CN113345989A - 一种面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片。该二极管芯片沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、n型电子注入层，所述的n型电子注入层为二级台阶结构，第二级台阶沿外延生长方向依次为多量子阱层、p型电子阻挡层、第一p型空穴注入层；所述的第一p型空穴注入层为另一个二级台阶结构，其第二级台阶上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层、第二p型空穴注入层、p型重掺杂空穴注入层、电流扩展层；电流扩展层上设置有p型欧姆电极，n型电子注入层的暴露部分上设置有n型欧姆电极。本发明提升了器件的光效和器件的响应速度，满足了高速数据传输的需要。
Description
技术领域
本发明涉及Micro LED发光技术领域，具体地说涉及到了一种面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode)相比于传统光源具有能耗低、体积小、使用寿命长、显示色域广、环保等优点。目前被广泛应用于照明、显示、医学、军事、生物化学检测等领域。随着LED器件尺寸的逐渐缩小，Micro LED作为新一代的显示技术正受到广泛的关注和研究。相比于当前应用于显示领域的LCD(liquid crystal display)和OLED(organiclight-emitting diode)技术,Micro LED具有光电转化效率高、能耗更低、响应速度快等优势，且Micro LED能够有效规避OLED半导体材料在高温下易发生分解的缺陷，从而提升了器件的使用寿命。不仅在显示领域，由于Micro LED具有较高的响应速度，其在可见光通讯(visible light communication,VLC)中的应用也被给予了较高的期望并于近期得到了显著的发展。
然而，目前VLC技术的应用仍受到一定的限制。例如，室内VLC设备在进行信息交换的同时还需对室内进行照明，这样就对建立有效的上行链路造成了困难；另外，包括荧光灯在内的自然光源和人造光源也会产生干扰，并可能导致接收器饱和。为规避以上VLC技术存在的缺陷，紫外光通讯(ultraviolet-based communication)技术应运而生。这主要是因为大气对波长为200～300nm的紫外光具有强烈的吸收作用，这一波段称为日盲区，采用这一波段进行紫外光通讯能够有效避免自然光源和人造光源的干扰，同时紫外光通讯还具有安全性能高、保密性好等优点。Micro LED作为一种可实现高速响应的紫外通讯发射设备引起了相关研究者的广泛兴趣。Micro LED器件能够有效地提升电流扩展效应、降低结温并提高光提取率；尽管优势显著，然而目前急需解决主要问题之一是在较小尺寸的Micro LED器件中，由侧壁缺陷引起的Shockley-Read-Hall(SRH)非辐射复合会对器件的光功率和外量子效率(EQE)产生严重的影响。相关研究机构已提出诸如通过原子层沉积(ALD)生长钝化层、化学腐蚀去除表面缺陷等方法来降低侧壁缺陷对器件性能的影响。着眼于侧壁缺陷处理层面，以上方法有助于提升Micro LED的发光效率，如果将上述方法与器件架构设计与制备相结合，则有望进一步抑制Micro LED的侧壁非辐射复合，提高发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片及其制备方法。该器件通过在Micro紫外LED芯片的p型空穴注入层中插入一层p型空穴加速层，所形成的p型空穴注入层/p型空穴加速层结构将构成空穴加速器，在极化效应作用下，内部所产生的极化电场能够增加空穴在沿电流输运方向的速度分量，减缓空穴在器件内部的横向输运，对空穴注入有源区起到促进作用。为减缓器件有源区因侧壁刻蚀引起非辐射复合效应，对本器件进行了二次刻蚀，刻蚀深度将延伸至介于p型电子阻挡层和p型空穴加速层之间的p型空穴注入层中。本发明所述的Micro紫外LED芯片在促进空穴注入的同时，减缓了侧壁刻蚀引起的非辐射复合效应，从而提升了器件的光效和器件的响应速度，满足了高速数据传输的需要。
本发明解决该技术问题所提出的技术方案是：
一种面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，该二极管芯片沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、n型电子注入层，所述的n型电子注入层为二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分；凸起的为非暴露部分，即n型电子注入层的第二级台阶，其上沿外延生长方向依次为多量子阱层、p型电子阻挡层、第一p型空穴注入层；所述的第一p型空穴注入层为另一个二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分；其第二级台阶上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层、第二p型空穴注入层、p型重掺杂空穴注入层、电流扩展层；电流扩展层上设置有p型欧姆电极，n型电子注入层的暴露部分上设置有n型欧姆电极；
所述的n型电子注入层的一级台阶厚度为n型电子注入层总厚度的1～99％；
所述的n型电子注入层中暴露部分面积为总面积的5～99％；
所述的第一p型空穴注入层的一级台阶的厚度为第一p型空穴注入层总厚度的1～99％；
所述的第一p型空穴注入层中凸起的第二级台阶的面积为第一p型空穴注入层总面积的5～99％；
