高电光转换效率的III族氮化物紫外发光二极管及其制法

本发明涉及一种高电光转换效率的iii族氮化物紫外发光二极管结构及其制备方法，属于半导体光电。

背景技术：

1、iii族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点，其禁带宽度涵盖从深紫外、可见光、到近红外范围，可用于制作半导体发光器件，如发光二极管、激光器和超辐射发光二极管等。基于iii族氮化物半导体的深紫外发光二极管具有节能环保、制作简单、体积小、重量轻、寿命长等优点，在杀菌消毒、水体净化、紫外固化以及珠宝鉴定等方面具有广阔的市场应用。

2、然而目前深紫外发光二极管输出功率(毫瓦级)和电光转化效率(＜3％)都很低，远小于蓝色发光二极管的输出功率(瓦级)和电光转换效率(～60％)，严重影响了深紫外发光二极管可靠性和应用市场拓展。造成深紫外发光二极管输出功率和电光转化效率低的主要原因是其取光效率和焦耳效率都比较低。

3、对于iii族氮化物深紫外发光二极管，需形成低比接触电阻率的p型和n型欧姆接触，以高效注入空穴和电子。然而p型氮化物材料功函数很高，如p型gan功函数7.5ev，很难制备低比接触电阻率的欧姆接触。而p型algan材料功函数随着al组分的增加而快速增加，对于深紫外光透明的高al组分p型algan材料(al组分≥50％)，其功函数尤其大，极难制备欧姆接触，因此常规深紫外led通常采用p型gan或低al组分p型algan作为欧姆接触层，而p型gan或低al组分algan材料禁带宽度较小，对深紫外光的吸收系数较大，会吸收量子阱发出的深紫外光，严重影响器件的取光效率。另一方面，对于深紫外led，很难找到兼具高反射率与低比接触电阻率的p型欧姆接触电极。对于常用的ni/au、ito/al等p型欧姆接触电极材料，深紫外波段的反射率小于40％，即使采用稀有金属rh等，深紫外光反射率仍然小于70％。金属al在深紫外波段具有较高的反射率(＞90％)，然而al很难与p型氮化物材料直接接触形成很好的欧姆接触。因此大多数深紫外led仍然采用ni/au、ito/al、rh等p型欧姆接触金属，导致很大一部分光被p型欧姆接触电极吸收，严重影响了深紫外led的取光效率。上述两个原因导致深紫外led的取光效率通常小于10％。

4、另外，对于iii族氮化物半导体，通常采用mg受主实现p型掺杂，而mg受主在p型algan材料中的电离能随着al组分增加而急剧增加(gan：170mev，aln：470mev)。为了减少p型层吸收量子阱发出的深紫外光，深紫外led需采用深紫外光透明的高al组分p型algan材料。而对于深紫外透明的高al组分p型algan材料，通常只有很少(＜1％)的mg受主发生电离，导致p型algan材料空穴浓度较低。由于空穴有效质量较大，且p型层中mg受主掺杂浓度较高(＞1019cm-3)造成空穴散射严重，导致p型algan中空穴迁移率较低，因此p型algan材料电阻率很大，导致器件串联电阻很大，工作电压很高，远大于深紫外led量子阱禁带宽度，造成深紫外led的焦耳效率很低。

5、极低的取光效率和很低的焦耳效率使得深紫外led的输出功率和电光转换效率很低，造成工作结温很高，严重影响了器件性能和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高电光转换效率的iii族氮化物紫外发光二极管结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例提供了一种iii族氮化物紫外发光二极管结构，包括外延结构，所述外延结构包括p型层、n型层和有源区，所述有源区分布于所述p型层和n型层之间；其特征在于：所述p型层与有源区之间还分布有具有微纳结构的反射层，所述反射层至少用于将从有源区向p型层传播的光向n型层反射。

4、本发明实施例还提供了所述iii族氮化物发光二极管结构的制作方法，其包括：

5、在衬底上依次生长n型层、有源区、反射层和p型层，形成外延结构；

6、在所述p型层上形成多个间隔排布的微纳结构；

7、将所述微纳结构转移到反射层中，所述反射层至少用于将从有源区向p型层传播的光向n型层反射。

8、本发明实施例还提供了中的应用。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

10、1)提供的一种iii族氮化物紫外发光二极管结构及其制备方法，在有源区和p型层之间插入具有微纳结构的反射层，将往p型层传播的光反射到n型层和衬底侧出射，从而有效避免p型层和p型欧姆接触电极对光的吸收，提高取光效率。

