垂直型光电子器件及其制造方法与流程

本发明涉及光电子器件，具体涉及一种垂直型光电子器件结构及其制造方法。

背景技术

光电子器件具有平面型和垂直型两种不同的结构。平面型结构是指光电子器件的顶电极和背电极位于其承载基板的同一侧，由于平面型光电子器件的两个电极都位于承载基板的同一侧，因此两个电极的覆盖减小了光电子器件的入射光或出射光的窗口面积，从而降低了其光电相互转换效率。而现有的垂直型光电子器件的顶电极和背电极在承载基板的相对两侧，单个电极对其窗口面积的影响较小，另外电流方向垂直有源层，减小了电流阻塞作用。

对于某些光电子器件，衬底有可能具有某些缺陷。例如gan基材料的器件通常采用蓝宝石衬底进行外延生长，但蓝宝石衬底不具有导电性，只能制备成平面型器件结构。对于可掺杂导电的衬底，可以做成垂直型器件结构，现有的垂直型光电子器件的背电极在衬底的背面，例如在gaas基光电子器件中，但是由于gaas衬底的导热性较差，导电性低，对波长小于870nm(gaas衬底带隙对应的波长)的光的吸收率很高，且gaas衬底厚度大、易碎、成本高。作为光电子器件，未被有源层吸收的光线，或者有源层发射的光线都可能被衬底所吸收，从而导致其光电特性较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种垂直型光电子器件，所述垂直型光电子器件从下至上依次包括：

基板；

背电极层；

第一欧姆接触层；

有源层，其用于实现光电或电光转换；

第二欧姆接触层；以及

位于所述第二欧姆接触层上的顶电极。

优选的，所述背电极层与所述第一欧姆接触层相接触的界面具有第一图形结构。

优选的，所述第二欧姆接触层的上表面具有第二图形结构。

优选的，所述垂直型光电子器件还包括位于所述第二欧姆接触层的上表面的第一介质层，所述第一介质层的上表面是平面。

优选的，所述第二欧姆接触层具有供光线穿过的窗口。

优选的，所述第二欧姆接触层的上表面为平面，所述垂直型光电子器件还包括位于所述第二欧姆接触层上的第二介质层，所述第二介质层的上表面具有第三图形结构。

优选的，所述第一图形结构为所述背电极层上的多个凸起，所述光电子器件还包括位于所述背电极层和第一欧姆接触层之间的第三介质层，所述第三介质层具有与所述背电极层上的多个凸起相适配的多个介质通孔，所述背电极层的所述多个凸起位于所述多个介质通孔中，且所述多个凸起与所述第一欧姆接触层欧姆接触。

优选的，所述第一图形结构为所述背电极层上的多个凹槽，所述光电子器件还包括位于所述背电极层和第一欧姆接触层之间的第四介质层，所述第四介质层具有与所述背电极层上的多个凹槽相适配的多个介质凸起，所述第四介质层上的多个介质凸起位于所述背电极层上的多个凹槽中，且所述背电极层与所述第一欧姆接触层欧姆接触。

优选的，所述第一图形结构或第二图形结构为球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起或与所述球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起相适配的凹槽或凹坑。

优选的，所述第三图形结构为球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起或与所述球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起相适配的凹槽或凹坑。