所述衬底材料为蓝宝石、石英玻璃、SiC、AlN、GaN或Si；根据外延生长方向的不同，衬底可分为非极性面[1-100]衬底、半极性面[11-22]衬底或极性面[0001]衬底。
所述缓冲层材料为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x1≤1,0≤y1≤1，0≤1-x1-y1≤1，厚度为1～5μm。
所述n型电子注入层材料为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x2≤1,0≤y2≤1，0≤1-x2-y2≤1，厚度为1～5μm；所述暴露部分占n型电子注入层总面积的5～99％，厚度为0.01～4.95μm。
所述多量子阱层材料为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x3≤1,0≤y3≤1，0≤1-x3-y3≤1，0≤x4≤1,0≤y4≤1，0≤1-x4-y4≤1，量子垒Alx4Iny4Ga1-x4-y4N位于量子阱Alx3Iny3Ga1-x3-y3N两侧，量子阱的个数大于等于1，且应满足量子垒材料的禁带宽度大于量子阱材料的禁带宽度；单层量子阱厚度为1～10nm，单层量子垒厚度为5～50nm。
所述p型电子阻挡层材料为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤1-x5-y5≤1，厚度为10～100nm。
所述的第一p型空穴注入层和第二p型空穴注入层的材料为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x6≤1，0≤y6≤1，0≤1-x6-y6≤1，厚度为50～300nm；
所述的p型空穴加速层材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x7≤1，0≤y7≤1，0≤1-x7-y7≤1，厚度为1～10nm，且应满足p型空穴加速层材料的禁带宽度大于p型空穴注入层材料的禁带宽度。
所述p型重掺杂空穴注入层材料为Alx8Iny8Ga1-x8-y8N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x8≤1，0≤y8≤1，0≤1-x8-y8≤1，厚度为10～100nm。
所述电流扩展层材料为铝、Ni/Au、ITO、石墨烯、氧化锌或金属纳米线，厚度为10～500nm。
所述p型欧姆电极的材质为Cr/Au、Pt/Au、Ni/Au或Ni/Al，其中p型欧姆电极面积占电流扩展层面积百分比为1～100％。
所述n型欧姆电极的材质为Al/Au、Cr/Au、V/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，其中n型欧姆电极占暴露的n型电子注入层面积百分比为1～100％。
所述的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将衬底在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)或MBE(分子束外延)反应炉中进行烘烤，烘烤温度范围为900～1500℃，清除衬底表面异物；
第二步，在MOCVD或MBE反应炉中，在进行第一步处理后的衬底表面外延生长缓冲层；
第三步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第二步得到的缓冲层表面外延生长n型电子注入层；
第四步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第三步得到的n型电子注入层表面外延生长多量子阱层；
第五步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第四步得到的多量子阱层表面外延生长p型电子阻挡层；
第六步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第五步得到的p型电子阻挡层表面外延生长第一p型空穴注入层；继续在所得第一p型空穴注入层上外延生长p型空穴加速层；且p型空穴加速层材料的禁带宽度大于p型空穴注入层材料的禁带宽度；
第七步，在MOCVD或MBE反应炉中，在p型空穴加速层表面外延生长第二p型空穴注入层；
第八步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第七步得到的第二p型空穴注入层表面外延生长p型重掺杂空穴注入层；
第九步，在第八步得到的p型重掺杂空穴注入层上，利用光刻工艺在其表面刻出第二级台阶图形，随后利用干法刻蚀工艺刻蚀出台阶，并暴露出n型电子注入层；
第十步，在第九步得到的第二级台阶表面上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第三级台阶，并暴露出第一p型空穴注入层；
第十一步，在第八步得到的p型重掺杂空穴注入层上，利用光刻和蒸镀工艺制作电流扩展层。
第十二步，在电流扩展层和n型电子注入层上，分别利用光刻和蒸镀工艺分别制作p型欧姆电极和n型欧姆电极。
最终得到面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片。
上述面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，制备过程中所需的原材料均可通过一般途径获得，其中制备方法和操作工艺是本领域中专业人员普遍具备的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下突出特点和显著进步：
