CN106129208A - 紫外发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外发光二极管芯片，包括主要由衬底、n‑AlGaN层、多量子阱层、p‑AlGaN层、p‑GaN层组成的外延层，p电极和n电极，其特征在于：所述p‑AlGaN上的p‑GaN层被部分刻蚀形成具有多个小岛或者开孔的浅台面；p‑GaN浅台面上设有金属点，并与石墨烯形成局部欧姆接触。相对于现在的技术，本发明所述的技术方案通过石墨烯作为扩散层，提高了电子的迁移，提高了电流分布的均匀性；通过金属点接触，降低接触电阻，提高发光效率；通过刻蚀GaN层，减少紫外波段的吸收，提高整体紫外出光率。

Description

紫外发光二极管芯片及其制造方法

技术领域

本发明属于发光器件的制造领域，涉及一种具有p-GaN刻蚀台阶结构和金属点-石墨烯复合结构p欧姆接触的紫外发光二极管芯片。

背景技术

ITO因其高透光率和低表面电阻，被广泛运用于透明导电材料之中。但是ITO本身对于酸性环境敏感、易碎，在酸和碱存在时，容易出现离子扩散，它的使用对制造工厂环境和人体健康造成危害，同时，离子扩散到器件聚合物绝缘层中，造成光学性能下降，甚至漏电导致器件损坏。更重要的是ITO对紫外波段的光有较强烈的吸收，所以，寻找和取代ITO性能的材料和制作深紫外器件成为一个极为迫切的需求。

针对上述问题，已有报道在紫外LED器件中采用石墨烯复合结构作为透明导电电极。石墨烯具有高电子迁移率，以及极好的透光性，尤其在紫外波段表现良好。(Kim，D.H.，et al.，Current Applied Physics 14：1176-1180(2014)；Seo，T.H.，et al.，AppliedPhysics Letters 103，051105(2013))。

AlGaN是深紫外发光器件的主要材料，AlGaN具有较宽的能带宽度，很好地符合了紫外波段的发光需求。但是正是因为AlGaN禁带宽度较宽，p型掺杂能级较深，空穴浓度低，欧姆接触较难制备。与p-AlGaN相比，p-GaN禁带宽度较窄，欧姆接触相对容易制备，因此石墨烯复合结构和GaN有较好的欧姆接触。采用石墨烯和GaN材料制作的发光器件有较广的应用前景。

但是，GaN的吸收边对应波长为365nm，对于波长低于365nm的紫外波段光吸收强烈。利用GaN制作的短波长紫外发光器件会存在出光效率较低的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种具有高紫外波段透光率、低接触电阻的p型欧姆接触的紫外发光二极管芯片。

同时，本发明还提供了所述紫外发光二极管芯片的制作方法。

为实现以上目的，本发明采用的方案如下：

一种紫外半导体发光芯片，包括主要由衬底、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层组成的外延层，p电极和n电极，所述p-AlGaN层上p-GaN层被部分刻蚀形成具有多个小岛或者开孔的浅台面；p-GaN浅台面上设有金属点，在金属点上设有石墨烯层，形成局部欧姆接触，构成p电极或p电极的一部分；

具体的，所述芯片为正装结构、垂直或倒装结构，所述金属点与石墨烯共同形成透明导电的p欧姆接触电极，在其上还设有p焊盘；

或者，所述芯片为垂直或者倒装结构，所述金属点和石墨烯层上设置有反射层，共同构成高反射p欧姆接触电极；

进一步，所述反射层为Al或者Ni/Al；

优选的，所述石墨烯层为单层石墨烯或2-50层的多层石墨烯。

优选的，所述金属点直径在1nm～109μm。

优选的，所述金属点占空比在1％～50％。

进一步，所述金属点为随机分布，或者金属点呈点阵分布，或者按照金属点呈网格状分布。

优选的，所述金属为Ag，Ni，或者Ni/Ag，或者Ni/Au。

一种发光器件的制造方法，包括以下步骤：

在衬底上依次生长AlN或AlGaN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层组成的外延层；

通过蒸发或溅射方法在p-GaN上沉积金属层，并通过退火的方法在p-GaN层上表面形成金属点，或者用光刻方法形成金属点阵或网格，然后以该金属层上作为掩膜刻蚀p-GaN，得到权利要求1中所述的p-GaN浅台面，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深；

