越来越趋向于A1N。在空气界面，绝大部分光被反射回器件内部，经过多次全反射最终被损耗掉。
[0004]对于上述由于深紫外发光二极管晶场分裂能带位置变化和电极材料选择引起的问题，目前国际上仍未有相应的系统解决方案来增强表面出光，一般采用的P型电极材料也普遍为Ti/Al/Ti/Au等。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片，该芯片选择采用具有高紫外光反射性的Ni/Al材料作为P型电极材料，不但可以部分改善金属电极与P型GaN的欧姆接触性能，还可将紫外光反射到蓝宝石面，同时把外延片蓝宝石衬底减薄到特定厚度，并蒸镀合适厚度的Al薄膜，通过TM模式紫外光与表面等离激元的耦合，进一步提高倒装深紫外发光二极管芯片的表面出光效率。本发明的另一目的是提供该芯片的制备方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片，该芯片结构从下向上的顺序依次为厚度为0.3-0.5倍于芯片边长的c面蓝宝石衬底、低温AlN成核层、PALE AlN缓冲层(PALE AlN为脉冲原子层沉积氮化铝)、高温AlN本征层、η型AlxGa1-XN层、AlyGa1-yN/AlzGai—ZN多量子阱层、P型AluGa1-UN电子阻挡层、P型GaN层、Ni/Al紫外光高反射率电极层，c面蓝宝石衬底背面设有Al薄膜。
[0007]所述衬底背面的Al薄膜厚度为1-10纳米。
[0008]所述Ni/Al电极材料，Ni材料厚度为1-5纳米，Al材料厚度为100-300纳米。
[0009]所述P型GaN厚度为1-20纳米。
[0010]—种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:(I)在C面蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底温度降低为600°C，生长低温AlN成核层；(2)在所述低温AlN成核层上，将生长温度升高到1050 V，生长PALE AlN缓冲层；
(3)在所述的PALE AlN缓冲层上，将生长温度升高到1300°C，生长高温AlN本征层；(4)在所述高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150°C，生长η型AlxGapxN层；(5)在所述η型AlxGa1-ΧΝ层上，将生长温度保持在1150°C，生长AlyGaPyN/AlzGa^N多量子阱层；(6)将生长温度保持在1150°C，在所述AlyGa1-yN/AlzGai—ZN多量子阱层上，生长P型AluGa1-UN电子阻挡层；(7)将生长温度保持在1050°C，在所述P型AluGanN电子阻挡层上生长P型GaN层，形成深紫外发光二极管外延片；(8)在所述P型GaN层上光刻出P型电极的图形，然后利用电子束蒸发设备在P型电极图形区沉积Ni/Al金属层，并快速退火形成紫外光高反射率P型电极；(9)在所述制作完成紫外光高反射率P型电极后的外延片上，利用ICP/RIE设备刻蚀至η型AlxGapxN层，并在η型AlxGa^N层台面上光刻出η型电极的图形；(10)在所述刻有η型电极图形的外延片上沉积金属层，并在快速退火形成η型电极；(11)利用光刻胶保护P型和η型电极后，使用PECVD设备蒸镀S12钝化层；(12)在所述完成蒸镀S12钝化层外延片上，把蓝宝石减薄到特定厚度、划片，形成倒装深紫外发光二极管芯片；(13)在所述倒装深紫外发光二极管芯片蓝宝石面，利用电子束蒸发设备蒸镀Al薄膜，形成高出光效率的深紫外发光二极管。
[0011 ]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:
[0012]本发明提供的芯片选择采用具有高紫外光反射性的Ni/Al材料作为P型电极材料，不但可以部分改善金属电极与P型GaN的欧姆接触性能，还可将紫外光反射到蓝宝石面。本发明提供的高出光效率倒装深紫外二极管芯片的制备方法，把外延片蓝宝石衬底减薄到特定厚度，并蒸镀合适厚度的Al薄膜，通过TM模式紫外光与表面等离激元的耦合，部分提高倒装深紫外发光二极管芯片的表面出光效率。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例提供的高出光效率的深紫外发光二极管芯片的结构示意图；
[0014]图2为本发明实施例提供的高出光效率的深紫外发光二极管芯片俯视图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
[0016]实施例1:
[0017]如图1所示，本实施例提供一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片，包括:减薄到特定厚度的c面蓝宝石衬底101。设置在所述衬底背面的Al薄膜112，设置在所述衬底正面的低温AlN成核层102，设置在所述低温AlN成核层上的PALE AlN缓冲层103，设置在所述PALE AlN缓冲层上的高温AlN本征层104，设置在所述高温AlN本征层上的η型AlxGahN层105，设置在所述η型AlxGa^xN层上的AlyGahyN/AlzGa^N多量子阱层106、设置在所述AlyGa1-yN/AlzGai—ZN多量子阱层上的P型AluGa1-UN