[發明專利]一種高出光效率的深紫外發光二極管芯片及其制備方法

在審

• 申請號: 201610031553.2
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105679910A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 王帥;陳景文;何炬;戴江南;陳長清
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L33/40
• 分類號: H01L33/40;H01L33/20;H01L33/00
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 胡里程

技術領域

本發明涉及半導體器件技術領域，具體涉及一種高出光效率的倒裝深紫外發光二極管芯片及芯片的制備方法。

背景技術

AlGaN是一種直接帶隙半導體材料，具有穩定的物理化學性質，通過調節材料中的鋁組分，可以使Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)的禁帶寬度在3.4eV(GaN)-6.2eV(AlN)之間變化，基于Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN量子阱材料的帶間躍遷可以實現200～365納米可調的全固態紫外發光二極管光源。新型AlGaN基紫外發光二極管相對于傳統的汞燈擁有諸多的優點:1.紫外發光二極管結構簡單，不含易碎的玻璃外殼，便攜耐沖擊，工作電壓僅為幾伏，且無需復雜的驅動電路；2.紫外發光二極管開啟迅速(10^-9s)，無需預熱；3.紫外發光二極管發光峰單一，且發光波長連續可調；4.紫外發光二極管材料中不含對環境有害的物質，環境友好；5.紫外發光二極管的壽命已經能夠達到5000小時以上，遠遠超過汞燈的壽命。其應用已經滲透到保密通信，生化檢測等軍事領域及水凈化，消毒殺菌，紫外光療，紫外固化，防偽檢測等國民經濟領域。

但是，315納米以下的深紫外發光二極管的效率還比較低，外量子效率只有不到15％，究其原因主要有以下幾點：第一，高鋁組分AlGaN材料生長較為困難，通常制備的AlGaN材料中具有較高的位錯密度(>10¹⁰cm^-2)，這些位錯可能會延伸到量子阱有源區，從而形成非輻射復合中心，最終發光二極管器件的內量子效率降低。第二，高Al組分AlGaN材料的摻雜困難。AlGaN中的n型摻雜雜質主要是Si，p型摻雜雜質主要是Mg，Si在材料中的激活能為17meV(GaN)到180meV(AlN)，Mg在材料中的激活能為170meV(GaN)到510meV(AlN)，遠高于室溫的熱能(26meV)。隨著Al組分的提高，AlGaN材料中n型和p型摻雜雜質激活能急劇上升，載流子濃度急劇下降，因此，很難在室溫下火的載流子濃度很高、導電性能優良的高鋁組分AlGaN薄膜。第三，Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN量子阱結構中強的量子限制斯塔克效應。由于不具備反轉對稱性，纖鋅礦結構的AlGaN材料沿[0001]生長方向上具有很強的自發極化和壓電極化，在量子阱區可以形成高達MV/cm量級的極化電場，使得電子和空穴得波函數在空間上產生分離，極大的降低了輻射復合速率，降低了發光二極管器件的內量子效率。第四，c面AlGaN基深紫外發光二極管表面出光困難。對于常見的沿c軸[0001]方向生長的AlGaN材料，隨著材料中Al組分的升高，材料內部的晶場分裂能由原來GaN中的正值逐漸變化為AlN中較大的負值，由此帶來了價帶頂能帶結構的改變。GaN中價帶頂為重空穴能級，而AlN中價帶頂為晶場分裂能級，因此GaN中電子-空穴復合的發光出射方向平行于c軸(TE模式)，而AlN中電子-空穴復合的發光出射方向垂直于c軸(TM模式)。隨著Al組分的升高，AlGaN材料的發光偏振特性越來越趨向于AlN。在空氣界面，絕大部分光被反射回器件內部，經過多次全反射最終被損耗掉。

對于上述由于深紫外發光二極管晶場分裂能帶位置變化和電極材料選擇引起的問題，目前國際上仍未有相應的系統解決方案來增強表面出光，一般采用的p型電極材料也普遍為Ti/Al/Ti/Au等。

發明內容

本發明提供一種高出光效率的倒裝深紫外發光二極管芯片，該芯片選擇采用具有高紫外光反射性的Ni/Al材料作為p型電極材料，不但可以部分改善金屬電極與p型GaN的歐姆接觸性能，還可將紫外光反射到藍寶石面，同時把外延片藍寶石襯底減薄到特定厚度，并蒸鍍合適厚度的Al薄膜，通過TM模式紫外光與表面等離激元的耦合，進一步提高倒裝深紫外發光二極管芯片的表面出光效率。本發明的另一目的是提供該芯片的制備方法。