将石墨烯层转移到芯片表面并和金属点接触。

相对于现在的技术，本发明所述的技术方案通过通过金属点与p-GaN欧姆接触，降低接触电阻；并且GaN层的部分至p-AlGaN，以及通过金属点的局部覆盖，减少p-GaN和金属点对紫外波段的吸收；通过石墨烯作为透明电流扩散层，提高了电流分布的均匀性和降低了电极吸收，同时石墨烯具有较好的阻挡性，有利于提高器件可靠性。。

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。

附图说明

图1是本发明紫外发光二极管芯片实施例1的剖面结构示意图；

图2是本发明紫外发光二极管芯片实施例2的剖面结构示意图；

图3是本发明紫外发光二极管芯片金属表面阵列结构示意图；

图4是本发明紫外发光二极管芯片金属表面网格结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和若干具体实施案例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，一种紫外发光二极管芯片，其发光部分包括衬底100上外延生长的AlN缓冲层101、n-AlGaN层102、多量子阱层104、p-AlGaN层105和p-GaN层106。为了降低p-GaN对紫外光的吸收，p-GaN层106部分被刻蚀形成台面，台面下表面为p-AlGaN层105。被刻蚀的p-GaN层106在p-AlGaN层105表面形成随机的分布，金属点107与p-GaN层106表面接触。石墨烯层108覆盖于金属点107表面，成为电流扩展层，并且与金属点107共同形成p-GaN的欧姆接触。

p型电极109覆盖在石墨烯上，石墨烯上有开孔，从而使p型电极109的金属层直接与p-AlGaN层接触，增强电极的粘附性。电流从p电极109通过石墨烯层108的电流扩展作用，横向扩展开并通过金属点107和p-GaN层，纵向注入到器件中。n型电极103和n-AlGaN层102形成欧姆接触。

为了更好的理解本发明所述的发光器件，以下详细描述该发光器件的一种优选的制作方法。

步骤1：生长外延层：在衬底100上依次生长AlN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层；

步骤2：刻蚀形成n接触孔：刻蚀p-GaN的外延层106，形成至少一个刻蚀孔，直至所述刻蚀孔露出底部n-AlGaN层102；

步骤3：制作p欧姆接触：

3-a、通过蒸发或溅射、结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p-GaN上沉积金属薄膜并形成图形，并通过退火的方法在p-GaN层上表面形成金属点，然后在该金属点上进行刻蚀，得到权利要求1中所述的开孔p-GaN层，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深；

3-b、利用PMMA化学转移的方法将石墨烯层108转移到芯片表面并覆盖金属点107；

3-c、用光刻、刻蚀方法将石墨烯层108图形化，石墨烯仅覆盖p极性半导体区域，且在石墨烯上p电极焊盘位置开孔；

步骤4：制作p、n电极：通过蒸发或溅射，结合光刻、腐蚀或剥离方法，在n接触孔的n-AlGaN层102上形成n金属接触电极103和p电极109；

完成以上步骤后，在晶圆上即形成多个紫外发光二极管芯片单元，通过后续的晶圆减薄、切割即可分离出单个的紫外发光二极管芯片。

实施例2：

如图2所示，一种紫外发光二极管芯片，其发光部分包括衬底100上外延生长的AlN缓冲层101，n-AlGaN层102、多量子阱层104、p-AlGaN层105和p-GaN层106。为了降低p-GaN对紫外光的吸收，p-GaN层106部分被刻蚀形成台面，台面下表面为p-AlGaN层105。被刻蚀的p-GaN层106在p-AlGaN层105表面形成随机的分布，金属点107与p-GaN层106表面接触。石墨烯层108覆盖于金属点107表面，成为电流扩展层以及金属扩散阻挡层，并且与金属点107共同形成p-GaN的欧姆接触。

反射金属层(Al、Ti/Al或者Ni/Al)200覆盖在石墨烯上，石墨烯上有开孔，从而使反射金属层200与n-AlGaN层接触，增强整个电极的粘附性。n型电极103和n-AlGaN层102形成欧姆接触。反射层200和n电极103上进一步设置有凸点下金属层202，通过凸点201和基板203连接

为了更好的理解本发明所述的发光器件，以下详细描述该发光器件的一种优选的制作方法。

步骤1：生长外延层：在衬底100上依次生长AlN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层；

步骤2：刻蚀形成n接触孔：刻蚀p-GaN的外延层106，形成至少一个刻蚀孔，直至所述刻蚀孔露出底部n-AlGaN层102；

步骤3：制作p欧姆接触与反射层：

3-a、通过蒸发或溅射、结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p-GaN上沉积金属薄膜并形成图形，并通过退火的方法在p-GaN层上表面形成金属点，然后在该金属点上进行刻蚀，得到权利要求1中所述的开孔p-GaN层，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深；

