一种深紫外LED芯片及其制备方法与流程

本发明属于半导体发光领域，涉及一种LED芯片，具体涉及一种深紫外LED芯片及其制备方法。

背景技术：

深紫外LED芯片在水和空气净化、生物医疗、光通讯和高密度存储等方面都具有很大的应用价值和前景。

(1)由于P型AlGaN材料的禁带宽度大，与金属形成的接触势垒较高。不仅如此，随着Al原子摩尔组分的增加，接触势垒的高度也会随之增加，导致金属与高Al组分P型AlGaN间难以形成低阻欧姆接触，从而影响紫外LED芯片的光电性能。所以目前通常在P型AlGaN上制备一层P型GaN层，提高金属和P型GaN的欧姆接触性能。但是P型GaN对深紫外光有很强的吸收作用，从而降低了深紫外LED芯片的光提取效率。

(2)此外，N型AlGaN与N电极金属的欧姆接触需要在较高的温度下才能形成，高温退火将会破坏P型AlGaN与P电极金属形成的欧姆接触。为了避免此种影响，可以采用先制备N型欧姆接触电极，再制备P型欧姆接触电极，但是此时P型欧姆接触电极制备的退火过程中也会影响N型欧姆接触电极的接触性能。

(3)高Al组分AlGaN材料的电阻率教高，当深紫外LED芯片的注入电流较大时，芯片电流聚集现象将会更加严重。

现有技术中LED芯片的P电极和N电极往往同时制备在一个导电衬底上，这样两个电极在退火过程中会相互影响，很难达到均衡，因此急需一种技术能够将P电极和N电极分开制备，减少退火的相互影响，并降低芯片电流聚集现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种提高紫外LED芯片欧姆接触性能、光提取效率以及芯片电流扩展性能的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种深紫外LED芯片，其特征在于；包括导电衬底以及位于导电衬底上的P电极和隧穿型N电极，所述P电极依次包括N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、AlN/GaN超晶格欧姆接触层和图形化的P型GaN层，所述P型GaN层上设有透明导电层，所述透明导电层上设有P电极焊盘；

所述隧穿型N电极和P电极中至少一个生长于绝缘衬底上并通过键合方式转移到所述导电衬底上。

作为改进，所述隧穿型N电极包括隧穿结构和N电极焊盘，所述隧穿结构包括轻掺杂的P^-型AlGaN层、重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层、重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层和轻掺杂的N^-型AlGaN层，其中P^-型AlGaN层中部设有孔槽，所述重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层设于孔槽内，所述N^-型AlGaN层位于P^-型AlGaN层顶部，将P⁺⁺型AlGaN层和N⁺⁺型AlGaN层覆盖在P^-型AlGaN层的孔槽内，所述N电极焊盘设于N^-型AlGaN层上表面。

作为改进，所述P^-型AlGaN层中部的孔槽为圆孔槽。

作为改进，所述AlN/GaN超晶格欧姆接触层由原子层级厚度的AlN层和GaN层组成，其中AlN层和GaN层采用Mg掺杂的方式提高欧姆接触性能。

作为改进，所述P电极中P型GaN层的厚度为10nm～15nm，图形化后P型GaN层的最薄厚度为1nm～2nm。

作为改进，所述P电极中P型GaN层的图形为列状排列的凹槽，该图形采用激光直写方法刻蚀。

作为改进，所述隧穿型N电极的隧穿结采用外延生长的方法制备，首先生长轻掺杂的P^-型AlGaN层，然后采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层上制备圆孔状的图形，圆孔的直径为100μm～200μm，继续在圆孔内外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层，继续外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层，轻掺杂的N^-型AlGaN层在重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层和轻掺杂的P^-型AlGaN层上方。

一种深紫外LED芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备导电衬底，并在导电衬底上划分P电极区和N电极区；

步骤2、在导电衬底的P电极区上利用外延生长法制备P电极，具体步骤如下：

步骤2.1、在导电衬底上利用外延法依次生长N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、AlN/GaN超晶格欧姆接触层和P型GaN层；

步骤2.2、对P型GaN层进行图形化，制备纳米级周期性图形；

步骤2.3、在图形化的P型GaN层上蒸镀透明导电层，在透明导电层沉积多层金属制成P电极焊盘；

步骤3、在绝缘衬底上利用外延生长法制备隧穿型N电极，具体步骤如下：

步骤3.1、首先在绝缘衬底上生长轻掺杂的P^-型AlGaN层；

步骤3.2、采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层上制备圆孔状的图形；

步骤3.3、在轻掺杂的P^-型AlGaN层圆孔内依次外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层；

步骤3.4、在重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层上外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层，使得轻掺杂的N^-型AlGaN层覆盖在轻掺杂的P^-型AlGaN层顶部；

