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AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件及制作方法技术

技术编号:6560973 阅读:227 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术公开了一种AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件及制作方法,它涉及 到微电子技术领域,主要解决出射光效率低的问题。该器件自下而上依次包括低 温AlN成核层、高温AlN成核层、本征AlGaN外延层、n-AlGaN势垒层、有源 区、p-AlGaN势垒层、低Al组分p型AlGaN层、p型GaN冒层,以及在p型 GaN冒层设有的窗口区。该器件通过干法刻蚀p-GaN冒层至低Al组分的 p-AlGaN,形成了圆柱状的出射光窗口,其后对其进行光辅助湿法刻蚀,将柱状 出射光窗口变为类半球状窗口,增大了窗口的出射孔径,提高了出射光的功率和 效率,特别适合用于大功率紫外LED的制作。本发明专利技术工艺简单,重复性好,可 靠性高,可用于水处理,医疗、生物医学场合以及白光照明中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
,涉及半导体器件,特别是一种新型AlGaN基多量 子阱的uv-LED器件的实现方法,可用于水处理、医疗与生物医学以及白光照明领域。技术背景 'III-V族化合物半导体材料作为第三代半导体材料的杰出代表,具有很多优良的 特性,尤其是在光学应用方面,由Ga、 Al、 In、 N组成的合金(Ga(Al,In)N)可以覆盖 整个可见光区和近紫外光区。而且纤锌矿结构的III族氮化物都是直接带隙,非常适 合于光电子器件的应用。特别是在紫外光区,AlGaN基多量子阱的uv-LED已显示出 巨大的优势,成为目前紫外光电器件研制的热点之一。然而,随着LED发光波长的 变短,GaN基LED有源层中Al组分越来越高,高质量AlGaN材料的制备具有很大 难度,AlGaN材料造成uv-LED的外量子效率和光功率都很低,成为了uv-LED发展 的瓶颈,是当前急需解决的问题。AlGaN基多量子阱uv-LED器件具有广阔的应用前景。首先,GaN基蓝绿光LED 取得了突破性的进展,目前高亮度蓝绿光LED已经商业化,在景观照明、大屏幕背 光源、光通讯等领域都显示了强大的潜力。其次,白光LED固态照明更是如火如荼, 引发了第三次照明革命。再次,随着可见光领域的日趋成熟,研究人员把研究重点逐 渐向短波长的紫外光转移,紫外光在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、白光照明以 及军事探测等领域都有重大应用价值。目前,在国内和国际上,主要是采用一些新的材料生长方法,或者是采用新的结 构来减少应力对AlGaN材料质量的破坏,来提高AlGaN材料的生长质量,从而提高 了 uv-LED的发光性能,这些方法包括2002年,第一个低于300nm的uv-LED在美国南卡罗莱纳州立大学实现,他们 在蓝宝石衬底上制出了波长285nm的LED, 200|ix200n芯片在400mA脉冲电流下功 率为0.15mW,改进p型和n型接触电阻后,最大功率达到0.25mW。参见文献V. Adivarahan, J. P. Zhang, A. Chitnis, et al, sub-Milliwatt Power III-N Light Emitting Diodes at 285nm, Jpn J Appl Phy, 2002, 41: L435。随后,他们又取得了一系列突破性 进展,依次实现了 280nm、 269nm、 265nm的发光波长,LED最大功率超过lmW。参见文献W H Sun, J P Zhang, V Adivarahan, et al. AlGaN-based 280證light-emitting diodes with continuous wave powers in excess of 1.5mW,, Appl Phys Lett, 2004, 85(4》531; V Adivarahan, S Wu, J P Zhang, et al. High-efficiency 269nm emission deep ultraviolet light-emitting diodes Appl Phys Lett, 2004,84(23):4762; Y Bilenko, A Lunev, X Hu, et al. 10 Milliwatt Pulse Operation of 265nm AlGaN Light Emitting Diodes Jpn J Appl Phys, 2005, 44:L98.为了改善电流传输,降低热效应,他们对lOOjamxlOO^un的小 面积芯片,按照2x2阵列模式连接,并采用flip-chip结构,280nm波长的功率可达到 24mW,最大外量子效率0.35% 。参见文献W H Sun, J P Zhang, V Adivarahan, et al. AlGaN-based 280nm light-emitting diodes with continuous wave powers in excess of L5mW Appl Phys Lett, 2004, 85(4):531。 2004年,又做出了 250nm的LED, 200)ax20(Hi的芯片最大功率接近0.6mW,但外量子效率仅有0.01%。参见文献V Adivarahan, W H Sun, A Chitnis, et al. 250nm AlGaN light-emitting diodes Appl Phys Lett, 2004,85(12):2175,2004年,美国西北大学、堪萨斯大学也在深紫外特别是280-290nm波段取得了 较大进展。Fischer A J, Allerman A A, et al. Room-temperature direct current operation of 290nm Light-emitting diodes with milliwatt power level [J]. Appl Phys Lett, 2004,84(17):3394.采用插丝状接触来改善芯片内部的电流扩展,倒装焊结构提高LED 的散热能力,制出了 lmmximm大功率紫外LED,发光波长290nm, 300mA直流下 的发光功率达1.34mW,外量子效率0.11%。 Kim K H, Fan Z Y, Khizar M, et al. AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes grown on A1N epilayers [J]. Appl Phys Lett, 2004,85(20):4777.将传统的方形芯片改为圆盘状,降低了开启电压,使功率大幅度提 高,210nm直径的芯片,功率超过了 lmW。同年,美国南卡罗莱纳州立大学又研制出250和255nrn的深紫外uv-LED,底 部缓冲层采用AlGaN/AlN超晶格结构,生长出高质量的AlGaN势垒层,制出了 200x20(Hmi的深紫外LED,在300mA和1000mA的脉冲电流下,其发光功率分别达 到0.16mW和0.57mW,但是由于采用底部出光的方式,其发光效率还是比较低。参 见文献V Adivarahan, W H Sun, A Chitnis, M Shatalov, S Wu, H P Maruska, M Asif Khan. 250nm AlGaN light-emitting diodes Appl Phys Lett, 2004, 85(12): 2175.2007年,日本埼玉大学在231-261nm波段的深紫外LED的研究取得了进一步的 进展,由于采用脉冲生长A1N缓冲层,进一步减少了 A1N层的位错缺陷密度,从而生长出高Al组分的AlGaN层,使得261nm的深紫外LED的光功率以及外量子效率 分布达到1.65mW禾n 0.23%。参见文献Hirayama Hideki, Yatabe Tohru, Noguchi Norimichi, Ohashi Tomoaki, Kamata Norihiko. 231-261nm AlGaN deep-ultraviolet本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件,包括AlN成核层、本征AlGaN外延层、n型AlGaN势垒层、有源区、p型AlGaN势垒层、低Al组分p型AlGaN层和p型GaN冒层,其特征在于p型GaN冒层的中心刻蚀有类似于半球状窗口区(W),用于控制光从顶部p型GaN冒层发出,提高出射光强。

