提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法及应用。所述方法包括：在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层，所述方法还包括：采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的

The method and application of improving the efficiency of UV light-emitting diode with nitride semiconductor

【技术实现步骤摘要】
提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法及应用
本专利技术涉及一种氮化物半导体紫外发光二极管，特别涉及一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法及应用，属于半导体光电

技术介绍
紫外波段通常可根据波长划分为长波紫外或UVA(320<λ≤400nm)、中波紫外或UVB(280<λ≤320nm)、短波紫外或UVC(200<λ≤280nm)以及真空紫外VUV(10<λ≤200nm)。基于氮化物(AlN、AlGaN、AlInGaN、AlInN等)材料的紫外发光二极管器件的发光波长可覆盖200～400nm的紫外波段，具有很高的光电转换效率，是制备紫外发光二极管器件的理想材料。与传统紫外汞灯相比，氮化物半导体紫外发光二极管具有寿命长、电压低、波长可调、环保、方向性好、抗震耐潮、轻便灵活等众多优点，在白光照明、聚合物固化、杀菌消毒、净化环境、医疗诊断、生化探测、保密通讯等领域具有重要应用前景和市场价值。随着第三代半导体技术的发展，氮化物半导体紫外发光二极管将逐步取代传统紫外光源，成为未来新型应用的主流。然而，现阶段氮化物半导体紫外发光二极管的外量子效率不足10％，其主要原因之一是TM模偏振光效应导致深紫外发光二极管器件的取光效率下降。对于(In)GaN半导体材料，其所发出的光主要为TE偏振模式，光可以从发光二极管芯片的表面出射。而对于Al(In)GaN材料，随着Al组分的增加和波长的减小，材料的价带结构发生变化，紫外发光从TE偏振模式主导逐渐向TM偏振模式主导转化。这种效应将会阻止光子从发光二极管的表面出射，只能从发光二极管器件的侧面出射。对于深紫外发光二极管器件，这一问题尤为严重。氮化物深紫外发光二极管器件具有更高的Al组分，其有源区中TE偏振的光比例较少而TM偏振的光比例较多，大部分光会沿平面传播而无法由芯片表面出射。因此，改善侧壁取光效率对深紫外发光二极管器件尤为重要。此外，在传统的紫外发光二极管芯片制备时，干法刻蚀工艺会造成紫外发光二极管芯片的侧壁产生无规则的刻蚀损伤，使侧壁非常粗糙。这种无规则的粗糙侧壁虽然可以增加侧壁对紫外光的漫反射作用、增大有源区内TM模式紫外光的提取效率，但同样包含大量的刻蚀损伤和表面缺陷态，从而造成严重的光子吸收和载流子非辐射复合。这不仅大大降低了紫外发光二极管器件的取光效率，更会导致较差的器件稳定性和散热问题。综上，可以看出，TM模的偏振光效应和侧壁刻蚀损伤是导致紫外尤其深紫外发光二极管器件取光效率极低的重要原因。因此，如何克服TM模的偏振光效应和去除刻蚀损伤来提高紫外发光二极管器件的取光效率，成为亟待解决的问题。对于现有的提高倒装结构紫外发光二极管器件取光效率的方案，专利CN102655194A采用将衬底背面粗化的方式。首先，需要将紫外LED外延片的蓝宝石衬底减薄、抛光，该过程可能会对紫外LED外延层造成损伤。其次，在蓝宝石衬底背面沉积一层氮化物，然后利用干法或湿法刻蚀将氮化物层表面粗化。然而，这种表面粗化方式只能提高从芯片上、下表面出射的TE模式紫外光，而对TM模式紫外光提取没有帮助。随着Al组分的增加和波长的减小，TE模式偏振光的比例会大幅下降。其次，通常芯片隔离时采用的刻蚀工艺会对紫外发光二极管器件侧壁造成损伤，这种损伤会引入大量的表面非辐射复合缺陷，不仅降低了紫外发光二极管器件的量子效率还会引起严重的光子吸收。因此这种方案很难改善深紫外发光二极管器件的取光效率。又例如，专利CN107623058A是在具有腐蚀缺陷结构的薄膜表面二次外延生长紫外LED薄膜。利用湿法腐蚀处理衬底上的氮化铝薄膜，形成内六角缺陷结构。然后在这种缺陷结构上二次外延生长紫外LED，利用这种六角缺陷结构来实现界面粗化、提高深紫外LED器件的取光效率。然而，这种方法面临二次外延界面杂质非故意并入的问题，对器件的电学性能可能造成影响。更重要的是，这种方法也只对TE模式紫外光的提取有效，对有源区平面内传播的TM模式偏振光并无帮助，因此很难改善深紫外发光二极管器件的取光效率。对于现有的提高垂直结构紫外发光二极管器件取光效率的方案，专利CN105720144A采用表面粗化方法。将用于生长AlGaN外延层的衬底剥离之后，利用湿法腐蚀对剥离后的外延层进行表面粗化以增加界面漫反射。表面粗化可以一定程度上提高垂直芯片外延方向上TE模式紫外光的提取，而对TM模式紫外光提取没有帮助，因此这种方案很难改善深紫外发光二极管器件的取光效率。又例如，专利CN105957934A是采用谐振腔结构，在有源区上、下方生长n型氮化物DBR(分布式布拉格反射镜)做谐振腔，来增强TE模式偏振光，提高紫外LED的取光效率。并通过引入氮化物极化诱导隧穿结实现p-n结倒置结构，进而实现垂直结构紫外LED器件。然而，DBR的引入会导致器件串联电阻增加、热阻增大，使器件工作电压上升、可靠性下降。更重要的是，DBR结构依然只对提高TE模式偏振光有效，也无法改善TM模式偏振光深紫外光的取光效率。可以发现，上述现有的提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法存在一些共有的缺点：1)均不能改善从侧壁对TM模式紫外光的提取效率；2)均没有对芯片的侧壁刻蚀损伤进行修复，未能降低侧壁表面的光吸收与非辐射复合；3)生长/工艺复杂度提高，器件稳定性差，实用性较差。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法及应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法，包括：在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层，所述的方法还包括：采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向；以及，采用湿法腐蚀技术修复刻蚀损伤，使氮化物半导体紫外发光二极管结构的无规则粗糙侧壁转化为m面组成的锯齿形侧壁。进一步地，其中光刻图形沿晶向暴露出a面的效果最优。在一些优选实施例中，所述的方法具体包括：在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层；采用衍射技术确定所述外延片的晶体取向以及晶向；在所述第二接触层上设置第二电极层，且使所述第二电极层与第二接触层形成欧姆接触；在所述第二电极层上设置光刻胶，并采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向；采用刻蚀技术刻蚀到所述第一接触层，使所述第一接触层的至少局部区域暴露出，初步形成无规则的粗糙侧壁；在所述第一接触层上设置第一电极层，并使所述第一电极层与第一接触层形成欧姆接触；将所获外延片与腐蚀液接触，修复刻蚀损伤并实现侧壁粗化，使氮化物半导体紫外发光二极管结构的无规则粗糙侧壁转化为锯齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法，包括：在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层，其特征在于，所述的方法还包括：/n采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的

