[发明专利]一种高出光效率的深紫外发光二极管芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片及芯片的制备方法。

背景技术

AlGaN是一种直接带隙半导体材料，具有稳定的物理化学性质，通过调节材料中的铝组分，可以使Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)的禁带宽度在3.4eV(GaN)-6.2eV(AlN)之间变化，基于Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN量子阱材料的带间跃迁可以实现200～365纳米可调的全固态紫外发光二极管光源。新型AlGaN基紫外发光二极管相对于传统的汞灯拥有诸多的优点:1.紫外发光二极管结构简单，不含易碎的玻璃外壳，便携耐冲击，工作电压仅为几伏，且无需复杂的驱动电路；2.紫外发光二极管开启迅速(10^-9s)，无需预热；3.紫外发光二极管发光峰单一，且发光波长连续可调；4.紫外发光二极管材料中不含对环境有害的物质，环境友好；5.紫外发光二极管的寿命已经能够达到5000小时以上，远远超过汞灯的寿命。其应用已经渗透到保密通信，生化检测等军事领域及水净化，消毒杀菌，紫外光疗，紫外固化，防伪检测等国民经济领域。

但是，315纳米以下的深紫外发光二极管的效率还比较低，外量子效率只有不到15％，究其原因主要有以下几点：第一，高铝组分AlGaN材料生长较为困难，通常制备的AlGaN材料中具有较高的位错密度(>10¹⁰cm^-2)，这些位错可能会延伸到量子阱有源区，从而形成非辐射复合中心，最终发光二极管器件的内量子效率降低。第二，高Al组分AlGaN材料的掺杂困难。AlGaN中的n型掺杂杂质主要是Si，p型掺杂杂质主要是Mg，Si在材料中的激活能为17meV(GaN)到180meV(AlN)，Mg在材料中的激活能为170meV(GaN)到510meV(AlN)，远高于室温的热能(26meV)。随着Al组分的提高，AlGaN材料中n型和p型掺杂杂质激活能急剧上升，载流子浓度急剧下降，因此，很难在室温下火的载流子浓度很高、导电性能优良的高铝组分AlGaN薄膜。第三，Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN量子阱结构中强的量子限制斯塔克效应。由于不具备反转对称性，纤锌矿结构的AlGaN材料沿[0001]生长方向上具有很强的自发极化和压电极化，在量子阱区可以形成高达MV/cm量级的极化电场，使得电子和空穴得波函数在空间上产生分离，极大的降低了辐射复合速率，降低了发光二极管器件的内量子效率。第四，c面AlGaN基深紫外发光二极管表面出光困难。对于常见的沿c轴[0001]方向生长的AlGaN材料，随着材料中Al组分的升高，材料内部的晶场分裂能由原来GaN中的正值逐渐变化为AlN中较大的负值，由此带来了价带顶能带结构的改变。GaN中价带顶为重空穴能级，而AlN中价带顶为晶场分裂能级，因此GaN中电子-空穴复合的发光出射方向平行于c轴(TE模式)，而AlN中电子-空穴复合的发光出射方向垂直于c轴(TM模式)。随着Al组分的升高，AlGaN材料的发光偏振特性越来越趋向于AlN。在空气界面，绝大部分光被反射回器件内部，经过多次全反射最终被损耗掉。

对于上述由于深紫外发光二极管晶场分裂能带位置变化和电极材料选择引起的问题，目前国际上仍未有相应的系统解决方案来增强表面出光，一般采用的p型电极材料也普遍为Ti/Al/Ti/Au等。

发明内容

本发明提供一种高出光效率的倒装深紫外发光二极管芯片，该芯片选择采用具有高紫外光反射性的Ni/Al材料作为p型电极材料，不但可以部分改善金属电极与p型GaN的欧姆接触性能，还可将紫外光反射到蓝宝石面，同时把外延片蓝宝石衬底减薄到特定厚度，并蒸镀合适厚度的Al薄膜，通过TM模式紫外光与表面等离激元的耦合，进一步提高倒装深紫外发光二极管芯片的表面出光效率。本发明的另一目的是提供该芯片的制备方法。