(1)本发明中的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管，将p型空穴加速层嵌入到p型空穴注入层中，在器件内部形成“p型空穴注入层/p型空穴加速层结构”的空穴加速器。在Micro紫外发光二极管处于正向偏置时，在极化效应的作用下，p型空穴注入层/p型空穴加速层界面产生极化诱导面电荷，在p型空穴注入层中形成的极化电场将对空穴起到纵向加速作用，并促进空穴注入。与标准Micro紫外发光二极管相比，本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管量子阱的空穴浓度提升了18.6％。量子阱内空穴浓度的提高，使器件的光功率密度提升了9.69％(注入电流密度为30A/cm2)；另外，空穴的注入能够有效提高量子阱中电子和空穴波函数的重叠率，降低载流子寿命，大幅度提升器件频率响应性能。与标准Micro紫外发光二极管相比，本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管的3dB带宽频率提升幅度为14.1％。
(2)本发明中的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管具有二级台阶结构，在第一级台阶上设置了第二级台阶。这使得第一p型空穴注入层以上部分的第二级台阶投影面积小于多量子阱层的投影面积，在空穴注入的垂直路径上有效规避了存在于多量子阱层侧壁的缺陷，有效避免了非辐射复合对器件效率造成的严重影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作近一步的说明。
图1为现有技术中标准Micro紫外发光二极管结构示意图；
图2为本发明中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管结构示意图；
图3为本发明中，在p型重掺杂空穴注入层表面，通过光刻和刻蚀工艺制作出第二级台阶，暴露n型电子注入层的结构示意图；
图4为本发明中，在暴露出n型电子注入层后，再次利用光刻和刻蚀工艺在p型重掺杂空穴注入层表面刻出第三级台阶图形，并暴露出第一p型空穴注入层的结构示意图；
图5为实施例1中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片俯视图；
图6为实施例1中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管空穴加速器中电场强度与标准Micro紫外发光二极管p型空穴注入层中电场强度对比图；
图7为实施例1中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管量子阱中空穴浓度与标准Micro紫外发光二极管量子阱中空穴浓度对比图；
图8为实施例1中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管与标准Micro紫外发光二极管光功率密度对比图；
图9为实施例1中，面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管与标准Micro紫外发光二极管光频率响应对比图；
其中，101-衬底；102-缓冲层；103-n型电子注入层；104-n型欧姆电极；105-多量子阱层；106-p型电子阻挡层；107-第一p型空穴注入层；108-p型空穴加速层；109-第二p型空穴注入层；110-p型重掺杂空穴注入层；111-电流扩展层；112-p型欧姆电极；113-空穴加速器；。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
图1所示实施例表明，现有技术中标准Micro紫外发光二极管的外延结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103、多量子阱层105、p型电子阻挡层106、第一p型空穴注入层107、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111、n型欧姆电极104和p型欧姆电极112。
图2所示实施例表明，本发明中面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管外延结构，其沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103，所述的n型电子注入层103为二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分，暴露面积为总面积的5～99％，非暴露部分，即n型电子注入层103的第二级台阶沿外延生长方向依次为多量子阱层105、p型电子阻挡层106、第一p型空穴注入层107；所述的第一p型空穴注入层107为另一个二级台阶结构，其第二级台阶(其面积为第一p型空穴注入层107总面积的5～99％)上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层108、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111；电流扩展层111上设置有p型欧姆电极112(p型欧姆电极112面积为电流扩展层111面积的1～100％)，n型电子注入层103的暴露部分上设置有n型欧姆电极104；(104的面积是103暴露部分面积的1～100％)
所述的n型电子注入层103的一级台阶厚度为n型电子注入层103总厚度的1～100％；
