紫外發(fā)光二極管器件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法。該紫外發(fā)光二極管器件的制備方法通過AlGaN電子阻擋層205和p型AlGaN層206的總厚度小于該電極層最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離的方式有效精確控制有源區(qū)到金屬等離激元的距離，消除了工藝工程中對有源區(qū)造成損傷的風(fēng)險，提高了紫外發(fā)光二極管器件發(fā)光效率。
【專利說明】紫外發(fā)光二極管器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外發(fā)光二極管器件，因其在激發(fā)白光、生化探測、殺菌消毒、凈化環(huán)境、聚合物固化以及短距離安全通訊等諸多領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用價值而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)紫外光源汞燈相比，AlGaN基紫外發(fā)光二極管器件有壽命長、工作電壓低、波長可調(diào)、環(huán)保、方向性好、迅速切換、耐震耐潮、輕便靈活等優(yōu)點，隨著研究工作的深入，將成為未來新型紫外應(yīng)用的主流光源。然而，由于高品質(zhì)AlGaN材料外延生長困難，晶體質(zhì)量較低，與GaN基藍光發(fā)光二極管相比，目前紫外發(fā)光二極管器件的發(fā)光效率較低，成為阻礙其廣泛應(yīng)用的瓶頸。
[0003]參考文獻l(Applied Physics Lettersl02，211110 (2013))報道了采用等離激元技術(shù)，可以有效提高紫外發(fā)光二極管器件的發(fā)光效率。圖1為參考文獻I為現(xiàn)有技術(shù)中紫外發(fā)光二極管器件制備方法的流程圖。如圖1所示:在其器件制備流程中，核心步驟C是刻蝕ρη結(jié)臺面上的P型GaN和P型AlGaN，形成圖形化凹坑，使有源區(qū)位于金屬的等離激元耦合范圍之內(nèi)。由于金屬距離有源區(qū)的距離越小，等離激元的耦合效果越好，所以圖形化凹坑的底部應(yīng)盡量接近有源區(qū)，即凹坑需要有足夠的深度。
[0004]然而，如果采用參考文獻I所報道的干法刻蝕工藝制備凹坑，會面臨很大挑戰(zhàn)。首先，為了增強等離激元耦合效果，希望凹坑底部接近有源區(qū)，另一方面，如果凹坑底部越接近有源區(qū)，干法刻蝕過程中就越容易刻蝕到有源區(qū)，造成有源區(qū)的損傷，從而降低了紫外發(fā)光二極管器件的內(nèi)量子效率，同時影響器件可靠性，縮短使用壽命。由于等離子體干法刻蝕有一定的損傷深度，該工藝對有源區(qū)的損傷是很難避免的。其次，干法刻蝕的刻蝕速度不易控制，造成片上刻蝕深度不均勻以及等離激元的耦合效果不均勻，片上器件出光效率均勻性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明紫外發(fā)光二極管器件的制備方法包括:步驟A:在基底201上生長紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，該紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)自下而上包括=AlN緩沖層202、n型AlGaN層203、AlGaN有源區(qū)204、AlGaN電子阻擋層205、p型AlGaN層206 ;步驟B:從p型AlGaN層206頂部開始，在預(yù)設(shè)區(qū)域進行刻蝕，刻蝕深度至η型AlGaN層203，從而在刻蝕區(qū)域形成η型AlGaN電極接觸表面208，在刻蝕區(qū)域之外的ρ型AlGaN層206上方形成ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207 ;步驟C:在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207和η型AlGaN電極接觸表面208的表面沉積介質(zhì)層209，并在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207上方形成貫穿介質(zhì)層209的通孔210，其中，該介質(zhì)層的材料為InxGa^N材料不易在其上生長的材料，其中OSxSl ;步驟D:在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207上，利用介質(zhì)層209做選區(qū)二次外延的掩膜，在通孔210中生長ρ型電極接觸層211，該ρ型電極接觸層211的材料為InxGai_xN，其中O < χ < I ;步驟E:去除全部的介質(zhì)層209 ;步驟F:在η型AlGaN電極接觸表面208上定義出η型電極圖形,在該η型電極圖形的區(qū)域形成η型接觸電極212 ;步驟G:在ρ型電極接觸層211表面定義出ρ型電極圖形，在該ρ型電極圖形的區(qū)域形成P型接觸電極213;步驟H:在器件上表面沉積電絕緣層214，在該電絕緣層214中，η型接觸電極212和ρ型接觸電極213上方，經(jīng)刻蝕分別形成電極窗口區(qū)215 ;以及步驟1:在電極窗口區(qū)215形成包含多金屬層的電極層216，其中，AlGaN電子阻擋層205和P型AlGaN層206的總厚度小于該電極層最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離，完成紫外發(fā)光二極管器件的制備。