步骤3.5、在轻掺杂的N^-型AlGaN层上上沉积多层金属并制备N电极焊盘；

步骤3.6、采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底，得到隧穿型N电极；

步骤4、将剥离出的隧穿型N电极采用Au/IN键合的方法键合到步骤1中的导电衬底的N电极区，即制得深紫外LED芯片。

一种深紫外LED芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备导电衬底，并在导电衬底上划分P电极区和N电极区；

步骤2、在绝缘衬底上利用外延生长法制备P电极，具体步骤如下：

步骤2.1、在导电衬底上利用外延法依次生长N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、AlN/GaN超晶格欧姆接触层和P型GaN层；

步骤2.2、对P型GaN层进行图形化，制备纳米级周期性图形；

步骤2.3、在图形化的P型GaN层上蒸镀透明导电层，在透明导电层沉积多层金属制成P电极焊盘；

步骤2.4、采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底，得到P电极；

步骤3、将剥离出的P电极采用Au/IN键合的方法键合到步骤1中的导电衬底的P电极区；

步骤4、另选一个绝缘衬底，在绝缘衬底上利用外延生长法制备隧穿型N电极，具体步骤如下：

步骤4.1、首先在绝缘衬底上生长轻掺杂的P^-型AlGaN层；

步骤4.2、采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层上制备圆孔状的图形；

步骤4.3、在轻掺杂的P^-型AlGaN层圆孔内依次外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层；

步骤4.4、在重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层上外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层，使得轻掺杂的N^-型AlGaN层覆盖在轻掺杂的P^-型AlGaN层顶部；

步骤4.5、在轻掺杂的N^-型AlGaN层上上沉积多层金属并制备N电极焊盘；

步骤4.6、采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底，得到隧穿型N电极；

步骤5、将剥离出的隧穿型N电极采用Au/IN键合的方法键合到步骤1中的导电衬底的N电极区，即制得深紫外LED芯片。

一种深紫外LED芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备导电衬底，并在导电衬底上划分P电极区和N电极区；

步骤2、在导电衬底的N电极区利用外延生长法制备隧穿型N电极，具体步骤如下：

步骤2.1、首先在导电衬底上生长轻掺杂的P^-型AlGaN层；

步骤2.2、采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层上制备圆孔状的图形；

步骤2.3、在轻掺杂的P^-型AlGaN层圆孔内依次外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层；

步骤2.4、在重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层上外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层，使得轻掺杂的N^-型AlGaN层覆盖在轻掺杂的P^-型AlGaN层顶部；

步骤2.5、在轻掺杂的N^-型AlGaN层上上沉积多层金属并制备N电极焊盘，得到隧穿型N电极；

步骤3、在绝缘衬底上利用外延生长法制备P电极，具体步骤如下：

步骤3.1、在导电衬底上利用外延法依次生长N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、AlN/GaN超晶格欧姆接触层和P型GaN层；

步骤3.2、对P型GaN层进行图形化，制备纳米级周期性图形；

步骤3.3、在图形化的P型GaN层上蒸镀透明导电层，在透明导电层沉积多层金属制成P电极焊盘；

步骤3.4、采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底，得到P电极；

步骤4、将剥离出的P电极采用Au/IN键合的方法键合到步骤1中的导电衬底的P电极区，即制得深紫外LED芯片。

本发明的有益效果在于：采用由原子层级厚的AlN层和GaN层组成的AlN/GaN超晶格代替传统的AlGaN提高欧姆接触性能，还可以采用掺杂的方式进一步减小P型AlGaN的活化能。此外，在P型GaN上制备纳米级周期性图形，在保证欧姆接触性能的同时还能减小P型GaN层对紫外光的吸收。纳米级的周期性图形能增强从芯片有源区出射光的散射，从而进一步提高深紫外LED芯片的光提取效率。进一步采用外延生长的隧穿结代替传统的N型金属电极，可以避免N型欧姆接触和P型欧姆接触在退火过程中的互相影响。不仅如此，外延层和隧穿型N电极均被键合到导电衬底上，增强了深紫外LED芯片的电流扩展性能和热扩散性能。

附图说明

图1为实施例1提供的一种深紫外LED芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例1中AlN/GaN超晶格和P型GaN层的结构示意图；

图3为本发明实施例1中P型GaN层纳米级周期性图形结构示意图；

图4为实施例1中隧穿结的结构示意图；

图5为实施例2提供的一种深紫外LED芯片的外延以及P电极结构示意图；

图6为实施例2中隧穿结的结构示意图；

图7为实施例2提供的一种深紫外LED芯片的结构示意图；

图8为实施例2提供的一种深紫外LED芯片结构示意图的顶视图。

1-导电衬底，2-N型AlGaN层，3-多量子阱层，4-P型AlGaN层，5-AlN/GaN超晶格欧姆接触层，6-P型GaN层，7-透明导电层，8-P电极焊盘，9-P^-型AlGaN层，10-P⁺⁺型AlGaN层，11-N⁺⁺型AlGaN层，12-N^-型AlGaN层，13-N电极焊盘，21、31、41-绝缘衬底，51-AlN层，52-GaN层。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1：

