紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，特別是一種紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，該半導(dǎo)體發(fā)光器件可用于交通、醫(yī)療、顯示及白光照明等領(lǐng)域，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基紫外/深紫外發(fā)光二極管(LED)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。
[0003]LED芯片通常分為正裝、倒裝和垂直結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的藍(lán)光和白光LED技術(shù)在正裝結(jié)構(gòu)中使用ITO作為透明導(dǎo)電層材料，倒裝結(jié)構(gòu)則采用Ag作為高反射層材料，但它們在紫外波段都存在吸光較大的問題。
[0004]為了解決紫外吸光問題，在正裝紫外LED中，有研究采用石墨烯、碳納米管和Ag納米復(fù)合結(jié)構(gòu)做透明導(dǎo)電層，從而可以提高紫外LED性能。如公開專利(公開號CN104009141A)通過將Ag納米線均勾懸涂在碳納米管薄膜上形成復(fù)合結(jié)構(gòu)作為電流擴(kuò)展層，提高紫外LED的光電轉(zhuǎn)換效率。碳納米管薄膜透光率約為80%左右時，方阻約為103Q/sq數(shù)量級；而單層及雙層石墨烯的透光率均在95%以上，方阻約為102Q/sq數(shù)量級。通過轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜覆蓋銀納米線形成的透明導(dǎo)電極層使紫外LED性能進(jìn)一步提高，在375nm下光透率86.3%，表面電阻約30Q/sq，降低了紫外LED工作電壓并提升了出光效率(參考文獻(xiàn)"Graphene-silver nanowire hybrid structure as a transparentand current spreading electrode in ultrav1let light emitting d1des.,,AppliedPhysics Letters，2013，103(5))。
[0005]然而上述透明導(dǎo)電層仍然存在面電阻較大，從而導(dǎo)致電流擴(kuò)展能力有限；由電極注入的電流需橫向流過透明導(dǎo)電層，導(dǎo)致電流擁擠。使正裝紫外LED的開啟電壓較大、出光效率低。
[0006]同時，正裝紫外LED存在散熱問題。通常由于紫外LED的效率較低，因而需求的光功率通常較大，導(dǎo)致芯片的發(fā)熱量較大。而藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性較差(35W/m*K)，加上固晶導(dǎo)致的熱阻，因此正裝結(jié)構(gòu)的紫外LED芯片熱阻較大，不利于紫外LED的光效和可靠性提升。
[0007]倒裝與垂直結(jié)構(gòu)可以通過加入金屬導(dǎo)電反射層有效解決正裝LED的上述不足。將金屬導(dǎo)電反射層作為電流擴(kuò)展層，使電流從電極向有源區(qū)擴(kuò)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。
[0008]然而，倒裝和垂直結(jié)構(gòu)的紫外LED必需采用高反射、低電阻的P型歐姆接觸，從而提高器件光效，現(xiàn)有技術(shù)還缺乏有效解決方案。Ag在紫外波段反射率顯著下降以及ITO對紫外光的強(qiáng)吸收，已不合適作為倒裝和垂直結(jié)構(gòu)的紫外LED的P型歐姆接觸材料，同時，在紫外波段有很高反射率的金屬Al，很難與p-GaN或ρ-AlGaN形成好的歐姆接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種具有高反射、低電阻的P型歐姆接觸等優(yōu)點(diǎn)的紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0010]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種制造所述紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
[0011]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案包括:
[0012]—種紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括主要由η型層、量子阱層和P型層組成的外延結(jié)構(gòu)層以及P型、η型電極，其特征在于所述P型層上還依次設(shè)有石墨烯-Ag納米復(fù)合層和導(dǎo)電反射層，所述石墨烯-Ag納米復(fù)合層與P型層形成歐姆接觸。
[0013]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述石墨烯-Ag納米復(fù)合層包括:
[0014]形成于P型層上的Ag納米材料層，所述Ag納米材料層包含Ag納米點(diǎn)和/或Ag納米線；
[0015]以及，覆蓋在所述Ag納米材料層上的石墨稀薄膜。
[0016]在一更為具體的實(shí)施方案之中，所述Ag納米材料層為Ag納米點(diǎn)層。例如，所述石墨烯-Ag納米復(fù)合層為石墨烯薄膜覆蓋薄層Ag退火得到的Ag納米點(diǎn)層。
[0017]在一更為具體的實(shí)施方案之中，所述Ag納米材料層為Ag納米線層。
[0018]較為優(yōu)選的，前述Ag納米點(diǎn)的粒徑為1nm?I μπι。
[0019]較為優(yōu)選的，前述Ag納米線的直徑為5?lOOnm，長度為5?100 μ m。
[0020]較為優(yōu)選的，前述石墨烯薄膜層數(shù)為單層或多層，例如2?10層。
[0021]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述石墨烯-Ag納米復(fù)合層包括石墨烯量子點(diǎn)負(fù)載Ag納米粒子復(fù)合體層。
[0022]進(jìn)一步的，其中石墨稀量子點(diǎn)負(fù)載Ag納米粒子復(fù)合體的粒徑優(yōu)選為5?lOOnm。
[0023]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述石墨烯-Ag納米復(fù)合層上依次形成有中間層和導(dǎo)電反射層。
[0024]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，所述Ag納米材料層與石墨烯薄膜之間還形成有中間層。
[0025]在一具體實(shí)施方案之中，所述外延結(jié)構(gòu)層可包括依次形成的緩沖層、η型AlGaN層、多量子阱層和P型層等。
[0026]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電反射層與P型電極電性連接。
[0027]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電反射層可以選用但不限于金屬反射層，例如Al反射層，但不限于此。
