專利名稱：紫外共振腔發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有共振腔紫外發(fā)光二極管。該發(fā)明可用于空氣與水凈化，生物醫(yī)學(xué)探測，空間紫外通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
II1-V族化合物半導(dǎo)體材料作為第三代半導(dǎo)體材料的杰出代表，具有很多優(yōu)良的特性，尤其是在光學(xué)應(yīng)用方面，由Ga、Al、In、N組成的合金{Ga(Al，In)N}可以覆蓋整個可見光區(qū)和近紫外光區(qū)。而且纖鑄礦結(jié)構(gòu)的III族氮化物都是直接帶隙，非常適合于光電子器件的應(yīng)用。特別是在紫外光區(qū)，AlGaN基多量子阱的紫外LED已顯示出巨大的優(yōu)勢，成為目前紫外光電器件研制的熱點之一。AlGaN基多量子阱UV-LED器件具有廣闊的應(yīng)用前景。紫外光在絲網(wǎng)印刷、聚合物固化、環(huán)境保護(hù)、空氣與水凈化、醫(yī)療與生物醫(yī)學(xué)、白光照明以及軍事探測、空間保密通信等領(lǐng)域都有重大應(yīng)用價值。然而，隨著LED發(fā)光波長的變短，GaN基LED有源層中Al組分越來越高，高質(zhì)量AlGaN材料的制備具有很大難度，AlGaN材料造成UV-LED的外量子效率和光功率都很低，成為了 UV-LED發(fā)展的瓶頸，是當(dāng)前急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明公開了一種共振腔紫外發(fā)光二極管裝置，其包括:第一腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向上輻射和經(jīng)過第一反射器反射的電磁波；第二腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向下輻射和經(jīng)過第二反射器反射的電磁波；其中第一·腔和第二腔共同構(gòu)成的共振通道，電磁波在其中來回傳播。第一反射器和第二反射器，分別連接到該第一腔和第二腔，分別用于反射從第一腔和第二腔中經(jīng)過并射向反射器的電磁波；其中，所述第一腔和第二腔的交界處為反節(jié)點，所述反節(jié)點位于所述共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)，且在輻射復(fù)合最強的量子阱位置處。本發(fā)明公開的上述紫外發(fā)光二極管裝置，利用分布式布拉格反射(DBR)多層膜堆疊的周期結(jié)構(gòu)制作第一腔，利用分布式布拉格反射(DBR)多層膜堆疊的周期結(jié)構(gòu)或雙層紫外高反射薄膜制作第二腔，不但對紫外發(fā)光二極管(UV-LED)有源區(qū)輻射電磁波的中心波長有共振加強作用，對波長具有選擇性，提高出光效率，還可起到優(yōu)化LED輻射波形以及光場分布的作用，實現(xiàn)紫外發(fā)光二極管的高強度，高功率密度，準(zhǔn)直性好，以及具有相干性的光輸出；本發(fā)明還通過設(shè)計有源區(qū)的位置，優(yōu)選在UV-LED輻射中心波長的反節(jié)點位置，可誘導(dǎo)有源區(qū)中的載流子輻射復(fù)合，提高有源區(qū)的輻射復(fù)合效率，提高內(nèi)量子效率，進(jìn)而達(dá)到提高UV-LED總的輻射效率的目的。


圖1是本發(fā)明中共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的垂直結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的正裝或倒裝(未示意基板)結(jié)構(gòu)第一示意圖。圖3是本發(fā)明中共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的正裝或倒裝(未示意基板)結(jié)構(gòu)第
二示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明公開了一種共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置，該裝置能夠發(fā)射具有峰狀輪廓并有中心波長(λ)的輻射。該裝置包括:第一腔111，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向上輻射和經(jīng)過第一反射器反射的電磁波；第二腔113，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向下輻射和經(jīng)過第二反射器反射的電磁波；其中，第一腔111和第二腔113共同構(gòu)成所述共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的共振通道，且電磁波在其中來回傳播。第一反射器102和第二反射器108，分別連接到該第一腔111和第二腔113，且分別用于反射從第一腔和第二腔中射向反射器的電磁波；并且通過設(shè)計發(fā)射器的結(jié)構(gòu)，選擇特定波長的電磁波反射最強。