本发明实施例1提供的深紫外LED芯片的结构和具体实施步骤如下：

(1)准备导电衬底1，并在导电衬底1上划分P电极区和N电极区；在导电衬底1的P电极区上生长深紫外LED芯片的外延结构，制备P电极，导电衬底1可采用SiC、P型掺杂Si等材料，参照图1，外延结构包括：N型AlGaN层2、多量子阱层3、P型AlGaN层4、AlN/GaN超晶格欧姆接触层5、P型GaN层6。参照图2，其中AlN/GaN超晶格欧姆接触层5的原子层级厚的AlN层51和GaN层52交替排列组成，AlN层51和GaN层52可以采用Mg掺杂的方式提高欧姆接触性能，P型GaN层6的厚度为10～15nm。

(2)采用激光直写等微纳加工的方法在P型GaN层6上制备纳米级周期性图形，参照图2与图3，并使图形凹槽处的P型GaN层6的厚度为1～2nm。

(3)在图形化的P型GaN层6上蒸镀透明导电层7，透明导电层7可采用IOT、Ni/Ag薄层结构等。

(4)在透明导电层7上沉积多层金属并制作P电极焊盘8。

(5)在绝缘衬底21上生长隧穿结作为N电极，绝缘衬底21可采用蓝宝石、GaN、INN等材料，参照图4，首先生长轻掺杂的P^-型AlGaN层9。

(6)采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层9上制备圆孔状的图形，圆孔的直径为100μm～200μm。

(7)在轻掺杂的P^-型AlGaN层9的圆孔内外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层10和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层11。

(8)在N⁺⁺型AlGaN层11顶部外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层12，并使轻掺杂的N^-型AlGaN层12覆盖在轻掺杂的P^-型AlGaN层9顶部。

(9)在轻掺杂的N^-型AlGaN层12上沉积多层金属并制备N电极焊盘13。

(10)采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底21，制得N电极。

(11)将剥离出的隧穿结采用Au/IN键合的方法键合到导电衬底1的N电极区上，即制得深紫外LED芯片。

实施例2：

本发明实施例2提供的深紫外LED芯片的结构和具体实施步骤如下：

(1)准备导电衬底14，并在导电衬底1上划分P电极区和N电极区；在绝缘衬底31上生长深紫外LED芯片的外延结构，制备P电极，绝缘衬底31可采用蓝宝石、SiO2材料，参照图5，其结构包括：N型AlGaN层2、多量子阱层3、P型AlGaN层4、AlN/GaN超晶格欧姆接触层5、P型GaN层6。参照图2，其中AlN/GaN超晶格欧姆接触层5的原子层级厚的AlN层51和GaN层52交替排列组成，AlN层51和GaN层52可以采用Mg掺杂的方式提高欧姆接触性能。P型GaN层6的厚度为10～15nm。

(2)采用激光直写等微纳加工的方法在P型GaN层6上制备纳米级周期性图形，参照图2，并使图形凹槽处的P型GaN层6的厚度为1～2nm。

(3)在图形化的P型GaN层上蒸镀透明导电层7，透明导电层7可采用IOT、Ni/Ag薄层结构等。

(4)在透明导电层7上沉积多层金属并制作P电极焊盘8。

(5)采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底31，得到P电极。

(6)参照图7，将剥离出作为P电极的外延结构采用Au/IN键合的方法键合到导电衬底14的P电极区上，导电衬底14可采用SiC、P型掺杂Si等材料。

(7)在绝缘衬底41上生长隧穿结作为N电极，绝缘衬底41可采用蓝宝石材料、SiO2材料，参照图6，首先在绝缘衬底41上生长轻掺杂的P^-型AlGaN层9。

(8)采用刻蚀的方法在轻掺杂的P^-型AlGaN层9上制备圆孔状的图形，圆孔的直径为100μm～200μm。

(9)在轻掺杂的P^-型AlGaN层9的圆孔内外延生长重掺杂的P⁺⁺型AlGaN层10和重掺杂的N⁺⁺型AlGaN层11。

(10)在N⁺⁺型AlGaN层11顶部外延生长轻掺杂的N^-型AlGaN层12，并使轻掺杂的N^-型AlGaN层12覆盖轻掺杂的P^-型AlGaN层9。

(11)在轻掺杂的N^-型AlGaN层12上沉积多层金属并制备N电极焊盘13。

(12)采用激光剥离的方法剥离绝缘衬底41，制得N电极。

(13)参照图7与图8，将剥离出的隧穿结采用Au/IN键合的方法键合到导电衬底14的N电极区上，即制得深紫外LED芯片。

需要指出的是上述实施例仅限于对本发明权利要求进行解释，不限定本发明的保护范围，需要注意的是本发明上述实施例中各绝缘衬底既可以采用相同材料也可以采用不同材料制备，导电衬底也同理。