本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

紫外發(fā)光二極管具有體積小、壽命長、效率高、環(huán)保、節(jié)能的潛在優(yōu)勢，在工業(yè)固化、消毒、水凈化、醫(yī)療和生物化學(xué)、高密度光學(xué)記錄等方面取代現(xiàn)有汞燈、氣體激光器等紫外光源，有著重要的應(yīng)用前景和廣闊的市場需求。發(fā)光二極管器件分為正裝、倒裝和垂直結(jié)構(gòu)。

倒裝與垂直結(jié)構(gòu)可以通過加入金屬導(dǎo)電反射層具有以下優(yōu)點：將金屬導(dǎo)電反射層作為電流擴展層，使電流從電極向有源區(qū)擴散的更均勻；同時將熱直接傳導(dǎo)到熱導(dǎo)率較高的基板，再通過散熱器散熱，其熱阻比正裝結(jié)構(gòu)小得多，因此更有潛力和應(yīng)用價值。

倒裝和垂直結(jié)構(gòu)的紫外LED需采用高反射的p型歐姆接觸金屬層，從而提高器件光效。在可見光波段常用的高反射歐姆接觸金屬如Ag等在紫外波段的反射率都大幅降低，主要金屬中僅Al在紫外波段仍有較高的反射率。然而，Al與p-GaN或p-AlGaN不能形成歐姆接觸。利用Al作為高反射層的辦法是將Al覆蓋在透明導(dǎo)電的p-GaN或p-AlGaN歐姆接觸上，這種技術(shù)中，需要有有效的阻擋Al向透明導(dǎo)電歐姆接觸層的擴散導(dǎo)致的歐姆接觸被破壞。專利CN104810455A采用石墨烯-Ag復(fù)合結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電歐姆接觸層，其中，石墨烯具有阻擋作用，可以進而提升其可靠性，但是其存在如下問題：首先石墨烯存在多疇結(jié)構(gòu)，疇之間存在空隙，Al會穿過空隙并遷移，尤其是在100℃以上時會快速退化致其擴散，破壞p歐姆接觸，對器件可靠性造成很大影響；同時Al和石墨烯粘附較差，容易剝落，目前沒有技術(shù)能解決Al與石墨烯的粘附問題，從而極大地限制了倒裝器件的制備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的主要目的是要提供一種具有高透射率、低面電阻、高反射、良好p型歐姆接觸的紫外發(fā)光二極管。本發(fā)明的另外一個目的是要提供一種制作該紫外發(fā)光二極管的方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明提供高出光率、高可靠性的紫外發(fā)光二極管的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種高出光率、高可靠性的紫外發(fā)光二極管器件，包括主要由n型層、量子阱層和p型層組成的外延結(jié)構(gòu)層，在p型層上依次設(shè)有p接觸層、石墨烯透光層和導(dǎo)電反射層，所述歐姆接觸層部分覆蓋p型層表面，覆蓋比小于30％，所述石墨烯透光層由多次轉(zhuǎn)移的石墨烯堆疊而成，所述p接觸層與p型層之間、p接觸層與石墨烯透光層之間都為歐姆接觸；

優(yōu)選的，所述歐姆接觸層包含Ag，或者Au，或者Ni，或者上述金屬的合金結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；

優(yōu)選的，所述構(gòu)成石墨烯透光層的至少兩層石墨烯之間還包含部分覆蓋的插入金屬層，該金屬層覆蓋比率低于10％；優(yōu)選的，所述插入金屬導(dǎo)層為平鋪的Ag或Au的納米點或者納米線；進一步優(yōu)選的，所述金屬插入層中所述Ag或Au納米點的粒徑為10nm～1μm，Ag或Au納米線的直徑為5～100nm、長度為5～100μm；

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電反射層厚度為0.1～3μm，并且所述導(dǎo)電反射層具有高的導(dǎo)電性和反射率，導(dǎo)電反射層材料優(yōu)選Al。