[0009](三)有益效果
[0010]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明紫外發(fā)光二極管器件的制備方法通過AlGaN電子阻擋層(205)和ρ型AlGaN層(206)的總厚度小于該電極層最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離的方式有效精確控制有源區(qū)到金屬等離激元的距離，消除了工藝工程中對有源區(qū)造成損傷的風(fēng)險，提高了紫外發(fā)光二極管器件發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為參考 文獻I為現(xiàn)有技術(shù)中紫外發(fā)光二極管器件制備方法的流程圖；
[0012]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例紫外發(fā)光二極管器件制備方法的流程圖；
[0013]圖3Α為圖2所示制備方法中在藍寶石襯底上生長紫外發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)至P型AlGaN層后的首I]面不意圖；
[0014]圖3Β為圖2所示制備方法中通過光刻和刻蝕工藝形成發(fā)光二極管ρη結(jié)臺面后的剖面示意圖；
[0015]圖3C為圖2所示制備方法中通過光刻和刻蝕工藝在ρη結(jié)臺面上形成貫穿介質(zhì)層通孔后的劑面不意圖；
[0016]圖3D為圖2所示制備方法中在發(fā)光二極管ρη結(jié)臺面上選區(qū)外延ρ型電極接觸層后的剖面示意圖；
[0017]圖3Ε為圖2所示制備方法中通過刻蝕工藝去掉全部介質(zhì)層后的剖面示意圖；
[0018]圖3F為圖2所示制備方法中通過光刻、薄膜沉積、剝離和退火工藝形成η型接觸電極后的剖面示意圖；
[0019]圖3G為圖2所示制備方法中通過光刻、薄膜沉積、剝離和退火工藝形成P型接觸電極后的剖面示意圖；
[0020]圖3Η為圖2所示制備方法中通過薄膜沉積、光刻和刻蝕工藝形成絕緣層和窗口區(qū)后的剖面示意圖；
[0021]圖31為圖2所示制備方法中通過光刻、薄膜沉積和剝離工藝形成電極層后的剖面示意圖。
[0022]【主要元件】
[0023]201-藍寶石襯底；202-Α1Ν緩沖層；
[0024]203-η 型 AlGaN 層；204-AlGaN 有源區(qū)；[0025]205-AlGaN 電子阻擋層；206_p 型 AlGaN 層；
[0026]207-pn結(jié)臺面結(jié)構(gòu)；208_n型AlGaN電極接觸表面；
[0027]209-介質(zhì)層；210-通孔；
[0028]211-p型電極接觸層；212-n型接觸電極；
[0029]213-p型接觸電極；214-電絕緣層；
[0030]215-電極窗口區(qū)；216-電極層。 【具體實施方式】
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0032]本發(fā)明提出了一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法，該制備方法可以有效精確控制有源區(qū)到金屬等離激元的距離，并消除了工藝過程中對有源區(qū)造成損傷的風(fēng)險，從而增強了等離激元技術(shù)提高紫外發(fā)光二極管器件發(fā)光效率的效果。
[0033]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例一種紫外發(fā)光二極管器件制備方法的流程圖。請參照圖2，該制備方法包括:
[0034]步驟A:在藍寶石襯底201上生長紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，該紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)按照自下而上的順序，包括AlN緩沖層202、η型AlGaN層203、AlGaN有源區(qū)204、AlGaN電子阻擋層205、ρ型AlGaN層206，如圖3Α所示；
[0035]本實施例中采用藍寶石襯底201作為基底，但本發(fā)明并不以此為限。該基底還可以為SiC、AlN、Si等適合紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)生長的基底。
[0036]所述紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)中的η型AlGaN層203、AlGaN有源區(qū)204、AlGaN電子阻擋層205、p型AlGaN層206均為AlxGa1J, InyGa1J基材料，其中O≤x≤1，0≤y≤1，使得所述的紫外發(fā)光二極管波長為210nm-400nm。
