阅读说明：本技术 一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法 (Ultraviolet light-emitting diode chip for improving light extraction efficiency and manufacturing method thereof ) 是由 武良文 于 2018-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法,其中紫外发光二极管芯片包括n型半导体层、锥形坑准备层、有源层、p型半导体层、p型电极、反射层、键合层、n型电极、基板；其中：锥形坑准备层位于n型半导体层之上,有源层位于锥形坑准备层之上,p型半导体层位于有源层之上,n型半导体层上形成有n型电极层。本发明的优点在于：通过在有源层中形成六方多面结构的锥形坑,改变有源层中TM模偏振光的出光方向,使TM模偏振光不需在接近有源层附近进行长路径传播；同时调节有源层中锥形坑的开口大小和密度使有源层连接锥形坑的平台区的投影面积控制在有源区总投影面的30%以内,提高紫外发光二极管的光提取效率。(The invention provides an ultraviolet light-emitting diode chip for improving light extraction efficiency and a manufacturing method thereof, wherein the ultraviolet light-emitting diode chip comprises an n-type semiconductor layer, a conical pit preparation layer, an active layer, a p-type semiconductor layer, a p-type electrode, a reflecting layer, a bonding layer, an n-type electrode and a substrate; wherein: the conical pit preparation layer is positioned on the n-type semiconductor layer, the active layer is positioned on the conical pit preparation layer, the p-type semiconductor layer is positioned on the active layer, and the n-type semiconductor layer is provided with an n-type electrode layer. The invention has the advantages that: the light-emitting direction of TM mode polarized light in the active layer is changed by forming the conical pits with the hexagonal multi-face structure in the active layer, so that the TM mode polarized light does not need to be transmitted in a long path near the active layer; meanwhile, the size and the density of the opening of the conical pit in the active layer are adjusted, so that the projection area of the platform area of the active layer connected with the conical pit is controlled within 30% of the total projection surface of the active area, and the light extraction efficiency of the ultraviolet light-emitting diode is improved.)

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管生产技术领域，尤其涉及一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法。

背景技术

基于三族氮化物（III-nitride）宽禁带半导体材料的紫外发光二极管（Ultraviolet Light-Emitting Diode,UV LED）在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景。相比于传统紫外光源汞灯, 紫外光发光二极管有着无汞环保、小巧便携、低功耗、低电压等许多优势，近年来受到越来越多的关注和重视。

AlGaN材料是制备紫外发光二极管的核心材料。Al_xGa_1-xN材料是宽禁带直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物AlGaN中的Al组分，可以实现AlGaN能隙在3.4～6.2eV之间连续变化，从而获得波长范围从210nm到365nm的紫外光。然而，现有技术制备的紫外发光二极管，尤其是深紫外发光二极管的发光效率普遍比较低，限制了紫外发光二极管的广泛应用。

