垂直型深紫外发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种垂直型深紫外发光二极管。

背景技术

近年来，对于大功率照明发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的研究已经成为趋势，然而传统同侧结构的LED芯片存在电流拥挤、电压过高和散热难等缺点，很难满足大功率的需求，而垂直LED芯片不仅可以有效地解决大电流注入下的拥挤效应，还可以缓解大电流注入所引起的内量子效率降低，改善垂直LED芯片的光电性能，但目前低的光电转换效率严重限制了其应用发展。

目前对于垂直LED芯片的光效提升主要集中在电极结构、有源层结构、电流扩展、光提取结构等改进上，然而上述改进对设备与工艺的要求较高，且步骤繁琐，工艺兼容性差，成本较高，且光效改善不明显。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种垂直型深紫外发光二极管，用于改善现有技术的垂直型深紫外发光二极管的光提取效率较低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直型深紫外发光二极管，依次包括层叠设置的从上至下依次包括导电支撑层、键合层、反射层、P型接触层、空穴注入层、电子阻挡层、量子阱有源层以及电子注入层，电子注入层包括多个凸台和多个位于相邻两个凸台之间的凹槽，凸台的上表面形成有N型接触层，电子注入层、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层均为AlGaN材料；

其中，垂直型深紫外发光二极管还包括光学调节层，光学调节层完全覆盖空穴注入层、电子阻挡层、量子阱有源层以及电子注入层并部分覆盖N型接触层；光学调节层的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间。

优选的，凹槽的高度小于或者等于电子注入层的厚度。

优选的，凸台的横截面图形包括正梯形、倒梯形、圆弧形以及圆锥形中的任意一种，凸台的侧面与凸台的底面的夹角范围为5°～89°。

优选的，凹槽的横截面面积小于或者等于凸台的横截面面积的0.6倍。

优选的，光学调节层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氟化镁、二氧化钛以及氧化铝中的至少一种。

优选的，垂直型深紫外发光二极管还具有倾斜台阶状结构，倾斜台阶状结构的倾斜面由空穴注入层的侧面、电子阻挡层的侧面、量子阱有源层的侧面以及凸台中远离凹槽的外侧面组成；倾斜面为粗化表面，粗化表面用于提取所述量子阱有源层发射的光线。

优选的，粗化表面具有多个周期性排列或者不规则排列的微结构，微结构为凹陷或者凸起。

优选的，凹槽的底面以及凹槽的侧面中的至少一面为粗化表面。

优选的，光学调节层包括第一子层以及与第一子层间隔设置的第二子层，第一子层完全覆盖凹槽且部分覆盖N型接触层，第二子层完全覆盖倾斜台阶状结构的倾斜面且部分覆盖N型接触层；

其中，第一子层以及第二子层中的至少一层中远离P型接触层的一侧表面为粗化表面。

优选的，微结构的边缘尺寸为25nm～100nm。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明首先通过在垂直型深紫外发光二极管中电子注入层的内部设计多个凹槽，且每一凹槽至少贯穿部分电子注入层，有利于量子阱有源层发射至电子注入层方向的紫外光沿凹槽侧面发生漫反射，从而提升了垂直型深紫外发光二极管的光提取效率；同时本发明还通过在外延结构表面设置光学调节层，且光学调节层的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间，以使光学调节层的折射率介于外延结构表面与空气之间，从而降低了AlGaN材料与空气界面的折射率差，进而降低了垂直型深紫外发光二极管发射的光线在外延结构表面与空气界面传播时产生的全反射效应，进一步提高了垂直型深紫外发光二极管的光提取效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管的截面结构示意图；

图2是本发明第二实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管的截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。

实施例1：

请参阅图1，图1为本发明第一实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管100的截面结构示意图；其中，该垂直型深紫外发光二极管100的主要出光方向为如图1所示的第一方向D1，垂直型深紫外发光二极管100依次包括层叠设置的导电支撑层101、键合层102、反射层103、P型接触层104、空穴注入层105、电子阻挡层106、量子阱有源层107以及电子注入层108，电子注入层108包括多个凸台1081和多个位于相邻两个凸台1081之间的凹槽1082，凸台1081的上表面形成有N型接触层109，电子注入层108、量子阱有源层107、电子阻挡层106以及空穴注入层105均为AlGaN材料；

