蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，所述蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；所述第一表面上设置有外延层，所述第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。所述蛾眼结构深紫外发光二极管使光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能，且解决了制备过程中存在损伤的问题。

【技术实现步骤摘要】
蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法
本专利技术涉及半导体领域，特别是一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法。
技术介绍
随着第三代半导体迅速发展，AlGaN深紫外发光二极管(DUV-LED)在空气净化、水净化、杀菌消毒、紫外光疗、生化检测、保密通信等领域具有广泛应用前景而受到持续关注，但是由于其低的光提取效率而无法满足市场应用的需求。深紫外发光二极管目前主流是沿着c面外延生长，其主体结构自下而上依次包括：c面蓝宝石衬底，AlN缓冲层，n型高Al组分AlGaN层，量子阱区，电子阻挡层和p型GaN层。从量子阱有源区发出的光会经过蓝宝石表面辐射区、非逃逸区、蓝宝石侧面辐射区、波导区、p-GaN吸收区。在光的传递过程中，有源区发出的50％深紫外光会被p-GaN全部吸收，另外50％的紫外光中，由于多层界面的反射和全反射，被AlN/蓝宝石界面、蓝宝石/空气界面和蓝宝石侧面/空气界面全反射回LED内部的光线几乎全被n型金属电极和p型GaN层吸收，严重限制了DUV-LED光提取效率的提升，导致目前光提取效率小于8％。关于外延生长的材料改进方面，目前使用p型AlGaN来替代p型GaN，能通过改变材料组分一定程度上降低p型GaN材料对深紫外光的吸收。关于外延生长的工艺改进方面，目前通过纳米图形化衬底、侧面隐形切割、光子晶体等能通过改变工艺制备手段一定程度上降低AlN/蓝宝石界面和蓝宝石侧面/空气界面的全反射。而关于DUV-LED在结构设计方面，目前缺少有效的结构设计来减弱蓝宝石/空气界面的全反射以提高其光提取效率，目前报道在蓝宝石背面制备蛾眼结构的设计方案仅将光提取效率增加1.5倍，且工艺制备过程中会对蓝宝石正面芯片结构造成一定程度的损伤，急需提出一个更好的方案来进一步提升光提取效率并解决制备过程中的损伤问题。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是，提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，来解决现有技术中深紫外发光二极管光提取效率较低且制备过程中存在一定程度损伤的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的第一个技术方案是：提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管，该蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；第一表面上设置有外延层，第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。为解决上述技术问题，本专利技术采用的第二个技术方案是：提供一种蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法为：采用具有第一表面和第二表面的蓝宝石衬底，于第一表面上设置外延层，并用光刻工艺于第二表面上形成有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。其中，光刻工艺包括以下步骤：衬底减薄，激光隐形切割，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备，蛾眼结构刻蚀，去除光刻胶。其中，衬底减薄的步骤包括：将蓝宝石衬底从第二表面快速减薄到200μm～300μm；对第二表面进行抛光并超声清洗，后进行恒温烘干。其中，激光隐形切割的步骤包括：对经过衬底减薄步骤后的样片，分别在距离第二表面的70μm和140μm处进行切割，并保留包含第一表面的样片。其中，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备的步骤包括：对经过激光隐形切割步骤后的样片在加热的丙酮中进行超声清洗，冲水甩干后恒温烘烤；在第二表面旋涂得到胶厚为2μm～3μm的光刻胶层后进行恒温烘烤；对光刻胶层表面使用标准步进扫描投影式曝光2s～3s，后进行显影冲洗。其中，蛾眼结构刻蚀的步骤包括：采用感应耦合等离子体干法刻蚀，对带有光刻胶的蓝宝石衬底表面进行刻蚀，刻蚀气体为BCl3和Cl2的混合氛围，且刻蚀选择比为0.8:1。其中，去除光刻胶的步骤包括：将经蛾眼结构刻蚀步骤后的样片在光刻胶剥离液中浸泡，溶解残余的光刻胶。本专利技术的有益效果是：区别于现有技术，本专利技术提供了一种蛾眼结构深紫外发光二极管及制备方法，使深紫外发光二极管的光提取效率大大增加，有效提高了深紫外发光二极管的性能，且解决了制备过程中存在损伤的问题。