為實現(xiàn)本發(fā)明的另外一個目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

高出光率、高可靠性的紫外發(fā)光二極管器件的制造方法，包括如下步驟：

步驟S1、在襯底上生長外延結(jié)構(gòu)層，外延層依次包括p型層、n型層和量子阱層；

步驟S2、對于所述外延結(jié)構(gòu)層進行刻蝕等加工，形成n接觸孔；

步驟S3、在p型層上通過蒸發(fā)或濺射，以及退火形成p接觸層；

步驟S4、在p接觸層上通過多次轉(zhuǎn)移石墨烯堆疊形成石墨烯透光層；

步驟S5、在石墨烯透光層上通過蒸發(fā)高反射金屬導(dǎo)電反射層，優(yōu)選的，所述高反射導(dǎo)電金屬層為150nm以上鋁；

步驟S6、在n接觸孔上制備n區(qū)歐姆接觸層；

步驟S7、在p區(qū)高反射金屬導(dǎo)電層和n區(qū)歐姆接觸層上分別形成p、n電極

優(yōu)選的，步驟S3中所述p接觸層為1～5nm的Ag、Au、Ni單層，或上述金屬多層結(jié)構(gòu)在氮氣或氮氣與氧氣混合氣氛中快速退火而成，退火后金屬聚集，覆蓋率降低至30％以下；

又或者，步驟S3由以下步驟組成：步驟S3a、蒸發(fā)或濺射3～100nm的Ag、Au、Ni、ITO單層或多層，通過光刻與腐蝕或剝離工藝形成圓形或多邊形金屬點陣列，金屬點直徑或?qū)情L度為2～10μm，相鄰金屬點中心距離為金屬點直徑或?qū)情L度的兩倍或以上；步驟S3b、在氮氣或氮氣與氧氣混合氣氛中快速退火；

優(yōu)選的，步驟S4包含如下步驟：S4a、轉(zhuǎn)移單層或多層石墨烯至p接觸層之上；S4b、在轉(zhuǎn)移石墨烯上還有插入金屬層，插入金屬層為1-2nm的Ni、Au或Ti，或者上述金屬的合金結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；S4c、重復(fù)S4a～S4b或S4a，達(dá)到所需轉(zhuǎn)移層數(shù)；此外，步驟S4b的插入金屬層的后續(xù)工藝還包括氮氣氣氛下快速退火。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

(1)本發(fā)明通過多次轉(zhuǎn)移石墨烯阻擋Al擴散的能力也大大加強，提高了器件的接觸、反射性能及可靠性；

(2)P接觸層覆蓋比小于30％，保證其形成歐姆接觸的同時有很高的光透過率；

(3)優(yōu)選方案通過石墨烯層之間以及石墨烯與Al之間增加插入金屬層，改善了石墨烯層之間的電性連接，并解決了石墨烯與Al反射層的粘附性差的問題。

綜上所述從而使形成的紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件相對現(xiàn)有技術(shù)具有高透射率、外部量子效率高、出光效率高、良好p型歐姆接觸等特性、開啟電壓低、散熱性好、可靠性高等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中多次轉(zhuǎn)移石墨烯倒裝GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例2中直接退火多次轉(zhuǎn)移石墨烯倒裝GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例3中含插入金屬層的多次轉(zhuǎn)移石墨烯倒裝GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是p接觸層的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1

參照圖1，本GaN基紫外LED結(jié)構(gòu)主要由藍(lán)寶石襯底101，及在襯底上生長的外延層，接觸電極組成。自襯底往上，外延層依次包括：AlN緩沖層102，n-AlGaN電子層103、量子阱層104，p型層105。外延生長后，外延層被刻蝕出臺面和n接觸孔，臺面表面為原外延層表面，n接觸孔表面為n-AlGaN層。臺面上依次設(shè)置有p接觸層106，多次轉(zhuǎn)移的石墨烯堆疊形成的石墨烯透光層107和導(dǎo)電反射層108，以及p型電極109，共同構(gòu)成p型層的反射歐姆接觸電極。其中，p接觸層106為金屬點陣列，金屬點直徑或?qū)情L度為2～10μm，相鄰金屬點中心距離為金屬點直徑或?qū)情L度的兩倍或以上。n接觸孔內(nèi)設(shè)置有n型歐姆接觸電極110。