具体地，垂直型深紫外发光二极管100还包括光学调节层110，光学调节层110完全覆盖空穴注入层105、电子阻挡层106、量子阱有源层107以及电子注入层108并部分覆盖N型接触层109；光学调节层110的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间。

下面对本发明实施例1所提供的垂直型深紫外发光二极管100的各个部分进行详细介绍。

在本发明实施例中，导电支撑层101的材质为Si、SiC以及Cu中的任意一种；导电支撑层101可以起到支撑作用，还可以在本发明实施例中复用为P型电极。

在本发明实施例中，键合层102的材质为Au-Au、Au-Sn以及Sn-Sn中的任意一种；键合层102用于将反射层103与导电支撑层101键合。

在本发明实施例中，反射层103的材质为Al以及Ag中的至少一种；反射层103用于将量子阱有源层107出射至导电支撑层101方向的紫外光反射，使这部分紫外光经第一方向D1出射。

在本发明实施例中，P型接触层104的材料包括但不限于NiAu、ITO、Rh、Al等单层或者叠层；在一种实施例中，P型接触层104为Rh，厚度为10～70nm。

在本发明实施例中，空穴注入层105的材料为掺杂Mg的AlGaN材料，掺杂浓度介于10

在本发明实施例中，电子阻挡层106为单层AlGaN结构，电子阻挡层106为Mg掺杂的半导体材料，其使用二茂镁作为掺杂剂；其中，电子阻挡层106中铝组分含量组分大于或者等于50％且小于100％，电子阻挡层106的厚度范围在0.1nm至200nm之间。

在本发明实施例中，量子阱有源层107包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间；其中，势阱层以及势垒层均包括AlGaN材料，且每一层势阱层的铝组分总含量比每一层势垒层的铝组分总含量低，这样是为了确保量子阱有源层107中的载流子被限制在势阱层内。

进一步地，势阱层的材料为Al

进一步地，量子阱有源层107的周期数大于等于1且小于等于20，周期数为正整数。

在本发明实施例中，电子注入层108采用掺杂Si的AlGaN材料，掺杂浓度介于10

进一步地，电子注入层108包括多个凸台1081和多个位于相邻两个凸台1081之间的凹槽1082，凸台1081的上表面形成有N型接触层109；其中，凹槽1082的个数大于等于1。

进一步地，凸台1081的上表面为粗化表面，粗化表面用于提取量子阱有源层107发射的光线；其中，粗化表面具有多个周期性排列或者不规则排列的微结构，微结构为凹陷或者凸起。

在本发明实施例中，N型接触层109的材料包括但不限于Cr、Al、Ti、Au、Ni、Pt、Rh、Ag等单层或者叠层，厚度为100～200nm。

优选的，凹槽1082的高度小于或者等于电子注入层108的厚度，凹槽1082的底面宽度范围为：50nm

优选的，凸台1081的横截面图形包括正梯形、倒梯形、圆弧形以及圆锥形中的任意一种，凸台1081的侧面与凸台1081的底面的夹角范围为5°～89°。

其中，凹槽1082的面积与垂直型深紫外发光二极管100的发光亮度正相关，与垂直型深紫外发光二极管100的驱动电压反相关。

进一步地，考虑到垂直型深紫外发光二极管100的光电转换效率，凹槽1082的横截面面积小于或者等于凸台1081的横截面面积的0.6倍。

在本发明实施例中，可通过掩膜工艺，包括但不限于光刻胶、二氧化硅等，与等离子体电感耦合(ICP)刻蚀工艺对凹槽1082的高度与角度进行调控。其中，高度可通过ICP气体氛围、功率和时间进行调试。角度可通过调节掩膜材料的角度、ICP气体氛围与功率进行调试。横截面面积可通过设计光刻掩模版进行调试。