所述第一腔和第二腔的交界處為反節(jié)點，所述反節(jié)點位于所述共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)，且在輻射復(fù)合最強的量子阱位置處；電磁波經(jīng)過兩個反射器的多次來回反射，并經(jīng)過第一腔和第二腔的傳輸，通過量子阱有源區(qū)激勵量子阱中載流子受激輻射，最終選擇出垂直于反射器端面的具有在紫外區(qū)域中的中心波長的電磁輻射。其中第一反射器102、第一腔111、有源區(qū)105、第二腔113和第二反射器108共同構(gòu)成使得該RC-UVLED裝置產(chǎn)生具有在紫外區(qū)域中的中心波長的電磁輻射的共振通道，并且對該RC-UVLED的效率和光場分布都會有明顯的改善。圖1示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中所述共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述裝置包括:P電極101，其與底部第一腔中的低Al組分ρ-AlGaN層103的頂部相接形成歐姆接觸，其具體結(jié)構(gòu)取決于歐姆接觸的良好程度、第一反射器102的反射率設(shè)計以及P型層中的電流擴(kuò)散效果共同決定；其可以為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也可采用其他電極，例如具有網(wǎng)格狀歐姆接觸電極+面狀加厚電極，或者是具有不同形狀窗口的電極，具有透明或半透明性質(zhì)的導(dǎo)體。第一反射器102,其為四分之一波長分布布拉格反射器(DBR)堆疊結(jié)構(gòu),包含3_20對DBR周期結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為10對，其由Hf02/Si02、Zr02/Si02或Y203/Si02交替堆疊構(gòu)成，每層材料的厚度為0.25 λ，其中λ為所述RC-UVLED裝置的輻射中心波長；但不僅限于以上幾種材料的組合；優(yōu)選 地，第一反射器102位于P電極101的下面；但是P電極101和第一反射器102不是絕對的上下層關(guān)系，其可以交換順序，也可以在同一層設(shè)計為鑲嵌結(jié)構(gòu)，或者是掩埋結(jié)構(gòu)。P型層114，其為AlxGahN基材料，包括多個非故意摻雜或P型摻雜的外延層。優(yōu)選地，所述P型層為雙層結(jié)構(gòu)，其包括低Al組分P-AlGaN層103和高Al組分p-AlGaN層104。其中，所述低Al組分ρ-AlGaN層103主要是用以確保與p電極101的良好歐姆接觸和良好的空穴注入效率，高Al組分ρ-AlGaN層104主要作用是對電子的阻擋作用和對有源區(qū)多量子阱105中的載流子起限制作用。應(yīng)當(dāng)注意的是:上面描述的P型層雙層結(jié)構(gòu)為示范性結(jié)構(gòu)，實際設(shè)計中可以包括多層結(jié)構(gòu)，以及組分漸變結(jié)構(gòu)，例如超晶格結(jié)構(gòu)的電流擴(kuò)散層；摻雜類型也可為非故意摻雜，P型輕摻，P型重?fù)揭约?型-摻雜。其Al組分在0-1的范圍。所述第一腔111相鄰于第一反射器102的下部，也即第一反射器102相鄰于該第一腔111的頂部。AlxGahNAlyGapyN多量子阱有源區(qū)105，其包括1_10對量子阱結(jié)構(gòu)，，該量子阱由交替的AlxGahN和AlyG&1_yN層組成，O彡x < y彡I。有源區(qū)105位于所述RC-UVLED裝置的共振電磁波的反節(jié)點(ant1-node)處，在此處有源區(qū)105的輻射復(fù)合效率將被激勵，以更好的提供RC-UVLED的輻射輸出。另外考慮到LED結(jié)構(gòu)中，有源區(qū)靠近P側(cè)的兩個量子阱(通常也認(rèn)為是靠近P側(cè)的最后一個量子阱)中有最多的電子空穴對，因此，優(yōu)選地反節(jié)點的位置選取落在靠近P側(cè)的最后一個量子阱或兩個量子阱中。反節(jié)點112，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中反節(jié)點設(shè)計在有源區(qū)105輻射復(fù)合最強的量子阱位置，通常為有源區(qū)靠近頂側(cè)的最后一個量子阱區(qū)域，以達(dá)到最大效果的激勵有源區(qū)輻射復(fù)合。η型層115，其為Al xGahN基材料，包括多個非故意摻雜或η型摻雜的外延層，Al組分在0-1之間。該優(yōu)選實施例中，所述η型層為雙層結(jié)構(gòu)，其包括高Al組分的n-AlGaN層106和低Al組分n-AlGaN層107。在實際設(shè)計中還可以包括多層結(jié)構(gòu)、組分漸變結(jié)構(gòu)、例如超晶格結(jié)構(gòu)等；摻雜類型也可為非故意摻雜，η型輕摻，η型重?fù)揭约?型-摻雜。第二反射器108，其可以為DBR反射結(jié)構(gòu)，也可以為包括金屬Al膜在內(nèi)的多層薄膜反射結(jié)構(gòu)。