[0037]ρ 型 AlGaN 層 206 的厚度為 lnm_30nm。
[0038]需要說明的是，AlGaN電子阻擋層205和ρ型AlGaN層206的總厚度，小于后續(xù)的電極層216最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離。
[0039]步驟B:從ρ型AlGaN層206頂部開始，在預(yù)設(shè)區(qū)域進行刻蝕，刻蝕深度至η型AlGaN層203，從而在刻蝕區(qū)域形成η型AlGaN電極接觸表面208，而在刻蝕區(qū)域之外的ρ型AlGaN層206的上方形成ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207，如圖3Β所示；
[0040]步驟C:在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207和η型AlGaN電極接觸表面208的表面沉積介質(zhì)層209，并通過刻蝕工藝，在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207上方形成貫穿介質(zhì)層209的通孔210，如圖3C所示；
[0041]介質(zhì)層209應(yīng)采用氧化娃、氮化娃等材料,此類材料的共同特點是InxGapxN材料(O ≤ X ≤ I)不易在其上生長。
[0042]刻蝕完的介質(zhì)層頂視圖形狀可以為方形、六角形、圓形等多邊形。圖形的尺寸可以為微米級或納米級。
[0043]步驟D:在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)207上，利用介質(zhì)層209做選區(qū)二次外延的掩膜，在通孔210中生長ρ型電極接觸層211，如圖3D所示；[0044]ρ型電極接觸層211材料為InxGai_xN，其中I，其厚度為5nm_1000nm。由于介質(zhì)層具有InxGahN材料(O≤x≤I)不易在其上生長的特點，因此，只有通孔210處生長有P型電極接觸層211。此步驟為本實施例的關(guān)鍵步驟，通過二次外延的方法生長P型電極接觸層211。與參考文獻I相比，本實施例可以有效精確控制有源區(qū)到金屬等離激元的距離，并消除了工藝過程中對有源區(qū)造成損傷的風(fēng)險，從而增強了等離激元技術(shù)提高紫外發(fā)光二極管發(fā)光效率的效果。
[0045]步驟E:通過刻蝕工藝， 去掉全部的所述介質(zhì)層209，如圖3E所示，；
[0046]步驟F:通過光刻工藝，在η型AlGaN電極接觸表面208上定義出η型電極圖形，通過薄膜沉積工藝、剝離工藝和退火工藝，在該η型電極圖形的區(qū)域形成η型接觸電極212，如圖3F所示；
[0047]步驟G:通過光刻工藝，在ρ型電極接觸層211表面定義出ρ型電極圖形，通過薄膜沉積工藝、剝離工藝和退火工藝，在該P型電極圖形的區(qū)域形成P型接觸電極213，如圖3G所示；
[0048]步驟H:在器件上表面整體上沉積電絕緣層214，通過光刻工藝和刻蝕工藝，在η型接觸電極212和ρ型接觸電極213上方，分別形成電極窗口區(qū)215，如圖3Η所示；
[0049]絕緣層214應(yīng)采用氧化娃、氮化娃等絕緣介質(zhì)材料,其厚度為Onm-1OOOnm ；
[0050]步驟1:在電極窗口區(qū)215，通過光刻工藝、薄膜沉積工藝和剝離工藝，形成包含多金屬層的電極層216，如圖31所示，完成所述的一種紫外發(fā)光二極管的制作。
[0051]其中，所述AlGaN電子阻擋層(205)和ρ型AlGaN層(206)的總厚度小于該電極層最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離。該電極層216最底層金屬層的金屬材料優(yōu)選為Al、Pt等具有合適等離激元能量的金屬，使其等離激元能量位于所述紫外發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)域。
[0052]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明一種提高紫外發(fā)光二極管發(fā)光效率的制備方法有了清楚的認識。
[0053]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0054](I)藍寶石襯底還可以為硅襯底；
[0055](2)電極層最底層金屬Al可以用適合等離激元能量的金屬來代替。
[0056]綜上所述，本發(fā)明提出了一種制備紫外發(fā)光二極管的方法，利用這種方法可以有效精確控制有源區(qū)到金屬等離激元的距離，并消除了工藝過程中對有源區(qū)造成損傷的風(fēng)險，從而增強了等離激元技術(shù)提高紫外發(fā)光二極管發(fā)光效率的效果。