11、2)提供的一种iii族氮化物紫外发光二极管结构及其制备方法，有源区发出的光被反射至n型层一侧，因此可以采用高电导率且易形成低比接触电阻率的材料形成p型层，从而有效降低器件的串联电阻和工作电压，进一步提升器件的电光转换效率。

技术特征：

1.一种iii族氮化物紫外发光二极管结构，包括外延结构，所述外延结构包括p型层、n型层和有源区，所述有源区分布于所述p型层和n型层之间；其特征在于：所述p型层与有源区之间还分布有具有微纳结构的反射层，所述反射层至少用于将从有源区向p型层传播的光向n型层反射。

2.根据权利要求1所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述反射层包括间隔分布的多个微纳结构，相邻微纳结构之间的间隙内填充有p型半导体材料。

3.根据权利要求2所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述微纳结构的尺寸大于0且小于400nm。

4.根据权利要求2所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述微纳结构包括光栅结构或光子晶体结构；和/或，所述微纳结构的材料为alingan、gan、algan、ingan、sio2、sin、ta2o5、tio2、mgf2中的一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构包括沿指定方向依次设置的衬底、缓冲层、n型层、有源区、反射层和p型层。

6.根据权利要求5所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构还包括p电极和n电极，所述p电极与p型层形成欧姆接触，所述n电极与n型层形成欧姆接触；和/或，所述有源区发射的光为深紫外光。

7.根据权利要求6所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构具有相背对的第一表面和第二表面，所述第二表面为出光面，所述第一表面具有台阶结构，所述台阶结构具有第一台阶面和第二台阶面，所述n型层的局部区域暴露于所述第一台阶面，所述p型层暴露于所述第二台阶面。

8.根据权利要求7所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述第一表面还覆盖有绝缘介质层，所述绝缘介质层上开设有与所述n电极、p电极配合的窗口。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构包括沿指定方向依次设置的n型层、有源区、反射层、p型层和支撑基板。

10.根据权利要求9所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于还包括p电极和n电极，所述p电极与p型层形成欧姆接触，所述n电极与n型层形成欧姆接触；和/或，所述有源区发射的光为深紫外光。

11.根据权利要求10所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构的外延结构具有相背对的第一表面和第二表面，所述第二表面为出光面，所述第一表面上开设有至少一个孔洞，所述孔洞的底端到达或进入所述n型层，与所述n型层配合的n电极设置在所述孔洞内；和/或，所述第二表面具有台阶结构，所述台阶结构具有第一台阶面和第二台阶面，所述p电极的局部区域暴露于所述第一台阶面，所述n型层暴露于所述第二台阶面。

12.根据权利要求11所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述出光面具有增强出光的微结构；和/或，所述p电极上还设置有加厚电极；和/或，所述支撑基板上设置有基板电极。

13.根据权利要求12所述的iii族氮化物紫外发光二极管结构，其特征在于：所述发光二极管结构还包括第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层连续覆盖所述第一表面和所述孔洞的内壁，并且所述第一绝缘介质层上还开设有与n电极、p电极配合的窗口；和/或，所述发光二极管结构还包括第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层连续覆盖所述第一绝缘介质层和p电极，并经键合层与支撑基板键合，所述键合层的局部区域进入所述孔洞并与n电极电性接触。

14.一种iii族氮化物紫外发光二极管结构的制作方法，其特征在于包括：

15.根据权利要求14所述的制作方法，其特征在于还包括：通过光刻技术在所述p型层上形成所述微纳结构；

16.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于还包括：

17.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于还包括：

18.根据权利要求17所述的制作方法，其特征在于还包括：

19.根据权利要求18所述的制作方法，其特征在于还包括：

20.根据权利要求19所述的制作方法，其特征在于还包括：

21.根据权利要求20所述的制作方法，其特征在于还包括：去除衬底，并在所述外延结构的第二表面加工出增强出光的微结构。

22.一种iii族氮化物紫外发光二极管结构的制作方法，其特征在于包括：

23.根据权利要求22所述的制作方法，其特征在于还包括：

24.根据权利要求23所述的制作方法，其特征在于还包括：

技术总结
本发明公开了一种高电光转换效率的III族氮化物紫外发光二极管及其制法。所述二极管结构包括外延结构，所述外延结构包括p型层、n型层和有源区，所述有源区分布于所述p型层和n型层之间；其中，所述p型层与有源区之间还分布有具有微纳结构的反射层，所述反射层至少用于将从有源区向p型层传播的光向n型层反射。本发明提供的发光二极管，取光效率高、串联电阻小，可大幅提升电光转换效率和可靠性。

技术研发人员：冯美鑫,孙钱,刘建勋,黄应南,孙秀建,杨辉
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12