造成紫外发光二极管发光效率偏低的主要原因为其光提取效率比较低。限制紫外发光二极管光提取效率的因素主要表现在以下两个方面：第一，p型GaN对紫外光的强吸收，造成紫外发光二极管的正面发出的光被大量吸收，因此紫外发光二极管一般采用倒装结构或垂直结构；第二，紫外光的偏振特性，即紫外光随着Al组分的增加和波长的减小，有源层的发光由TE模偏振光向TM模偏振光转换,其中TE模和TM模偏振光的传播方向分别垂直和水平于有源层的生长平面。对于现行有源层和p型半导体层平行于外延成长衬底的发光二极管外延结构，TE模偏振光的传播方向垂直于发光二极管的正面,光容易穿透厚度不厚的n型半导体层(约3um)或p型半导体层(约0.1um),容易从发光二极管中被提取出，而TM模偏振光的传播方向水平于发光二极管的正面,光在接近有源层附近进行长路径 (发光二极管尺寸约1000*1000um, 传播方向水平的光一般需行进几百um才能到达发光二极管侧表面，如图1所示)的传播容易被有源层所吸收,造成光不易从发光二极管中被提取出。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法，解决了现有技术中紫外发光二极管发光效率普遍较低的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其结构包括n型半导体层、锥形坑准备层、有源层、p型半导体层、p型电极、反射层、键合层、n型电极、基板；其中：锥形坑准备层位于n型半导体层之上，有源层位于锥形坑准备层之上，p型半导体层位于有源层之上，n型半导体层上形成有n型电极层，p型半导体层上形成有p型电极层，p型电极层和基板之间依序形成有反射层和键合层，所述有源层中形成六方多面结构的锥形坑，且连接所述锥形坑的平台区的投影面积与整个有源层的投影面积的比值小于30%。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述p型半导体层在远离有源层一侧的表面为具有六方多面结构的锥形坑。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述p型半导体层在远离有源层一侧的表面为平面。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述n型半导体层为n型Al_xGa_1-xN（1≥x≥0.2），生长在外延衬底上，所述外延衬底材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化铝或氮化镓。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述锥形坑准备层为n型Al_xGa_1-xN（1≥x≥0.1）。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述p型半导体层包括p型Al_xGa_1-xN（1≥x≥0.1）电子阻挡层和p型GaN接触层。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述有源层为In_xAl_yGa_1-x-yN（0.2≥x≥0，0.8≥y≥0）量子阱层与Al_xGa_1-xN（1≥x≥0.1）量子垒层交替生长的层叠结构。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述基板为Si、陶瓷、合金基板或印刷电路板PCB。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，其中：所述紫外发光二极管芯片的有源层的发光主波长小于365nm。

本发明提出了一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，包括工艺步骤如下：1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在外延衬底上依次沉积n型半导体层、锥形坑准备层、有源层、p型半导体层；

后续步骤与紫外发光二极管芯片结构相关，对于垂直结构的紫外发光二极管，后续步骤如下：1）在p型半导体层的表面依次沉积p型电极、反射层和键合层，通过金属键合工艺将上述紫外发光二极管的p型电极翻转粘合到基板上；2）将上述外延衬底剥离使n型半导体层裸露，并在裸露的n型半导体层上沉积n型电极，得到紫外发光二极管芯片。

对于倒装结构的紫外发光二极管芯片，后续步骤如下：1）在外延层上刻蚀出台阶到n型半导体层并在裸露的n型半导体层上沉积n型电极；2)在p型半导体层的表面依次沉积p型电极、反射层和键合层；3）通过金属键合工艺将上述紫外发光二极管的n型电极和p型电极翻转粘合到基板上，得到倒装结构的紫外发光二极管芯片。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述n型半导体层为Si掺杂的Al_xGa_1-xN，该层Al组分为x，其中1≥x≥0.2，Si掺杂浓度为1E18～5E20 cm^-3，厚度为1～10μm。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述锥形坑准备层为Si掺杂的Al_xGa_1-xN，该层Al组分为x，其中1≥x≥0.1，Si掺杂浓度为5E17～1E20 cm^-3，厚度为0.1～5μm，通过调节该层的生长温度和厚度来调节锥形坑的密度和开口大小。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述有源区为In_xAl_yGa_1-x-yN量子阱层与Al_zGa_1-zN量子垒层交替生长的层叠结构，该层量子阱层和量子垒层的生长周期数为n，其中2<n<15；量子阱层的厚度为0.5～5nm，量子垒层的厚度为2～20nm。量子阱层中In和Al的组分分别为x和y，量子垒层中Al的组分为z，其中0.2≥x≥0，0.8≥y≥0,1≥z≥0.1，y<z。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述p型半导体层包含p型Al_xGa_1-xN电子阻挡层和p型GaN接触层，所述电子阻挡层Al组分为x，其中1≥x≥0.1，所述阻挡层的厚度为10~200nm，Mg掺杂浓度为1E18cm^-3~5E20cm^-3，所述p型接触层的厚度为10~200nm，Mg掺杂浓度为1E19cm^-3~5E21cm^-3。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述反射层为Al、Ag、Ni、Ti、Cr其中之一种或多种所组成。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述键合层为Au、Ag、Al、Bi、Cu、Zn、In、Sn和Ni其中之一种或多种所组成。