【技术特征摘要】
1.一种提高氮化物半导体紫外发光二极管取光效率的方法，包括：在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层，其特征在于，所述的方法还包括：
采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向；
以及，采用湿法腐蚀技术修复刻蚀损伤，使氮化物半导体紫外发光二极管结构的无规则粗糙侧壁转化为m面组成的锯齿形侧壁。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：使光刻图形沿晶向暴露出a面


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向为晶向族，包括对称等效的和晶向。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向为晶向族，包括对称等效的和晶向。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮化物半导体紫外发光二极管结构的a面为晶面族，包括对称等效的和晶面。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮化物半导体紫外发光二极管结构的m面为晶面族，包括对称等效的和晶面。


7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体包括：
在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层；
采用衍射技术确定所述外延片的晶体取向以及晶向；
在所述第二接触层上设置第二电极层，且使所述第二电极层与第二接触层形成欧姆接触；
在所述第二电极层上设置光刻胶，并采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向；
采用刻蚀技术刻蚀到所述第一接触层，使所述第一接触层的至少局部区域暴露出，初步形成无规则的粗糙侧壁；
在所述第一接触层上设置第一电极层，并使所述第一电极层与第一接触层形成欧姆接触；
将所获外延片与腐蚀液接触，修复刻蚀损伤并实现侧壁粗化，使氮化物半导体紫外发光二极管结构的无规则粗糙侧壁转化为锯齿形m面侧壁。


8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
在衬底上生长氮化物半导体紫外发光二极管结构，获得外延片，所述氮化物半导体紫外发光二极管结构包括依次形成的第一接触层、有源区、电子阻挡层和第二接触层；
采用衍射技术确定所述外延片的晶体取向以及晶向；
在所述第二接触层上设置第二电极层，且使所述第二电极层与第二接触层形成欧姆接触；
将所述第二电极层与支撑基板的第一表面键合；
将所述氮化物半导体紫外发光二极管结构与所述衬底剥离，暴露出所述第一接触层；
在所述氮化物半导体紫外发光二极管结构的出光面上制作光学微纳结构，所述光学微纳结构用于增强出光；
在所述第一接触层上设置第一电极层，并使所述第一电极层与第一接触层形成欧姆接触；
在所述第一电极层上设置光刻胶，并采用旋转错位法，使光刻图形的任意一条边均避开氮化物半导体紫外发光二极管结构的晶向；
采用刻蚀技术刻蚀到所述第二电极层，初步形成无规则的粗糙侧壁；
将所获外延片与腐蚀液接触，修复刻蚀损伤并实现侧壁粗化，使氮化物半导体紫外发光二极管结构的无规则粗糙侧壁转化为锯齿形m面侧壁。


9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
光刻后，减薄支撑基板，并在支撑基板的第二表面沉积金属电极，所述第二表面与第一表面相背对。


10.根据权利要求1或7或8所述的方法，其特征在于：在所述旋转错位法中，光刻图形相对外延片的晶向旋转的角度α为光刻图形不沿晶向的任意角度，优选为1～60°。


11.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述腐蚀液包括碱性溶液或酸性溶液；优选的，所述碱性溶液包括KOH...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，刘建勋，冯美鑫，何俊蕾，黄应南，孙秀建，詹晓宁，吴迅飞，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32