以下詳細(xì)說明該GaN基紫外LED芯片的制造步驟：

步驟S1：在藍(lán)寶石襯底101上，利用MOCVD工藝，依次生長外延層，外延層依次包括AlN緩沖層102，n-AlGaN電子層103、InGaN/AlGaN多量子阱層104，AlGaN p型層105。

步驟S2、通過光刻和刻蝕工藝從p-AlGaN層刻蝕至n-AlGaN層，形成n-AlGaN臺面和n接觸孔；

步驟S3a、蒸發(fā)3nm的Ag，通過光刻與腐蝕工藝形成圓形或多邊形金屬點陣列，金屬點直徑或?qū)情L度為2～10μm，相鄰金屬點中心距離為金屬點直徑或?qū)情L度的兩倍或以上，以圖4點陣狀分布，其中41為金屬點，42為p型層；

步驟S3b、在氮氣中快速退火；

以上步驟S3a中接觸層可替換為蒸發(fā)或濺射的3～100nm的Ag、Au、Ni、ITO單層或多層，步驟S3b中退火可替換為在氮氣與氧氣混合氣氛中快速退火。

步驟S4、在p接觸層上通過多次轉(zhuǎn)移的石墨烯堆疊形成石墨烯透光層107；具體如下：

石墨烯轉(zhuǎn)移方法可以為濕法轉(zhuǎn)移或者是干法轉(zhuǎn)移，濕法轉(zhuǎn)移通過利用有機材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者聚二甲硅氧烷(PDMS)作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)的腐蝕基體法，干法采用Roll To Roll或者是熱壓法(Hot pressing)(參考文獻：Efficient Transfer of Large-Area Graphene Films onto Rigid Substrates by Hot Pressing.(2012).Acs Nano 6(6)：5360-5365.)。優(yōu)選的采用濕法轉(zhuǎn)移通過利用有機材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)的腐蝕基體法，將單原子層或多原子層石墨烯轉(zhuǎn)移至接觸層，然后再進行下一次轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移次數(shù)控制在2-5次，優(yōu)選3次，形成石墨烯透光層107。

步驟S5、在石墨烯透光層上通過蒸發(fā)高反射金屬形成導(dǎo)電反射層108，優(yōu)選的，所述高反射導(dǎo)電金屬層為150nm以上鋁；

步驟S6、用光刻、剝離、退火的方法在n接觸孔上制備n區(qū)歐姆接觸層，接觸材料為Ti/Al，Cr/Al或Cr/Au；

步驟S7、用PECVD方法在樣品表面沉積SiO2鈍化層，用光刻、腐蝕方法在鈍化層上開孔，露出p、n電極下的金屬層；利用電子束蒸發(fā)或濺射沉積電極金屬，優(yōu)選Ti(50nm)/Au(1000nm)，結(jié)合光刻、剝離方法，在鈍化層開口上方形成p、n金屬電極109、110；

步驟S8、進一步，將外延片進行減薄、裂片，形成單顆芯片。

本實施例在通過多次轉(zhuǎn)移石墨烯阻擋Al擴散的能力也大大加強，提高了器件的接觸、反射性能及可靠性；同時通過光刻形成p接觸層的點陣分布，使p接觸層為部分覆蓋，覆蓋比小于25％，保證其形成歐姆接觸的同時有很高的光透過率。

實施例2

參照圖2，本GaN基紫外LED結(jié)構(gòu)主要由藍(lán)寶石襯底201，及在襯底上生長的外延層，接觸電極組成。自襯底往上，外延層依次包括：AlN緩沖層202，n-AlGaN電子層203、量子阱層204，p型層205。外延生長后，外延層被刻蝕出臺面和n接觸孔，臺面表面為原外延層表面，n接觸孔表面為n-AlGaN層。臺面上依次設(shè)置有p接觸層206，多次轉(zhuǎn)移的石墨烯堆疊形成的石墨烯透光層207和導(dǎo)電反射層208，以及p型電極209，共同構(gòu)成p型層的反射歐姆接觸電極。其中p接觸層206為隨機分布的金屬點，n接觸孔內(nèi)設(shè)置有n型歐姆接觸電極210。