进一步地，通过在电子注入层108的内部设计多个凹槽1082，且每一凹槽1082至少贯穿部分电子注入层108，有利于量子阱有源层107发射至电子注入层108方向的紫外光沿凹槽1082侧面发生漫反射，从而提升了垂直型深紫外发光二极管100的光提取效率；同时，此设计也可减少光子的全反射损耗，增加光提取效率。

在本发明实施例中，光学调节层110完全覆盖空穴注入层105、电子阻挡层106、量子阱有源层107以及电子注入层108并部分覆盖N型接触层109；光学调节层110的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间。

具体地，光学调节层110的材料优选为低折射率且在紫外波段反射率高的材料，包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氟化镁、二氧化钛、氧化铝或者多个叠层等；光学调节层110可通过原子沉积工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺、磁控溅射工艺等技术实现，其沉积温度低于300℃。

其中，由于光学调节层110的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间，以使光学调节层110的折射率介于外延结构表面与空气之间，从而降低了AlGaN材料与空气界面的折射率差，进而降低了垂直型深紫外发光二极管100发射的光线在外延结构表面与空气界面传播时产生的全反射效应，进一步提高了垂直型深紫外发光二极管100的光提取效率。

在本发明实施例中，光学调节层110的设计可提高光效，但不影响垂直型深紫外发光二极管100的电压、寿命与产品良率。

具体地，在本发明实施例1提供的制备方法具体如下：

步骤一，在一蓝宝石衬底上外延生长外延结构，每个外延结构包括依次层叠设置的电子注入层108、量子阱有源层107、电子阻挡层106以及空穴注入层105；上述外延生长方法在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)设备中进行。

步骤二，将经过步骤一制备的外延结构进行表面清洗，表面清洗的具体过程如下：使用丙酮和异丙醇分别对上述多个外延结构超声清洗10min，以去除外延结构表面的有机物，再用去离子水冲洗10min，甩干机甩干。

步骤三，在空穴注入层105上形成P型接触层104，其材料包括但不限于NiAu、ITO、Rh、Al等单层或者叠层，此例采用Rh，厚度为10～70nm，退火条件为氧气氛围快速退火5min，温度范围可在350-650℃；其中，快速热退火工艺(Rapid Thermal Annealing，RTA)在现代半导体产业有重要的应用，其可以极快的升温并在目标温度短暂持续，以对半导体芯片进行热退火，快速的升温过程和短暂的持续时间能够有效的修复晶格缺陷、激活杂质和扩散金属，从而形成良好的欧姆接触。

步骤四，在P型接触层104上形成反射层103，其材料包括但不限于Rh、Al、Ag、Cr、Ti、Pt、Pd、Au、Ni等单层或者叠层，反射层103可以将光子更多的反射；若此反射层103可作为P型接触层104，则步骤三可省略。若步骤三中的P型接触层104为高反射材料，则步骤四可省略；进一步地，也可在反射层103与P型接触层104中间部分区域制备一层绝缘层作为电流阻挡层，其面积不超过P型接触层104的1/2，可缓解电流拥堵效应。

步骤五，在反射层103上制备键合层102并通过键合层102将反射层103与导电支撑层101键合连接；其中，键合层102材料主要包括Cr、Ni、Pt、Ti、Au、Sn、Cu、Ag、Ta中至少一种，主要是黏附作用；其导电支撑层101材料可为带有掺杂的半导体材料，比如Si衬底。

步骤六，翻转上述外延结构，将上述外延结构中的蓝宝石衬底进行剥离去除，以漏出电子注入层108。

步骤七，首先通过金属刻蚀工艺对外延结构进行刻蚀处理，形成倾斜台阶状结构20，空穴注入层105的侧面、电子阻挡层106的侧面、量子阱有源层107的侧面以及电子注入层108中凸台1081的外侧面构成倾斜台阶状结构20的倾斜面；之后，通过正性光刻胶作为掩膜，使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺对电子注入层108进行刻蚀处理，使电子注入层108形成多个凸台1081以及多个凹槽1082，凹槽1082的深度小于或者等于电子注入层108的厚度，在本实施例中ICP刻蚀工艺的刻蚀比为3:1，刻蚀深度根据结构设计而定，优选为2-3um。