一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片制作方法，其中：所述基板为Si、陶瓷、合金基板或印刷电路板（PCB）。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片及其制作方法，具备以下有益效果：通过在有源层中形成六方多面的锥形坑，改变有源层中TM模偏振光的出光方向，使TM模偏振光不需在接近有源层附近进行长路径传播，同时调节有源层中锥形坑的开口大小和密度使有源层连接锥形坑的平台区的投影面积控制在有源区总投影面的30%以内，进而提高紫外发光二极管的光提取效率。

附图说明

图1 为传统外延结构和本发明的外延结构中光传播示意图。

图2 为本发明中紫外发光二极管外延结构剖面示意图。

图3 为本发明实施例1中紫外发光二极管剖面示意图。

图4 为本发明实施例2中紫外发光二极管剖面示意图。

图5 为本发明实施例3中紫外发光二极管剖面示意图。

附图标记：衬底1、n型半导体层2、锥形坑准备层3、有源层4、p型半导体层5、p型电极6、反射层7、键合层8、n型电极9、基板10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1、如图2、3所示，本实施例为垂直结构的一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，包括n型半导体层2、锥形坑准备层3、有源层4、p型半导体层5、p型电极6、反射层7、键合层8、n型电极9、基板10；其中：锥形坑准备层3位于n型半导体层2之上，有源层4位于锥形坑准备层3之上，p型半导体层5位于有源层4之上，n型半导体层2上形成有n型电极层9，p型半导体层5上形成有p型电极层6，p型电极层6和基板10之间依序形成有反射层7和键合层8，所述有源层4与所述p型半导体层5中形成六方多面结构的锥形坑，且连接所述锥形坑的平台区的投影面积与整个有源层4的投影面积的比值小于30%。

其中：所述n型半导体层2为n型AlGaN，生长在外延衬底1上，所述外延衬底1材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化铝或氮化镓。

其中：所述p型半导体层5包括p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN接触层。

其中：所述有源层4为InAlGaN量子阱层与AlGaN量子垒层交替生长的层叠结构。

其中：所述p型半导体层5表面凸凹不平，通过金属键合的方式转移到所述基板10上。

其中：所述基板10为Si、陶瓷、合金基板或印刷电路板PCB。

本实施例中，垂直结构的一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在外延衬底1上依次沉积n型半导体层2、锥形坑准备层3、有源层4、p型半导体层5。

在本实施例中，外延衬底1选用蓝宝石衬底；具体外延层生长步骤如下：

1）采用MOCVD在蓝宝石衬底上生长n型半导体层2，所述n型半导体层包括缓冲层、应力释放层和n型掺杂层。具体地，控制MOCVD反应腔温度为600℃，反应腔压力为100 torr，生长厚度为30nm的AlN缓冲层，然后再控制反应腔温度为1100℃，反应腔压力为100 torr，生长厚度为2.5μm的应力释放层Al_0.55Ga_0.45N；然后保持反应腔压力不变，控制反应腔温度为1300℃，生长厚度为2μm的Si掺杂的Al_0.55Ga_0.45N，其中Si掺杂浓度为1E20cm^-3。

2）在n型半导体层上生长锥形坑准备层3。具体地，控制反应腔温度为825℃，在通入20%H₂的氛围下，以0.45μm/h的生长速率生长厚度为0.75μm厚的Si掺杂的Al_0.55Ga_0.45N作为锥形坑准备层3，其中Si掺杂浓度为1E18 cm^-3。在此生长过程中，Al_0.55Ga_0.45N层会在位错处形成一种六方多面结构的锥形坑，准备层3不同的生长温度和H₂比例，造成锥形坑的密度不同，同时随着准备层3厚度的增加，该锥形坑开口尺寸变大，通过调节准备层3的生长温度、H₂的比例以及准备层3的厚度来调节后续量子阱中锥形坑的密度和开口，进而控制连接锥形坑的平台面积占比。本实施例中，连接锥形坑的平台面积占整个有源区投影面积的10%。