本實施例與實施例1的結(jié)構(gòu)和工藝的區(qū)別如下所述：

實施例1中的p接觸層是蒸發(fā)或濺射3～100nm的Ag、Au、Ni、ITO單層或多層，通過光刻與腐蝕或剝離工藝形成圓形或多邊形金屬點陣列。在經(jīng)過光刻與腐蝕后形成金屬點陣列之后，進一步在氮氣或氮氣與氧氣混合氣氛中快速退火形成p接觸層。

實施例2與實施例1結(jié)構(gòu)的差別在于：實施例2沒有形成如圖4所示p接觸層規(guī)則排布的金屬點陣列，而是通過薄金屬層退火后聚集形成隨機的金屬點。所述金屬為Ag，Ni或Au，退火前金屬層厚度為1～3nm，退火后金屬聚集形成納米尺寸的金屬點，金屬點覆蓋率低于30％。

實施例2與實施例1工藝的差別在于：實施例2步驟S3為：

步驟S3a、蒸發(fā)3nm的Ag；

步驟S3b、在氮氣中快速退火；

以上步驟S3a中接觸層可替換為蒸發(fā)或濺射的1～3nm的Ag、Au、Ni單層或多層，步驟S3b中退火可替換為在氮氣與氧氣混合氣氛中快速退火。

其他工藝步驟與實施例1完全相同。

實施例3

參照圖3，本GaN基紫外LED結(jié)構(gòu)主要由藍(lán)寶石襯底301，及在襯底上生長的外延層，接觸電極組成。自襯底往上，外延層依次包括：AlN緩沖層302，n-AlGaN電子層303、量子阱層304，p型層305。外延生長后，外延層被刻蝕出臺面和n接觸孔，臺面表面為原外延層表面，n接觸孔表面為n-AlGaN層。臺面上依次設(shè)置有p接觸層306，多次轉(zhuǎn)移的石墨烯堆疊形成的石墨烯透光層307、其中307a、307b、307c均為轉(zhuǎn)移的石墨烯，在轉(zhuǎn)移石墨烯上還有插入金屬層308(308a、308b、308c)，導(dǎo)電反射層309，以及p型電極310，共同構(gòu)成p型層的反射歐姆接觸電極。其中n接觸孔內(nèi)設(shè)置有n型歐姆接觸電極311。

實施例3的制作方法與實施例1結(jié)構(gòu)的差別在于：在步驟S4中石墨烯層中增加插入金屬層308(308a、308b、308c)。步驟S4中包含如下步驟：

S4a、轉(zhuǎn)移單層或多層石墨烯至p接觸層之上；

S4b、在轉(zhuǎn)移石墨烯上還有插入金屬層，插入金屬層為1-2nm的Ni、Au或Ti，或者上述金屬的合金結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；

S4c、重復(fù)S4a～S4b或S4a，達(dá)到所需轉(zhuǎn)移層數(shù)。

此外，步驟S4b的插入金屬層的后續(xù)工藝還包括氮氣氣氛，或氬氣與氫氣混合氣氛中下快速退火。

其他工藝步驟與實施例1完全相同。

本實施例通過石墨烯層之間以及石墨烯與Al之間增加插入金屬層，可以改善石墨烯層之間的電性連接，并改善石墨烯與Al反射層的粘附性。

在前面3個實施例中，均采用從藍(lán)寶石襯底一側(cè)出光的倒裝結(jié)構(gòu)，極大的降低了光損耗，增加了出光率；同時采用多次轉(zhuǎn)移石墨烯的方法阻擋Al擴散的能力也大大加強，使其更易形成歐姆接觸，提高了可靠性，除此之外以上三個實施例還都具有低開啟電壓，高散熱性，外部量子效率高等優(yōu)點。

以上結(jié)合附圖所描述的實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，而并非對本發(fā)明的保護范圍的限定，任何基于本發(fā)明精神所做的改進都理應(yīng)在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。