所述的第一p型空穴注入层107的一级台阶的厚度为第一p型空穴注入层107总厚度的1～100％；
图3所示实施例表明，在本发明的制作方法中，利用光刻工艺在p型重掺杂空穴注入层110表面刻出台阶图形，随后利用干法刻蚀工艺刻蚀出台阶，暴露出n型电子注入层103的外延结构。其沿着生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103、多量子阱层105、p型电子阻挡层106、空穴加速器113、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111。其中空穴加速器113包括第一p型空穴注入层107和p型空穴加速层108。
图4所示实施例表明，在本发明的制作方法中，在暴露出n型电子注入层103后，再次利用光刻工艺在其表面刻出第三级台阶图形，随后利用干法刻蚀工艺刻蚀出第三级台阶，并暴露出第一p型空穴注入层107的外延结构。其沿着生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103、多量子阱层105、p型电子阻挡层106、空穴加速器113、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111。其中空穴加速器113包括第一p型空穴注入层107和p型空穴加速层108。
图5为图4所示实施例器件的全面俯视图(包括图4左侧未体现部分)；标注的第一级台阶为n型电子注入层103的暴露部分；标注的第二级台阶为n型电子注入层的凸起部分，及其上部的多量子阱层105、p型电子阻挡层106和第一p型空穴注入层107的暴露部分；标注的第三级台阶为第一p型空穴注入层107的凸起部分，以及其上部的p型空穴加速层108、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111。
第一p型空穴注入层107中，由于第三级台阶的投影面积小于第二级台阶的投影面积，两级台阶的设计能够使空穴在垂直注入路径上有效规避存在于多量子阱层的侧壁缺陷，降低器件内部的非辐射复合，提升器件性能。
图6所示曲线表明，在实施例1中由于使用了空穴加速器结构，在p型空穴注入层中嵌入p型空穴加速层108后，受两种材料间极化效应的影响，在这一区域展现出了与标准Micro紫外发光二极管所不同的电场。对图6所示区域内电场，利用公式
分别对标准Micro紫外发光二极管p型空穴注入层中电场(实线所示)和本发明中面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管空穴加速器中电场(虚线所示)对空穴的做功进行计算，所得到的做功值分别为0.063eV和0.078eV。该结果表明，相比于标准Micro紫外发光二极管，空穴加速器113可以对空穴做更多的正功，使得空穴在到达p型电子阻挡层106之前能够获得更多的动能，则有更多的空穴越过势垒，被注入到多量子阱层105中。
实施例1
本实施例的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103；所述的n型电子注入层103为二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分；非暴露部分，即n型电子注入层103的第二级台阶沿外延生长方向依次为多量子阱层105、p型电子阻挡层106、第一p型空穴注入层107；所述的第一p型空穴注入层107为另一个二级台阶结构，其第二级台阶上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层108、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111；电流扩展层111上设置有p型欧姆电极112，n型电子注入层103的暴露部分上设置有n型欧姆电极104；
其中，衬底101的材料为蓝宝石，外延生长方向沿着[0001]方向；缓冲层102的材料为AlN，厚度为2μm；n型电子注入层103材料为Al0.60Ga0.40N，总厚度为3μm；其第一级台阶厚度为2μm，第二级台阶的投影面积是第一级台阶投影面积的70％；多量子阱层105的结构为：5个周期的Al0.42Ga0.58N/Al0.54Ga0.46N层，量子垒和量子阱间隔分布，且量子垒位于量子阱两侧；其中，单层量子阱层和量子垒层的厚度分别为3nm和12nm；p型电子阻挡层106的材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为25nm；空穴加速器113包括第一p型空穴注入层107和p型空穴加速层108，其中第一p型空穴注入层107的材料为Al0.40Ga0.60N，厚度为100nm。其第一级台阶厚度为50nm，第二级台阶的投影面积是第一级台阶投影面积的85％；p型空穴加速层108的材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为3nm；第二p型空穴注入层109的材料为Al0.40Ga0.60N，厚度为100nm；p型重掺杂空穴注入层110的材料为GaN，厚度为40nm；电流扩展层111的材料为ITO，厚度为10nm；n型欧姆电极104的材料为Cr/Au，占n型电子注入层103暴露部分的面积比例为50％；p型欧姆电极112的材料为Ni/Au，占电流扩展层111面积比例为85％。
上述面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片的具体制备步骤如下：