3-b、利用PMMA化学转移的方法将石墨烯层108转移到芯片表面并覆盖金属点107；

3-c、用光刻、刻蚀方法将石墨烯层108图形化，石墨烯仅覆盖p极性半导体区域，且在石墨烯上部分位置开孔；

3-d、在p区石墨烯层上蒸发或溅射Al(或Ti/Al、Ni/Al)制作反射层200；

步骤4：制作n电极：通过蒸发或溅射，结合光刻、腐蚀或剥离方法，在n接触孔的n-AlGaN层102上形成n金属接触电极103；

步骤5：制作凸点下金属层：通过蒸发或溅射，结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p电极109和p区反射层上形成凸点下金属层202；

完成以上步骤后，在晶圆上即形成多个倒装紫外发光二极管芯片单元，通过后续的晶圆减薄、切割即可分离出单个的倒装紫外发光二极管芯片；进一步，该芯片可以通过凸点201与基板倒装键合。

实施例3：

本实施例芯片结构与实施例1的区别在于，实施例1中的金属点107为退火结球形成的，为随机分布，并作为刻蚀掩膜覆盖在p-GaN层106上，对应在实施例3中的p-GaN表面的金属为故意形成的以图3点阵状分布，并作为刻蚀掩膜层覆盖在p-GaN层106上，从而使p-GaN层106的形状也为点阵状分布。

实施例3的制作方法与实施例1制作方法的差别仅在于其步骤3-a细节不同，具体如下：

步骤3-a、通过蒸发或溅射、结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p-GaN上沉积金属薄膜并形成点阵状图形300，然后在以此金属薄膜为掩膜进行刻蚀，得到权利要求1中所述的开孔p-GaN层，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深。

实施例4：

本实施例芯片结构与实施例1的区别在于，实施例1中的金属点107为一大片金属退火结球形成的，为随机分布，且铺满整个大的区域，并作为刻蚀掩膜覆盖在p-GaN层106上，对应在实施例4中的金属点107为网格状金属退火结球形成的，网格内为随机分布，网格外没有金属点，金属点作为刻蚀掩膜覆盖在p-GaN层106上，从而使p-GaN层106的形状也为点阵状分布。

实施例3的制作方法与实施例1制作方法的差别仅在于其步骤3-a细节不同，具体如下：

步骤3-a、通过蒸发或溅射、结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p-GaN上沉积金属薄膜并形成网格状图形400，并通过退火的方法使p-GaN层上网格内金属层表面形成金属点，然后在该金属点上进行刻蚀，得到权利要求1中所述的开孔p-GaN层，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种紫外半导体发光芯片，包括主要由衬底、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层组成的外延层，p电极和n电极，其特征在于：

所述p-AlGaN层上的p-GaN层被部分刻蚀形成具有多个小岛或者开孔的浅台面；

p-GaN浅台面上设有金属点，在金属点上设有石墨烯层，形成局部欧姆接触，构成p电极或p电极的一部分。

2.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述芯片为正装结构、垂直或倒装结构，所述金属点与石墨烯共同形成透明导电的p欧姆接触电极，在其上还设有p焊盘。

3.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述芯片为垂直或者倒装结构，所述金属点和石墨烯层上设置有反射层，共同构成高反射p欧姆接触电极。

4.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述石墨烯层为单层石墨烯或2-50层的多层石墨烯。

5.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述金属点直径在1nm～109μm。

6.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述金属点占空比在1％～50％。

7.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述金属点为随机分布，或者金属层为点阵分布，或者按照金属层为网格状分布。

8.根据权利要求1所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述金属为Ag，Ni，或者Ni/Ag，或者Ni/Au。

9.根据权利要求3所述的紫外半导体发光芯片，其特征在于：所述反射层为Al，Ti/Al或者Ni/Al。

10.一种紫外半导体发光芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上依次生长AlN或AlGaN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层、p-GaN层组成的外延层；

通过蒸发或溅射方法在p-GaN上沉积金属层，并通过退火的方法在p-GaN层上表面形成金属点，或者用光刻方法形成金属点阵或网格，然后以该金属层上作为掩膜刻蚀p-GaN，得到权利要求1中所述的p-GaN浅台面，开孔深度恰好至p-AlGaN层或略深；

将石墨烯层转移到芯片表面并和金属点接触。