[0028]較為優(yōu)選的，前述導(dǎo)電反射層的厚度為0.1?3μηι。
[0029]進(jìn)一步的，所述中間層優(yōu)選為Cr層，但不限于此。
[0030]進(jìn)一步的，所述P型層優(yōu)選為ρ-AlGaN層，但不限于此。
[0031]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件優(yōu)選為倒裝結(jié)構(gòu)或垂直結(jié)構(gòu)，但不限于此。
[0032]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件為GaN基LED芯片。
[0033]—種制造所述紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，包括:
[0034]在襯底上生長外延結(jié)構(gòu)層；
[0035]對于所述外延結(jié)構(gòu)層進(jìn)行加工，并在η型層上形成η型電極，在ρ型層上形成石墨烯-Ag納米復(fù)合層，且使石墨烯-Ag納米復(fù)合層與ρ型層形成歐姆接觸；
[0036]以及，在石墨烯-Ag納米復(fù)合層上形成導(dǎo)電反射層，之后在導(dǎo)電反射層上制作P型電極。
[0037]在一較為具體的實(shí)施方案之中，一種GaN基紫外LED芯片的制造方法可以包括以下步驟:
[0038]首先，在襯底上利用MOCVD工藝，生長包括緩沖層、η型層、多量子阱層、P型接觸層在內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)層。
[0039]然后，將獲得的外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、金屬層沉積等系列工藝步驟，在LED芯片上形成η型電極，在ρ型層上制作石墨稀-Ag納米復(fù)合層，在石墨稀-Ag納米復(fù)合層上沉積導(dǎo)電反射層Al或Al與中間層形成的組合結(jié)構(gòu)層，在導(dǎo)電反射層上制作ρ型電極，以及，將外延片進(jìn)行減薄、裂片，形成芯片。
[0040]進(jìn)一步，η、ρ型電極可以通過凸點(diǎn)、焊料、導(dǎo)電膠或金屬焊線與外部電性連接。
[0041]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0042](I)通過采用倒裝或垂直結(jié)構(gòu)，有效降低本實(shí)用新型紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的熱阻及其工作時的結(jié)溫，提高器件光效和可靠性；
[0043](2)采用金屬作為導(dǎo)電反射層，可有效克服透明導(dǎo)電層面電阻較大的缺點(diǎn)，使電流由電極向有源區(qū)擴(kuò)散時更加均勻，改善電流的擴(kuò)展；
[0044](3)通過在P型層上的石墨烯-Ag納米復(fù)合層，并結(jié)合導(dǎo)電反射層，使之同時具有低的歐姆接觸電阻和在紫外波段高的反射率；同時因石墨烯的存在，復(fù)合結(jié)構(gòu)與反射層之間的互擴(kuò)散受到抑制，提高了器件的接觸、反射性能及可靠性，從而使形成的紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件具有外部量子效率高、出光效率高、開啟電壓低、散熱性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；
[0045](4)本實(shí)用新型紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備工藝簡單可控，成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0046]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1中一種GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例2中一種GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例3中一種GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例4中一種GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖和若干具體實(shí)施案例對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0051]實(shí)施例1參照圖1，該GaN基紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)由下往上依次為:藍(lán)寶石襯底101，外延層包括AlN緩沖層102、n-AlGaN層103、n_AlGaN電子擴(kuò)展層104、多量子阱層105、AlGaN電子阻擋層106、p-AlGaN層107，以及石墨烯薄膜覆蓋Ag納米點(diǎn)層108 (其中Ag納米點(diǎn)層108a，石墨稀薄膜層108b)、導(dǎo)電反射層109、η型電極110、ρ型電極111。
[0052]以下詳細(xì)說明該GaN基紫外LED芯片的制造步驟，其包括:
[0053]步驟S1:在藍(lán)寶石襯底上，利用MOCVD工藝，依次生長外延層，外延層依次包括厚約2.0 μ m的GaN緩沖層、厚約2.0 μ m的n-AlGaN層、厚約200nm的n-AlGaN電子擴(kuò)展層、厚約10nm的InGaN/AlGaN多量子阱層、厚約20nm的AlGaN電子阻擋層、厚約0.1 μπι厚的P-AlGaN接觸層；
[0054]步驟S2:在生長有外延層的襯底(晶圓)上，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；
[0055]步驟S3:通過光刻、電子束蒸發(fā)、剝離、退火工藝，在n-AlGaN臺面上形成Ti (厚約50nm) /Al (厚約300nm)歐姆接觸；
[0056]步驟S4:在p-AlGaN層上用電子束蒸發(fā)的方法沉積薄層Ag (Ag厚度Inm?200nm，優(yōu)選30_)，在隊氣氛中300?500°C (優(yōu)選400°C)條件下退火1s?30min (優(yōu)選lmin)形成Ag納米點(diǎn)，其平均粒徑大小約為250nm ；
[0057]步驟S5:在銅箔上用CVD法制備石墨烯，旋涂厚約1.5 μ m的PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蝕銅箔襯底，待腐蝕徹底后，用去離子水將腐蝕形成的PMMA/石墨烯薄膜清洗干凈，再將PMMA/石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至經(jīng)步驟S4處理后的外延片表面上；
[0058]步驟S6:用熱丙酮溶液除去PMMA，然后進(jìn)行清洗，再通過光刻和氧等離子體刻蝕實(shí)現(xiàn)石墨稀薄膜的圖形化(參考文獻(xiàn)〃Large-scale patterned mult1-layer graphenefilms as transparent conducting electro