[0057]總之，以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種紫外發(fā)光二極管器件的制備方法，其特征在于，包括: 步驟A:在基底(201)上生長紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，該紫外發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)自下而上包括:A1N緩沖層(202)、η型AlGaN層(203)、AlGaN有源區(qū)(204)、AlGaN電子阻擋層(205)、ρ 型 AlGaN 層(206)； 步驟B:從所述P型AlGaN層(206)頂部開始，在預(yù)設(shè)區(qū)域進行刻蝕，刻蝕深度至所述η型AlGaN層(203)，從而在刻蝕區(qū)域形成η型AlGaN電極接觸表面(208)，在刻蝕區(qū)域之外的P型AlGaN層(206)上方形成ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)(207)； 步驟C:在所述ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)(207)和η型AlGaN電極接觸表面(208)的表面沉積介質(zhì)層(209)，并在ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)(207)上方形成貫穿介質(zhì)層(209)的通孔(210)，其中，該介質(zhì)層的材料為InxGahN材料不易在其上生長的材料，其中0<χ<1; 步驟D:在所述ρη結(jié)臺面結(jié)構(gòu)(207)上，利用所述介質(zhì)層(209)做選區(qū)二次外延的掩膜，在通孔(210)中生長P型電極接觸層(211)，該P型電極接觸層(211)的材料為InxGahN,其中 0<χ<1; 步驟E:去除全部的介質(zhì)層(209)； 步驟F:在所述η型AlGaN電極接觸表面(208)上定義出η型電極圖形,在該η型電極圖形的區(qū)域形成η型接觸電極(212)； 步驟G:在所述P型電極接觸層(211)表面定義出P型電極圖形，在該P型電極圖形的區(qū)域形成P型接觸電極(213)； 步驟H:在器件上表面沉積電絕緣層(214)，在該電絕緣層(214)中，所述η型接觸電極(212)和P型接觸電極(213)上方，經(jīng)刻蝕分別形成電極窗口區(qū)(215);以及 步驟1:在所述電極窗口區(qū)(215)形成包含多金屬層的電極層(216)，其中，所述AlGaN電子阻擋層(205)和P型AlGaN層(206)的總厚度小于該電極層最底層金屬層的金屬材料的等離激元耦合距離，完成紫外發(fā)光二極管器件的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電極層最底層的金屬層的材料為高體等離激元能量的金屬材料，且其等離激元能量位于紫外發(fā)光區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述電極層最底層的金屬層的金屬材料為鋁或鉬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述P型AlGaN層(206)的厚度為lnm_30nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電絕緣層(214)的厚度為Inm-1OOOnm,其材料為氧化娃或氮化娃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì)層(209)的材料為氧化硅或氮化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì)層中通孔的橫截面形狀為方形、六角形或圓形，其尺寸為微米量級或納米量級。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述η型AlGaN層(203)、AlGaN 有源區(qū)(204) ,AlGaN電子阻擋層(205)和p型AlGaN層(206)的基體材料為AlxGahN,其中，O≤X≤1 ;其中， η型AlGaN層(203)的材料為η型摻雜的AlxGa1J材料；P型AlGaN層(206)的材料為p型摻雜的AlxGa1J材料； 所述AlGaN有源區(qū)(204)的材料中Al組分比η型AlGaN層(203)、ρ型AlGaN層(206)和AlGaN電子阻擋層(205)的材料的Al組分均要低。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述紫外發(fā)光二極管器件的發(fā)光波長為 210nm-400nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述基底(201)為藍寶石、SiC、AlN 或 Si。
【文檔編號】H01L33/00GK103943737SQ201410181967
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】張韻, 孫莉莉, 閆建昌, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所