优选的，所述第一欧姆接触层或第二欧姆接触层是p型半导体或n型半导体。

优选的，所述第一介质层的折射率在空气的折射率和所述第二欧姆接触层的折射率之间。

优选的，所述第二介质层的折射率在空气的折射率和所述第二欧姆接触层的折射率之间。

本发明的实施例提供了一种用于如上所述的垂直型光电子器件的制备方法，包括下列步骤：

s11)：提供外延片，所述外延片从下至上依次包括原衬底、第一欧姆接触层、有源层和第二欧姆接触层；

s12)：在所述第二欧姆接触层上制备顶电极；

s13)：将过渡基板粘结或键合在所述顶电极的表面上；

s14)：移除所述原衬底；

s15)：在所述第一欧姆接触层的表面沉积背电极层；

s16)：在所述背电极层的表面制备基板；

s17)：移除所述过渡基板。

优选的，在所述步骤s14)和所述步骤s15)之间还包括如下步骤：在所述第一欧姆接触层的表面制造第一图形结构。

本发明的实施例还提供了一种用于如上所述的垂直型光电子器件的制备方法，包括下列步骤：

s21)：提供外延片，所述外延片从下至上依次包括原衬底、第一欧姆接触层、有源层和第二欧姆接触层；

s22):在所述第二欧姆接触层的表面上生长背电极层；

s23):在所述背电极层的表面上制备基板；

s24):移除所述原衬底；

s25):在所述第一欧姆接触层的表面上制造顶电极。

优选的，在所述步骤s23)和步骤s24)之间还包括如下步骤：将过渡基板粘结或键合在所述基板的表面上；以及在所述步骤s25)之后还包括如下步骤：移除所述过渡基板。

优选的，在所述步骤s21)和s22)之间还包括如下步骤：在所述第二欧姆接触层的表面上制造第一图形结构。

本发明的垂直型光电子器件的背电极层同时作为背反射镜，能够使得光线在欧姆接触层和背电极层的界面处发生反射，使光线重新被反射回有源层或上表面，从而提高光电子器件的光电转化效率或出光效率。光电子器件的窗口层或者背电极层具有图形化微纳结构，进一步增加入射光的比例或者出射光的效率，从而进一步地提高了垂直型光电子器件的性能。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明第一个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图2是用于制备图1所示的垂直型光电子器件的第一个外延片的剖视图。

图3是用于制备图1所示的垂直型光电子器件的第二个外延片的剖视图。

图4是根据本发明第二个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图5是根据本发明第三个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图6是图5所示的垂直型光电子器件中的第一欧姆接触层的图形化表面的平面示意图。

图7-12是图5所示的垂直型光电子器件的制备过程的剖视图。

图13是根据本发明第四个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图14是根据本发明第五个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图15是根据本发明第六个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图16是根据本发明第七个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图17是根据本发明第八个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图18是根据本发明第九个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。

图19是根据本发明第十个实施例的垂直型光电气器件的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明第一个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图1所示，垂直型光电子器件1a从下至上包括：金属基板11a、背电极层12a、由n型砷化镓制成的第一欧姆接触层13a、由本征砷化镓制成的有源层14a、由p型砷化镓制成的第二欧姆接触层15a和顶电极16a。

当入射光照射到第二欧姆接触层15a的表面上时，入射光入射到有源层14a中，有源层14a吸收一部分入射光并产生光生载流子，实现光电转换。未被吸收的入射光继续透射到背电极层12a上，其中背电极层12a同时还作为背反射镜，将光子反射到有源层14a中重新被吸收，实现了对入射光的二次吸收，提高了对入射光的吸收效率，从而提高了垂直型光电子器件的出光效率或光电转换效率。。

以下将简单描述垂直型光电子器件1a的正装制备工艺。

如图2所示，首先提供一个外延片，该外延片从下至上依次包括由砷化镓制成的原衬底17a、由n型砷化镓制成的欧姆接触层13a、由本征砷化镓制成的有源层14a和由p型砷化镓制成的欧姆接触层15a。在欧姆接触层15a的表面上制备顶电极16a，将过渡基板粘结或键合在顶电极16a的表面上，移除原衬底17a，在欧姆接触层13a的表面沉积背电极层12a，在背电极层12a的表面上制备基板11a，移除顶电极16a上的过渡基板。

本发明的实施例还提供了一种倒装制备工艺以制备图1所示的垂直型光电子器件1a。如图3所示，首先提供一个外延片，该外延片从下至上依次包括由砷化镓制成的原衬底17a、由p型砷化镓制成的欧姆接触层15a、由本征砷化镓制成的有源层14a和由n型砷化镓制成的欧姆接触层13a。在欧姆接触层13a的表面上生长背电极层12a，在背电极层12a的表面上制备基板11a，将过渡基板粘结或键合在基板11a的表面上，再移除原衬底17a，在欧姆接触层15a的表面制造顶电极16a，移除基板11a上的过渡基板。