3）在锥形坑准备层3上生长有源区4形成具有六方多面结构的锥形坑形状的有源区，所述有源区4包括交替生长的5个周期的In_0.03Al_0.45Ga_0.52N的量子阱层和Al_0.5Ga_0.5N的量子垒层。有源区生长温度度为1100℃，量子阱层In_0.03Al_0.45Ga_0.52N的厚度为2nm，量子垒层Al_0.5Ga_0.5N的厚度为5nm。

4）在有源区4上生长p型半导体层5，使p型半导体层5覆盖在所述有源区4上形成具有和有源区外观形状相似的p型半导体层5。所述p型半导体层5包括Mg掺杂的Al_0.6Ga_0.4N的电子阻挡层和Mg掺杂的GaN接触层。具体地，控制反应腔温度为1150℃，反应腔压力为100torr，生长厚度为35nm的Mg掺杂的Al_0.6Ga_0.4N的电子阻挡层，其中Mg掺杂浓度为1E19cm^-3，然后控制反应腔温度960℃，保持反应腔压力不变，生长厚度为20nm的Mg掺杂的GaN接触层，其中Mg掺杂浓度为1E20 cm^-3。

步骤二，通过蒸镀或溅射工艺在p型半导体层5的表面依次沉积p型电极6、反射层7和键合层8，通过金属键合工艺将上述紫外发光二极管翻转粘合到基板10上，本实施例中p型电极6为Ni/Au，反射层7为Al，键合层8为AuSn，基板10选用Si基板；

步骤三，采用准分子激光器从蓝宝石衬底1一侧照射，将蓝宝石衬底1剥离，然后在裸露的n型半导体层2上沉积n型电极9，得到如图3所示的紫外发光二极管芯片，本实施例中准分子激光器的波长选用193nm，n型电极9为Ni/Au。

实施例2、如图2、4所示，本实施例为倒装结构的一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，包括n型半导体层2、锥形坑准备层3、有源层4、p型半导体层5、p型电极6、反射层7、键合层8、n型电极9、基板10；其中：锥形坑准备层3位于n型半导体层2之上，有源层4位于锥形坑准备层3之上，p型半导体层5位于有源层4之上，n型半导体层2上形成有n型电极层9，p型半导体层5上形成有p型电极层6，p型电极层6和基板10之间依序形成有反射层7和键合层8，所述有源层4与所述p型半导体层5中形成六方多面结构的锥形坑，且连接所述锥形坑的平台区的投影面积与整个有源层4的投影面积的比值小于30%。

本实施例中，倒装结构的一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一，与实施例1相同，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在衬底1上生长如图2所示的外延层；

步骤二，通过黄光光罩和干法刻蚀工艺从p型半导体5一侧向n型半导体2一侧刻蚀，使n型半导体2部分裸露，并在裸露的n型半导体2上沉积n型电极9；

步骤三，在p型半导体5的表面依次沉积p型电极6和反射层7，然后在反射层7和n型电极9上沉积键合层8，通过金属键合工艺将上述紫外发光二极管翻转粘合到基板10上，得到如图4所示的紫外发光二极管芯片。

实施例3、如图2、5所示，本实施例为垂直结构的一种提高光提取效率的紫外发光二极管芯片，和实施例1不同的是p型半导体5在远离有源层一侧的表面为平面, 即调节p型半导体层的生长条件和厚度，使p型半导体层填平有源区中的六方多面结构的锥形体，使外延层表面平整，其它步骤相同。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。