第一步，将衬底101在MOCVD反应炉中进行烘烤，烘烤温度为1200℃，清除衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在进行第一步处理后的衬底101表面外延生长厚度为2μm的缓冲层102，生长温度为1050℃，生长气压为400mbar，缓冲层能够起到将生长缺陷过滤和释放晶格失配产生的应力的作用；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102表面外延生长厚度为3μm的n型电子注入层103，生长温度为1050℃，生长气压为400mbar；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的n型电子注入层103表面外延生长多量子阱层105。单层量子阱Al0.42Ga0.58N厚度为3nm，单层量子垒Al0.54Ga0.56N厚度为12nm，且量子垒的禁带宽度大于量子阱的禁带宽度，多量子阱生长周期为5，生长温度为1010℃，生长气压为430mbar；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层105表面外延生长厚度为25nm的p型电子阻挡层106，生长温度为1050℃，生长气压为150mbar；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p型电子阻挡层106表面外延生长厚度为100nm的第一p型空穴注入层107，生长温度为1020℃，生长气压为350mbar；继续在所得第一p型空穴注入层107上外延生长厚度为3nm的p型空穴加速层108，生长温度为1020℃，生长气压为350mbar。至此，结构为第一p型空穴注入层/p型空穴加速层的空穴加速器113外延生长完成；
第七步，在MOCVD反应炉中，在第六步得到的空穴加速器113表面外延生长厚度为100nm的第二p型空穴注入层109；并继续外延生长厚度为40nm的p型重掺杂空穴注入层110，生长温度为1020℃，生长气压为350mbar；
第八步，在第七步得到的p型重掺杂空穴注入层110上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第二级台阶，并暴露出n型电子注入层103；
第九步，在第八步得到的台阶表面上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第三级台阶，并暴露出第一p型空穴注入层107；
第十步，在p型重掺杂空穴注入层110上，利用光刻和蒸镀工艺制作厚度为10nm的电流扩展层111。
第十一步，在电流扩展层111和n型电子注入层103上，利用光刻和蒸镀工艺分别制作p型欧姆电极112和n型欧姆电极104。
至此本发明中面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片制备完成。如图5所示，由于本实施例的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管使用了空穴加速器结构，经计算得到的该区域内电场对空穴做功为0.087eV，多于标准Micro紫外发光二极管p型空穴注入层中电场对空穴做功值0.063eV。这使得空穴获得了更多的动能，与标准Micro紫外发光二极管量子阱中空穴浓度相比，有更多的空穴注入到了本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管的多量子阱层中(如图6所示)。空穴加速器使空穴注入率提升了32.6％。
图7所示曲线表明，在实施例1中空穴在经过空穴加速器113的加速后，获得了更多的动能。与标准Micro紫外发光二极管量子阱中空穴浓度相比(实线所示)，有更多的空穴注入到了本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管的多量子阱层105中(虚线所示)。空穴加速器使空穴注入率提升了18.6％。
图8所示曲线表明，由于本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管量子阱中空穴浓度的提升，其辐射复合率也得到了提高，如虚线所示，在不同注入电流密度下其光功率密度也相应得到了提高。在注入电流密度为30A/cm2下，本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管和标准Micro紫外发光二极管的光功率密度分别为38.5W/cm2和35.1W/cm2，提升了9.69％。
图9所示曲线表明，本发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管和标准Micro紫外发光二极管的3dB带宽频率分别为397MHz和348MHz，提升幅度为14.1％。由于实施例1量子阱中空穴浓度的提高、辐射复合率的提升，导致空穴的寿命降低，因此提升了器件的带宽频率。另外，由于空穴加速器113的引入，加速电场使空穴动能提高，大幅提升了空穴的注入和扫出速度，其在器件中的输运时间得到了大幅的降低，提高了发明面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管的3dB带宽频率。
实施例2
