一种垂直结构深紫外LED器件及其制备方法技术

本申请公开了一种垂直结构深紫外LED器件及其制备方法，涉及半导体器件技术领域，本申请的垂直结构深紫外LED器件的制备方法包括：提供复合衬底，并在复合衬底上形成发光外延片；刻蚀发光外延片形成纳米孔洞，形成光子晶体结构，在纳米孔洞内沉积第一钝化层，并沉积Al金属颗粒；采用钝化材料填充纳米孔洞；沉积P电极与Al金属反射镜，通过金属键合层与导电衬底连接，并剥离复合衬底；研磨或刻蚀直至n

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构深紫外LED器件及其制备方法


[0001]本申请涉及半导体器件
，具体而言，涉及一种垂直结构深紫外LED器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]相较于传统的深紫外光源，基于
Ⅲ‑Ⅴ
族氮化物材料体系的深紫外发光二极管(light
‑
emitting diode，LED)因具易于集成、高能量密度、稳定性好、低功耗、寿命长等优势，在光固化、杀菌消毒、光治疗、生物医药装备、紫外光通信、全光谱照明等领域表现出了潜在的应用价值，并在有些领域已经获得广泛应用。
[0003]但深紫外LED产品还面临严重的问题，相关技术还需有待改善。目前深紫外LED产品外量子效率很低，一般不超过10％，和蓝绿光LED产品相比差距较大，其原因主要有以下几点：一是，深紫外LED外延质量不够理想，缺陷密度高导致内量子效率较低；二是，AlGaN材料与空气的折射率相差较大，导致芯片内部的光逃离锥非常小，因此大部分光无法进入逃离锥，而是在内部不断被反射，最后被材料吸收转化成热；三是，采用P型掺杂的GaN(p
‑
GaN)层作为欧姆接触层，而p
‑
GaN对深紫外的光具有强烈的吸收，因此存在严重的深紫外光被吸收的现象；四是，随着量子阱中Al组份增加，深紫外LED出光以传播方向垂直于C轴的横磁模式(Transverse Magnetic，TM)极性光为主，TM极性光落在发光面的逃离锥外，难以出射到LED器件外部，且TM极性光提取效率约仅为横电模式(Transverse electrical，TE)极性光提取效率的十分之一。这些都是目前亟待解决的技术问题。因此，研究人员提出各种方法去改善光提取效率，例如表面粗化结构，网状P型接触层结构、侧壁倾斜结构等。利用光子晶体结构来提高LED器件的光提取效率是这些技术之后的又一重要方法，它主要是利用光子晶体结构的光子禁带效应和衍射作用来提高器件的光提取效率。此外，局域表面等离子共振激元(Localized surface plasmons，LSP)也是提高深紫外LED发光效率的一种有效途径。当金属颗粒与LED有源区的距离小于表面等离激元的穿透深度并且两者的能量匹配时，有源区的电子
‑
空穴对会与金属颗粒发生LSP共振耦合，进行能量转移，即相对于为电子
‑
空穴对提供了一条额外的超快的复合通道，从而提高其发光效率。与此同时，金属颗粒的存在也使得光逃逸角发生改变，从而提高LED的光提取效率。
[0004]目前，传统的深紫外LED以蓝宝石衬底为生长衬底。然而，蓝宝石为绝缘材料，绝大多数情况下，其封装模式为倒装封装模式，N电极和P电极都制备在芯片的同一侧，这样的封装模式会存在以下缺陷：一是，蓝宝石衬底的导热性较差，限制了深紫外LED器件的散热，影响其使用寿命；二是，电流在N型层中横向流动不等距，存在电流拥堵现象，导致严重的电流集边效应，从而降低LED在大电流下的效率。垂直结构LED有望克服上述提到的在蓝宝石衬底上存在的问题。由于其更直接的布局方式，垂直结构LED的串联电阻更小，从而可以降低垂直结构的开启电压并降低热阻，而热阻的减小可以在一定程度上缓解垂直结构LED的散热问题。其次，电流的垂直注入方式可以使得电流拓展更均匀，以避免局部的发热而退化器件性能。因此，相比于传统的倒装结构，垂直结构LED是一种实现LED大功率输出的有效方
法。现在，制作垂直结构，大多数的方式还是使用激光剥离去除蓝宝石衬底，但在制作过程中，由于蓝宝石的导热率差，高能量的激光在照射蓝宝石衬底的瞬间会产生热冲击，从而产生大量的缺陷，导致发光效率下降，甚至会破坏外延薄膜，摧毁器件，进一步影响了深紫外LED的发展。因此，一种崭新的思路出现了——电化学腐蚀牺牲层的方式，其优点在于：无损伤，可以选择牺牲层的位置，进而提供外延层的多样设计。
[0005]多数有关电化学腐蚀牺牲层的文献中，牺牲层采用的材料是GaN。在本申请中，我们采用另一种材料作为牺牲层——氮化钛(TiN)，TiN熔点高、硬度大、化学稳定性好、并具有较好的导电性，是一种耐高温材料，因此可作为牺牲层的合适之选。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种垂直结构深紫外LED器件及其制备方法，不仅能够进一步提高深紫外LED器件的光提取效率以及发光效率，而且还能实现大功率发射。
[0007]本申请的实施例一方面提供了一种垂直结构深紫外LED器件的制备方法，包括：提供复合衬底，并在复合衬底上形成发光外延片，发光外延片包括在依次设置的AlN层、非掺杂的AlGaN(u
‑
AlGaN)层，N型掺杂的AlGaN(n
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AlGaN)层、深紫外多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂的AlGaN(p
‑
AlGaN)层以及p
‑