图4是根据本发明第二个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图4，垂直型光电子器件1b从下至上包括：金属基板11b、背电极层12b、由p型砷化镓制成的第二欧姆接触层15b、由本征砷化镓制成的有源层14b、由n型砷化镓制成的第一欧姆接触层13b和顶电极16b。

本实施例的垂直型光电子器件1b可以在图2所示的外延片的基础上采用倒装制备工艺制备得到，也可以在图3所示的外延片的基础上采用正装制备工艺制备得到。在此不再赘述。

由此可知，根据外延片的结构和器件制备要求，可以灵活采用正装或者倒装制备工艺制备垂直型光电子器件1a、1b。在工业生产中选择性高，非常适合于产业化应用。

图5是根据本发明第三个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图5所示，垂直型光电子器件1从下至上包括：基板11、背电极层12、第一欧姆接触层13、有源层14、第二欧姆接触层15和顶电极16。

第一欧姆接触层13与背电极层12的界面处具有图形化表面。其中第一欧姆接触层13的图形化表面上具有相互分离的多个半球状的凸起131，背电极层12沉积在该第一欧姆接触层13的图形化表面上，具有与凸起131的形状相适配的半球状的凹坑121。

第一欧姆接触层13、第二欧姆接触层15是高掺杂的p型半导体或高掺杂的n型半导体，例如可以为高掺杂的p型砷化镓、高掺杂的n型砷化镓。第一、第二欧姆接触层13、15分别与背电极层12和顶电极16形成良好的欧姆接触，顶电极实现垂直型光电子器件1的电流扩展，使得载流子在有源层14中均匀分布，提高器件的光电性能。

有源层14是用于实现光电转换的材料层，例如是pn结耗尽区、本征半导体材料层、体半导体材料层、量子阱结构或量子点结构。

图6是图5所示的垂直型光电子器件中的第一欧姆接触层的图形化表面(即移除了基板11和背电极层12)的平面示意图。如图6所示，第一欧姆接触层13上的凸起131是采用325nm紫外干涉曝光制备。每一个凸起131为半球状，在平行于第二欧姆接触层13的平面上的尺寸大致为300nm，相邻的两个凸起131的中心的间距大约为600nm。。

当入射光照射到第二欧姆接触层15的表面上时，入射光入射到有源层14中，有源层14吸收一部分入射光并产生光生载流子，实现光电转换。未被吸收的入射光继续透射到第一欧姆接触层13的图形化表面，光子在第一欧姆接触层13和背电极层12的图形化的界面处发生多次反射，且对λ>700nm光子反射率很高，将光子反射到有源层14中重新被吸收，实现了对入射光的多次吸收，极大地提高了对入射光的吸收效率，从而进一步提高了垂直型光电子器件的光电特性。

以下结合图7-12详细说明垂直型光电子器件1的制备方法。

步骤s11)：如图7所示，首先提供一个垂直型光电子器件的外延片，该外延片从下至上依次包括原衬底17、第一欧姆接触层13、有源层14和第二欧姆接触层15。

步骤s12)：如图8所示，在第二欧姆接触层15的表面上制备顶电极16。

步骤s13)：如图9所示，将过渡基板19通过粘附层18粘结或键合在顶电极16的表面上。

步骤s14)：如图10所示，移除原衬底17，并在第一欧姆接触层13的表面上制造图形结构，使其表面具有彼此分离的多个凸起131。

步骤s15)：如图11所示，在第一欧姆接触层13的表面通过现有技术的金属薄膜生长工艺(例如电子束蒸发、磁控溅射、离子束蒸发、热蒸发等)沉积背电极层12。

步骤s16)：如图12所示，在背电极层12的表面上通过金属键合、电镀、电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射、低压冷焊等工艺制备基板11。