本实施例的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、n型电子注入层103；所述的n型电子注入层103为二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分；非暴露部分，即n型电子注入层103的第二级台阶沿外延生长方向依次为多量子阱层105、p型电子阻挡层106、第一p型空穴注入层107；所述的第一p型空穴注入层107为另一个二级台阶结构，其第二级台阶上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层108、第二p型空穴注入层109、p型重掺杂空穴注入层110、电流扩展层111；电流扩展层111上设置有p型欧姆电极112，n型电子注入层103的暴露部分上设置有n型欧姆电极104；其中，衬底101的材料为蓝宝石，外延生长方向沿着[0001]方向；缓冲层102的材料为AlN，厚度为2.5μm；n型电子注入层103材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为4μm。其第一级台阶厚度为3μm，第二级台阶的投影面积是第一级台阶投影面积的75％；多量子阱层105的结构为：5个周期的Al0.44Ga0.56N/Al0.53Ga0.47N层，其中量子阱层和量子垒层的厚度分别为4nm和15nm；p型电子阻挡层106的材料为Al0.60Ga0.40N，厚度为20nm；空穴加速器113包括第一p型空穴注入层107和p型空穴加速层108，其中第一p型空穴注入层107的材料为Al0.43Ga0.57N，厚度为80nm。其第一级台阶厚度为40nm，第二级台阶的投影面积是第一级台阶投影面积的80％；p型空穴加速层108的材料为Al0.58Ga0.42N，厚度为2nm；第二p型空穴注入层109的材料为Al0.43Ga0.57N，厚度为80nm；p型重掺杂空穴注入层110的材料为GaN，厚度为50nm；电流扩展层111的材料为石墨烯，厚度为15nm；n型欧姆电极104的材料为Al/Au，占n型电子注入层103暴露部分的面积比例为60％；p型欧姆电极112的材料为Pt/Au，占电流扩展层111面积比例为90％。
上述面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片的具体制备步骤如下：
第一步，将衬底101在MOCVD反应炉中进行烘烤，清除衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在进行第一步处理后的衬底101表面外延生长厚度为2.5μm的缓冲层102，缓冲层能够起到将生长缺陷过滤和释放晶格失配产生的应力的作用；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102表面外延生长厚度为4μm的n型电子注入层103；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的n型电子注入层103表面外延生长多量子阱层105。量子阱Al0.44Ga0.56N厚度为4nm，量子垒Al0.53Ga0.47N厚度为15nm；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层105表面外延生长厚度为20nm的p型电子阻挡层106；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p型电子阻挡层106表面外延生长厚度为80nm的第一p型空穴注入层107；继续在所得p型空穴注入层107上外延生长厚度为2nm的p型空穴加速层108。至此，结构为第一p型空穴注入层/p型空穴加速层的空穴加速器113外延生长完成；
第七步，在MOCVD反应炉中，在第六步得到的空穴加速器113表面外延生长厚度为80nm的第二p型空穴注入层109；并继续外延生长厚度为50nm的p型重掺杂空穴注入层110；
第八步，在第七步得到的p型重掺杂空穴注入层110上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第二级台阶，并暴露出n型电子注入层103；
第九步，在第八步得到的台阶表面上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第三级台阶，并暴露出第二p型空穴注入层109；
第十步，在p型重掺杂空穴注入层110上，利用光刻和蒸镀工艺制作厚度为15nm的电流扩展层111。
第十一步，在电流扩展层111和n型电子注入层103上，利用光刻和蒸镀工艺分别制作p型欧姆电极112和n型欧姆电极104。
至此本发明中面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片制备完成。
上述面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，制备过程中所需的原材料均可通过一般途径获得，其中制备方法和操作工艺是本领域中专业人员普遍具备的。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，其特征为该二极管芯片沿着外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、n型电子注入层，所述的n型电子注入层为二级台阶结构，其第一级台阶为暴露部分；凸起的非暴露部分，即n型电子注入层的第二级台阶沿外延生长方向依次为多量子阱层、p型电子阻挡层、第一p型空穴注入层；所述的第一p型空穴注入层为另一个二级台阶结构，其第二级台阶上沿外延生长方向依次为p型空穴加速层、第二p型空穴注入层、p型重掺杂空穴注入层、电流扩展层；电流扩展层上设置有p型欧姆电极，n型电子注入层的暴露部分上设置有n型欧姆电极。
2.如权利要求1所述的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，其特征为所述的n型电子注入层的一级台阶厚度为n型电子注入层总厚度的1～99％；