附图说明图1是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的结构示意图；图2是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式中蛾眼结构的垂直截面参数示意图；图3是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的表面SEM示意图；图4是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式与现有技术深紫外发光二极管的效果参数对比示意图：a为归一化输出功率对比示意图，b为光提取效率影响因子示意图；图5是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法一实施方式的光刻工艺流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，均属于本专利技术保护的范围。对于本专利技术提供的第一个解决方案，请参阅图1～图3，图1是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的结构示意图，图2是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式中蛾眼结构的垂直截面参数示意图，图3是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式的表面SEM示意图，其中图1中101为外延层，102为蓝宝石衬底，103为第一表面，104为第二表面。图1中蓝宝石衬底102具有第一表面103和第二表面104，在蓝宝石衬底102的第一表面103上设置外延层101，而蓝宝石衬底102的第二表面104上设置有蓝宝石蛾眼结构，且外延层101中包含有芯片结构。图2表征了蓝宝石蛾眼结构的垂直截面二维参数，列出了蛾眼结构在垂直截面上的多个周期，其中T为周期，h为高度，d为鼓包底宽，具体地，蓝宝石蛾眼结构的周期T为3～5μm，高度h为1～3μm，鼓包底宽d为2～3μm；优选周期T为3μm，高度h为1.75μm，鼓包底宽d为2.5μm的蓝宝石蛾眼结构样片作为效果测试样品。在具有上述图2中蓝宝石蛾眼结构的垂直截面参数的基础上，图3表征了蓝宝石蛾眼结构在第二表面104上的阵列排布方式，在其他实施例中，还可以根据实际情况选用其他的阵列排布方式，在此不作限定。由于该蓝宝石蛾眼结构的特征尺寸小于作用波长，使作用光波难以识别该微结构，蓝宝石蛾眼结构表面的折射率沿鼓包形状呈连续变化，进而可以通过折射率的急剧变化来减少材料表面不必要的反射，已达到增透减反的作用。请参阅图4，图4是本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管一实施方式与现有技术深紫外发光二极管的效果参数对比示意图，其中，a为归一化输出功率对比示意图，b为光提取效率影响因子示意图。a中曲线1为现有技术深紫外发光二极管的归一化光输出功率，曲线2为本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化光输出功率，在所有电流时刻，曲线2归一化光输出功率均高于曲线1，即本实施方式中的蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化输出功率均高于现有技术深紫外发光二极管的归一化输出功率，特别是在达到饱和正向驱动电流为90mA时本实施方式的蛾眼结构深紫外发光二极管的归一化输出功率较现有技术提高了约一倍。b中光提取效率影响因子为本专利技术中蛾眼结构深紫外发光二极管的输出功率与现有技术深紫外发光二极管的输出功率的比值，本实施方式中的蛾眼结构深本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蛾眼结构深紫外发光二极管，其特征在于，所述蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；所述第一表面上设置有外延层，所述第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。

【技术特征摘要】
1.一种蛾眼结构深紫外发光二极管，其特征在于，所述蛾眼结构深紫外发光二极管包括外延层和蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有第一表面和第二表面；所述第一表面上设置有外延层，所述第二表面上设置有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。2.一种蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，采用具有第一表面和第二表面的蓝宝石衬底，于所述第一表面上设置外延层，并用光刻工艺于所述第二表面上形成有周期性的蓝宝石蛾眼结构，且所述蓝宝石蛾眼结构的周期为3～5μm，高度为1～3μm，鼓包底宽为2～3μm。3.根据权利要求2所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述光刻工艺包括以下步骤：衬底减薄，激光隐形切割，蓝宝石蛾眼结构掩膜制备，蛾眼结构刻蚀，去除光刻胶。4.根据权利要求3所述的蛾眼结构深紫外发光二极管制备方法，其特征在于，所述衬底减薄的步骤包括：将所述蓝宝石衬底从所述第二表面快速减薄到200μm～300μm；对所述第二表面进行抛光并超声清洗，后进行恒温烘干。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爽，王帅，戴江南，陈长清，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42