步骤s17)：移除顶电极16上的粘附层18和过渡基板19。最后得到了如图5所示的垂直型光电子器件1。

上述实施例通过衬底转移技术，将光电子器件的外延层转移到改良的衬底上。衬底转移后的垂直型光电子器件释放了其外延层的应力，改善了光电子器件的质量和特性。

本发明的实施例还提供了另一种制备方法，采用倒装制备工艺以制备与图5所示的垂直型光电子器件1倒装的垂直型光电子器件。

步骤s21):首先提供一个如图7所示的垂直型光电子器件的外延片。

步骤s22):在第二欧姆接触层15的表面上制造图形结构，使其表面具有彼此分离的多个凸起。

步骤s23):在第二欧姆接触层15的具有多个凸起的表面上生长背电极层22。

步骤s24):在背电极层22的表面上制备基板21。

步骤s25):将过渡基板通过粘附层粘结或键合在基板21的表面上，再移除原衬底17。

步骤s26):在第一欧姆接触层13的表面制造顶电极26。

步骤s27):移除基板21上的粘附层和过渡基板。

图13示出了由上述方法制备的垂直型光电子器件2的剖视图，从图13可以看出，上述方法制备的垂直型光电子器件2入光面和背电极正好与器件1相反，是图5所示的垂直型光电子器件1的倒装结构。由此可知，根据外延片生长结构或者器件制备要求，可以灵活采用正装或者倒装制备工艺制备垂直型光电子器件，在工业生产中选择性高，非常适合于产业化应用。

图14是根据本发明第五个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图14所示，垂直型光电子器件3从下至上依次包括：基板31、背电极层32、第一欧姆接触层13、有源层14、第二欧姆接触层15和顶电极36。其与垂直型光电子器件1基本相同，区别在于，垂直型光电子器件3的第二欧姆接触层15的上表面具有相互分离的多个半球状的凸起151。第二欧姆接触层15的上表面的微纳图形化结构能够减小入射光的反射比例，或者改善发光器件出光界面全反射角度的影响，从而增加入射比例或出光效率，进一步提高垂直型光电子器件3的光电特性。

垂直型光电子器件3的制备方法与垂直型光电子器件1的制备方法基本相同，区别在于，在步骤s11)和步骤s12)之间还包括步骤s11’)：在第二欧姆接触层15的表面进行图形化处理，从而制备多个半球状的凸起151。

本发明的实施例还提供了另一种制备方法，以制备与图14所示的垂直型光电子器件3倒装的垂直型光电子器件。其制备方法与垂直型光电子器件2的制备方法基本相同，区别在于，在步骤s25)和步骤s26)之间还包括步骤s25’):在第一欧姆接触层13的表面进行图形化处理，从而制备多个半球状的凸起。

图15示出了由上述方法制备的垂直型光电子器件4的剖视图，如图15所示，垂直型光电子器件4从下至上依次包括：基板41、背电极层42、第二欧姆接触层15、有源层14、第一欧姆接触层13和顶电极46。可以看出，上述方法制备的垂直型光电子器件4是图14所示的垂直型光电子器件3的倒装结构。

结合图14-15可知，可以灵活采用不同制备工艺制备垂直型光电子器件3、4，在工业生产中选择性高，非常适合于产业化应用。

图16是根据本发明第七个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图16所示，垂直型光电子器件5与图5所示的垂直型光电子器件基本相同，区别在于，第二欧姆接触层55具有供光线穿过的窗口551。当第二欧姆接触层55对入射光具有较大的吸收时，具有窗口551的第二欧姆接触层55能够最大程度地减小对入射光的吸收，使得入射光能够直接入射到有源层54，从而提高垂直型光电子器件5的性能。