【技术特征摘要】
1.一种AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件,包括AlN成核层、本征AlGaN外延层、n型AlGaN势垒层、有源区、p型AlGaN势垒层、低Al组分p型AlGaN层和p型GaN冒层,其特征在于p型GaN冒层的中心刻蚀有类似于半球状窗口区(W),用于控制光从顶部p型GaN冒层发出,提高出射光强。2. 根据权利要求1所述的AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件,其特征在于 A1N成核层分为两层,第一层是55(TC-650'C的低温成核层,第二层是920°C-1050r:的高温成核层。3. 根据权利要求1所述的AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件,其特征在于窗 口区(W)的底部位于p型AlGaN势垒层厚度的五分之四处。4. 根据权利要求1所述的AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件,其特征在于窗 口区(W)顶部宽度与底部宽度的比例为2: 1。5. —种AlGaN基SiC衬底的紫外LED器件的制作方法,包括A. 材料生长步骤在SiC基片上,利用MOCVD工艺,按照自下而上的顺序 生长低温A1N成核层、高温A1N成核层、AIGaN外延层、n-AlGaN势垒层、有源 区、40%-60%的高Al组分p型AlGaN势垒层、10%-25%的低Al组分p型AlGaN 层和p型GaN层;B. 窗口区(W)制作步骤(Bl)先光刻出位于p型GaN冒层的圆形窗口,再采用氯基ICP工艺刻蚀窗口 区至低Al组分的p型AlGaN层,形成圆柱体的出光窗口,其刻蚀工艺参数分别为 180W-600W的上电极功率,0-150V的偏压,l-3Pa的压力、100-230s的刻蚀时间;(B2)在n-SiC衬底的背面和p型GaN冒层上光刻出湿法刻蚀的掩膜图形,采 用电子束蒸发工艺,在掩膜图形区蒸发湿法掩膜金属层Ti,之后将其放入到70'C的 KOH溶液中3min,进行湿法刻蚀前的预处理;(B3)采用KOH电解液对预处理后的样片进行光辅助湿法刻蚀,形成类似于半 球体的出光窗口,其湿法刻蚀工艺参数分别为325nm的He-Cd激光照射...

【专利技术属性】
技术研发人员:郝跃杨凌马晓华周小伟李培咸
申请(专利权)人:郝跃杨凌马晓华周小伟李培咸
类型:发明
国别省市:87

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