步骤八，对凸台1081的上表面进行粗化处理以形成粗化表面；其中，通过光刻掩膜与Ar离子刻蚀对凸台1081的上表面进行粗化。

步骤九，在凸台1081的上表面形成N型接触层109，N型接触层109未完全覆盖凸台1081的上表面。其材料包括但不限于Cr、Al、Ti、Au、Ni、Pt、Rh、Ag等单层或者叠层，厚度为100～200nm；

步骤十，采用原子层沉积技术在倾斜台阶状结构20的表面沉积一层低折射率材料，该低折射率材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氟化镁、二氧化钛或者多个叠层等；在一实施例中沉积47nm的二氧化硅，沉积温度为220℃；之后，通过光刻掩膜与ICP刻蚀工艺，将部分N型接触层109表面上的二氧化硅腐蚀。

实施例2：

请参阅图2，图2是本发明第二实施例所提供的垂直型深紫外发光二极管100的截面结构示意图。其中，本发明实施例2提供的垂直型深紫外发光二极管100的结构与本发明实施例1提供的垂直型深紫外发光二极管100的结构大致相同，不同之处仅在于：

垂直型深紫外发光二极管100还具有倾斜台阶状结构20，空穴注入层105的侧面、电子阻挡层106的侧面、量子阱有源层107的侧面以及电子注入层108中凸台1081的外侧面构成倾斜台阶状结构20的倾斜面，倾斜面为粗化表面，粗化表面用于提取量子阱有源层107发射的光线。

优选的，凹槽1082的底面以及凹槽1082的侧面中的至少一面为粗化表面。

优选的，光学调节层110包括第一子层以及与第一子层间隔设置的第二子层，第一子层完全覆盖凹槽1082且部分覆盖N型接触层109，第二子层完全覆盖倾斜台阶状结构20的倾斜面且部分覆盖N型接触层109；

其中，第一子层以及第二子层中的至少一层中远离P型接触层104的一侧表面为粗化表面。

优选的，倾斜台阶状结构20的倾斜面、凹槽1082的底面、凹槽1082的侧面、第一子层中远离P型接触层104的一侧表面以及第二子层中远离P型接触层104的一侧表面中的至少一种为粗化表面。

本发明实施例2提供的垂直型深紫外发光二极管100的制备方法与本发明实施例1提供的垂直型深紫外发光二极管100的制备方法大致相同，不同之处仅在于：分别对外延结构材料表面进行粗化处理以及对光学调节层110进行粗化处理。

具体地，当将倾斜台阶状结构20的倾斜面设计为粗化表面或者将凹槽1082的底面以及凹槽1082的侧面中的至少一面设计为粗化表面时，利用ICP进行干法刻蚀得到粗化界面；当将第一子层以及第二子层中的至少一层中远离P型接触层104的一侧表面设计为粗化表面时，利用ICP进行干法刻蚀得到粗化界面。

需要说明的是，本公开的垂直型深紫外发光二极管100的制备方法中的实验条件可以根据实际情况进行适应性调整，不局限于本实施例中列举的参数。

综上，区别于现有技术的情况，本发明首先通过在垂直型深紫外发光二极管100中电子注入层108的内部设计多个凹槽1082，且每一凹槽1082至少贯穿部分电子注入层108，有利于量子阱有源层107发射至电子注入层108方向的紫外光沿凹槽1082侧面发生漫反射，从而提升了垂直型深紫外发光二极管100的光提取效率；同时本发明还通过在外延结构表面设置光学调节层110，且光学调节层110的折射率介于空气的折射率与AlGaN材料的折射率之间，以使光学调节层110的折射率介于外延结构表面与空气之间，从而降低了AlGaN材料与空气界面的折射率差，进而降低了垂直型深紫外发光二极管100发射的光线在外延结构表面与空气界面传播时产生的全反射效应，进一步提高了垂直型深紫外发光二极管100的光提取效率。

需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。

以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。