图17是根据本发明第八个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图17所示，垂直型光电子器件6与图14所示的垂直型光电子器件3基本相同，区别在于，垂直型光电子器件6还包括位于第二欧姆接触层65上的介质层67，介质层67的上表面与第二欧姆接触层的表面形状一致或者为光滑平面。介质层67优选具有绝缘性能作为钝化层以减小器件的漏电，且其折射率在空气折射率和第二欧姆接触层65的折射率之间，从而进一步提高入射光的入射效率，起到减反的作用。

图18是根据本发明第九个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图18所示，垂直型光电子器件7与图5所示的垂直型光电子器件1基本相同，区别在于，垂直型光电子器件7还包括位于第二欧姆接触层75上的介质层77，介质层77的上表面具有彼此分离的半球状凸起771。介质层77的该图形化表面增大了出射光的面积，而且图形化的表面可以使出射光线多次反射提高出射效率，减少全反射的影响。介质层77优选具有绝缘性能作为钝化层以降低器件的漏电，且其折射率在空气折射率和第二欧姆接触层75的折射率之间，从而进一步提高光电子器件的出光效率。

图19是根据本发明第十个实施例的垂直型光电子器件的剖视图。如图19所示，垂直型光电子器件8与图5所示的垂直型光电子器件1基本相同，区别在于，垂直型光电子器件8还包括位于背电极层82和第一欧姆接触层83之间的介质层88，介质层88具有多个介质通孔，背电极层82上的柱状凸起821镶嵌在介质通孔中，并与第一欧姆接触层83欧姆接触。介质层88以及位于其介质通孔中的金属柱状凸起821构成了一个全方位反射镜，从而增加了有源层84对入射光的二次吸收。

上述实施例中的图形结构并不限于是半球状，还可以为球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起或与球缺状、半椭球状、圆台状、圆锥状、柱状凸起相适配的凹槽或凹坑。

在本发明的上述实施例中，过渡基板可以是蓝宝石衬底、si衬底、gap衬底、玻璃衬底、sic衬底、ge衬底或pvc板等。

在本发明的上述实施例中，基板11、21、31、41可以是蓝宝石衬底、si衬底、gap衬底、sic衬底、ge衬底、pvc板、玻璃衬底、金属衬底(例如cu、al、mo、ti、fe等)、金属合金或金属-非金属合金衬底等。

在本发明的上述实施例中，原衬底17可以是蓝宝石衬底、si衬底、gap衬底、gaas衬底、gasb衬底、inp衬底、sic衬底、ge衬底等材料。

背电极层或顶电极的材料可以是in、sn、al、au、pt、zn、ag、ti、pb、pd、ge、cu、be、ni或其中任意金属组成的合金。

由于不同金属材料对不同波长的光的反射率有较大变化，例如银对波长λ>400nm、金对波长λ>700nm、铝在整个可见光和红外波段的光的反射率都在90％以上，银对λ<400nm时对光的反射率迅速下降，在300nm波长附近的光反射率特别低，在10％以下，金在λ<600nm时对光的反射率迅速从90％下降到40％以下，铜对不同波长光的反射率的变化基本与金差不多。金属材料的反射率对入射光的角度没有限制，因此选定特定金属材料，在其充当电极的同时，还能作为背反射镜，从而提高垂直型光电子器件的出光效率或光电转换效率。

更优化地，通过制备具有图形化结构的背金属反射镜，根据光电子器件对特定波段的需求，设计特定形状，特定尺寸的图形化结构，可以增加对特定波段的反射率，或者减小对不需要波段的反射率，进而更好地提升光电子器件的光电特性。

光电子器件具有进光或者出光的窗口层，由于窗口层材料和空气具有很大的折射率突变，平面型的窗口层会反射一定比例的入射光，入射光透射效率没有得到优化，对发光器件也会由于全反射角度较小，导致出光效率较低。优选的，可以对光电子器件的窗口层进行图形化处理，根据光电子器件涉及的特定波段，设计特定的图形结构和图形尺寸，可以增加光电子器件的入射比例或者出光效率，进而提升光电子器件的光电特性。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。