所述的n型电子注入层中暴露部分面积为总面积的5～99％；
所述的第一p型空穴注入层的一级台阶的厚度为第一p型空穴注入层总厚度的1～99％；
所述的第一p型空穴注入层中凸起的第二级台阶的面积为第一p型空穴注入层总面积的5～99％。
3.如权利要求1所述的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片，其特征为所述衬底材料为蓝宝石、石英玻璃、SiC、AlN、GaN或Si；根据外延生长方向的不同，衬底可分为非极性面[1-100]衬底、半极性面[11-22]衬底或极性面[0001]衬底；
所述缓冲层材料为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x1≤1,0≤y1≤1，0≤1-x1-y1≤1，厚度为1～5μm；
所述n型电子注入层材料为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x2≤1,0≤y2≤1，0≤1-x2-y2≤1，厚度为1～5μm；所述暴露部分占n型电子注入层总面积的5～99％，厚度为0.01～4.95μm；
所述多量子阱层材料为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x3≤1,0≤y3≤1，0≤1-x3-y3≤1，0≤x4≤1,0≤y4≤1，0≤1-x4-y4≤1，量子垒Alx4Iny4Ga1-x4-y4N位于量子阱Alx3Iny3Ga1-x3-y3N两侧，量子阱的个数大于等于1，且应满足量子垒材料的禁带宽度大于量子阱材料的禁带宽度；单层量子阱厚度为1～10nm，单层量子垒厚度为5～50nm；
所述p型电子阻挡层材料为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤1-x5-y5≤1，厚度为10～100nm；
所述的第一p型空穴注入层和第二p型空穴注入层的材料为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x6≤1，0≤y6≤1，0≤1-x6-y6≤1，厚度为50～300nm；
所述的p型空穴加速层材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x7≤1，0≤y7≤1，0≤1-x7-y7≤1，厚度为1～10nm，且应满足p型空穴加速层材料的禁带宽度大于p型空穴注入层材料的禁带宽度；
所述p型重掺杂空穴注入层材料为Alx8Iny8Ga1-x8-y8N；其中各组分系数应满足如下关系，0≤x8≤1，0≤y8≤1，0≤1-x8-y8≤1，厚度为10～100nm；
所述电流扩展层材料为铝、Ni/Au、ITO、石墨烯、氧化锌或金属纳米线，厚度为10～500nm；
所述p型欧姆电极的材质为Cr/Au、Pt/Au、Ni/Au或Ni/Al，其中p型欧姆电极面积占电流扩展层面积百分比为1～100％；
所述n型欧姆电极的材质为Al/Au、Cr/Au、V/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，其中n型欧姆电极占暴露的n型电子注入层面积百分比为1～100％。
4.如权利要求1所述的面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征为包括以下步骤：
第一步，将衬底在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)或MBE(分子束外延)反应炉中进行烘烤，烘烤温度范围为900～1500℃，清除衬底表面异物；
第二步，在MOCVD或MBE反应炉中，在进行第一步处理后的衬底表面外延生长缓冲层；
第三步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第二步得到的缓冲层表面外延生长n型电子注入层；
第四步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第三步得到的n型电子注入层表面外延生长多量子阱层；
第五步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第四步得到的多量子阱层表面外延生长p型电子阻挡层；
第六步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第五步得到的p型电子阻挡层表面外延生长第一p型空穴注入层；继续在所得第一p型空穴注入层上外延生长p型空穴加速层；且p型空穴加速层材料的禁带宽度大于p型空穴注入层材料的禁带宽度；
第七步，在MOCVD或MBE反应炉中，在p型空穴加速层表面外延生长第二p型空穴注入层；
第八步，在MOCVD或MBE反应炉中，在第七步得到的第二p型空穴注入层表面外延生长p型重掺杂空穴注入层；
第九步，在第八步得到的p型重掺杂空穴注入层上，利用光刻工艺在其表面刻出第二级台阶图形，随后利用干法刻蚀工艺刻蚀出台阶，并暴露出n型电子注入层；
第十步，在第九步得到的第二级台阶表面上，利用光刻和干法刻蚀工艺刻蚀出第三级台阶，并暴露出第一p型空穴注入层；
第十一步，在第八步得到的p型重掺杂空穴注入层上，利用光刻和蒸镀工艺制作电流扩展层；
第十二步，在电流扩展层和n型电子注入层上，分别利用光刻和蒸镀工艺分别制作p型欧姆电极和n型欧姆电极；
最终得到面向紫外通讯的Micro紫外发光二极管芯片。
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