GaN层；刻蚀发光外延片形成纳米孔洞，形成光子晶体结构，并在纳米孔洞内采用原子沉积的方式沉积第一钝化层，再在纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并沉积Al金属颗粒；沉积Al金属颗粒后采用钝化材料填充纳米孔洞，钝化材料包裹Al金属颗粒，Al金属颗粒、光子晶体结构与第一钝化层、钝化材料形成含有Al金属颗粒的光子晶体层；在含有Al金属颗粒的光子晶体层上沉积P电极与Al金属反射镜，之后通过金属键合层与导电衬底连接，并剥离复合衬底；远离导电衬底的一侧进行研磨或刻蚀直至n
‑
AlGaN层，之后在n
‑
AlGaN层上进行选区刻蚀形成微纳米孔洞；在未刻蚀n
‑
AlGaN的区域上沉积N电极，且N电极和P电极分别位于发光外延片的两侧。
[0008]作为一种可实施的方式，刻蚀发光外延片形成纳米孔洞，形成光子晶体结构，并在纳米孔洞内采用原子沉积的方式沉积第一钝化层，再在纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并沉积Al金属颗粒；沉积Al金属颗粒后采用钝化材料填充纳米孔洞，钝化材料包裹Al金属颗粒，Al金属颗粒、光子晶体结构与第一钝化层、钝化材料形成含有Al金属颗粒的光子晶体层包括：在p
‑
GaN的一侧采用纳米球自主装方式或者纳米压印光刻方式刻蚀形成多个纳米孔洞，形成光子晶体结构，纳米孔洞的底部延伸至电子阻挡层；在纳米孔洞的内采用原子沉积的方式沉积第一钝化层，之后在纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并在填充孔内沉积Al金属颗粒；在含有Al金属颗粒的纳米孔洞内沉积钝化材料，Al金属颗粒、光子晶体结构与第一钝化层、钝化材料形成含有Al金属颗粒的光子晶体层。
[0009]作为一种可实施的方式，纳米孔洞呈阵列式，形成光子晶体结构。
[0010]作为一种可实施的方式，提供复合衬底，并在复合衬底上形成发光外延片包括：蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上溅射剥离层，剥离层采用氮化钛材料制成；在剥离层上溅射一层AlN材料
；
将蓝宝石衬底，剥离层和AlN材料进行高温退火处理，其中，退火温度在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，包括：提供复合衬底，并在所述复合衬底上形成发光外延片，所述发光外延片包括在依次设置的AlN层、非掺杂的AlGaN层，N型掺杂的AlGaN层、深紫外多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及P型掺杂的GaN层；刻蚀发光外延片形成纳米孔洞，形成光子晶体结构，并在所述纳米孔洞内采用原子沉积的方式沉积第一钝化层，再在所述纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并沉积Al金属颗粒；沉积Al金属颗粒后采用钝化材料填充纳米孔洞，所述钝化材料包裹Al金属颗粒，所述Al金属颗粒、所述光子晶体结构与所述第一钝化层、所述钝化材料形成含有Al金属颗粒的光子晶体层；在所述含有Al金属颗粒的光子晶体层上沉积P电极与Al金属反射镜，之后通过金属键合层与导电衬底连接，并剥离复合衬底；远离所述导电衬底的一侧进行研磨或电感耦合等离子体刻蚀直至N型掺杂的AlGaN层，之后在N型掺杂的AlGaN层上进行选区刻蚀形成微纳米孔洞；在未刻蚀N型掺杂的AlGaN层的区域上沉积N电极，且所述N电极和所述P电极分别位于所述发光外延片的两侧。2.根据权利要求1所述的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，所述刻蚀发光外延片形成纳米孔洞，形成光子晶体结构，并在所述纳米孔洞内采用原子沉积的方式沉积第一钝化层，再在所述纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并沉积Al金属颗粒；沉积Al金属颗粒后采用钝化材料填充纳米孔洞，所述钝化材料包裹Al金属颗粒，所述Al金属颗粒、所述光子晶体结构与所述第一钝化层、所述钝化材料形成含有Al金属颗粒的光子晶体层包括：在P型掺杂的GaN层的一侧采用纳米球自主装方式或者纳米压印光刻方式刻蚀形成多个所述纳米孔洞，形成光子晶体结构，所述纳米孔洞的底部延伸至所述电子阻挡层；在所述纳米孔洞内采用原子沉积的方式沉积所述第一钝化层，之后在纳米孔洞内的第一钝化层上采用电子束曝光的方式形成填充孔并在所述填充孔内沉积Al金属颗粒；在含有所述Al金属颗粒的所述纳米孔洞内沉积钝化材料，所述Al金属颗粒、所述光子晶体结构、所述第一钝化层以及所述钝化材料形成所述含有Al金属颗粒的光子晶体层。3.根据权利要求2所述的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，所述纳米孔洞呈阵列形式。4.根据权利要求2所述的垂直结构深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，所述提供复合衬底，并在所述复合衬底上形成发光外延片，包括：蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上溅射剥离层，所述剥离层采用氮化钛材料制成；在所述剥离层上溅射AlN材料；将所述蓝宝石衬底，所述剥离层和所述AlN材料进行高温退火处理，其中，退火温度在1200...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵捷，刘宁炀，谭起龙，李祈昕，曾昭烩，陈志涛，
申请(专利权)人：广东省科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：