所述DBR反射結(jié)構(gòu)包含1-15對DBR周期結(jié)構(gòu)，其由Hf02/Si02、Zr02/Si02或Y203/Si02交替堆疊構(gòu)成，每層材料的厚度為0.25 λ，其與n型AlGaN層107的底部相接。所述多層薄膜反射結(jié)構(gòu)，通常為雙層高反射薄膜結(jié)構(gòu)，第一層高反射薄膜的材料為金屬Al，厚度為5-3000nm，其與第二腔底部相接，也即是圖1中η型AlGaN層107的底部相接，第二層高反射薄膜的材料為MgF2、LiF、金屬Pt或者金屬Rh中的一種，但并不僅限于以上幾種材料組合，其厚度為5-3000nm，其與第一層高反射薄膜的底部相接。其中，在上述垂直結(jié)構(gòu)中，第一反射器102允許足量的輻射穿過該第二反射器108。η電極109，其底部與n_AlGaN層107相接形成歐姆接觸，其具體結(jié)構(gòu)取決于歐姆接觸的良好程度、第二反射器108的反射率設(shè)計、高Al組分的n-AlGaN層106和低Al組分n-AlGaN層107的電流擴(kuò)散效果，以及該RC-UVLED裝置的出光設(shè)計共同決定。該優(yōu)選實施例給出的垂直結(jié)構(gòu)中，η型電極109與n-AlGaN層107的底部相接形成歐姆接觸，η電極109優(yōu)選為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但其也可采用其他電極，例如具有網(wǎng)格狀歐姆接觸電極+平面狀加厚電極，或者是具有不同形狀窗口的電極，具有透明或半透明性質(zhì)的導(dǎo)體。另外，該優(yōu)選實施例給出的垂直結(jié)構(gòu)中，η電極109優(yōu)選地位于第二反射器108底部，但其和第二反射器108不是絕對的上下層關(guān)系，其可以交換順序，也可以在同一層設(shè)計為鑲嵌結(jié)構(gòu)，或者是掩埋結(jié)構(gòu)。所述p型層114、反節(jié)點112以上的部分第一有源區(qū)105，也即從第一反射器102底部到反節(jié)點112的區(qū)域構(gòu)成所述共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的第一腔111，其厚度為0.5 λ的整數(shù)倍，通常為0.5λ。而反節(jié)點112以下的部分第一有源區(qū)105和η型層115，也即從反節(jié)點112到第二反射器108頂部的區(qū)域構(gòu)成所述共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的第二腔113，其厚度為0.5 λ的整數(shù)倍。并且第一腔111和第二腔113的總厚度，即從第一反射器102與第一腔的交界面到第二反射器108與第二腔的交界面約為0.5 λ的整數(shù)倍，且滿足大于等于I λ，小于等于20 λ。圖2示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中所述共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，其與圖1示出的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是所述η型層與第二反射器108之間包括模版層110，且由所述反節(jié)點112以下的部分第一有源區(qū)105、η型層和模版層110構(gòu)成所述共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的第二腔113。所述模版層110為深紫外LED結(jié)構(gòu)外延生長過程中，為提高結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量，在襯底上生長的位錯阻斷層和應(yīng)力釋放層。自下而上通常包括剪薄后的藍(lán)寶石襯底，低溫AlN成核層，高溫AlN模版層，以及可能的超晶格應(yīng)力釋放層。在該優(yōu)選實施例的倒裝結(jié)構(gòu)中，第一反射器102允許足量的輻射穿過該第二反射器108 ;在該優(yōu)選實施例的正裝結(jié)構(gòu)中，該第二反射器108允許足量的輻射穿過第一反射器102。此外，該優(yōu)選實施例給出的正裝或倒裝結(jié)構(gòu)中，η型電極109與n_AlGaN層107的頂部相接形成歐姆接觸。圖3示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中所述共 振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，其與圖1示出的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是:n型電極109與n-AlGaN層107的頂部相接形成歐姆接觸,適用于正裝結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)。在該優(yōu)選實施例的倒裝結(jié)構(gòu)中，第一反射器102允許足量的輻射穿過該第二反射器108 ;在該優(yōu)選實施例的正裝結(jié)構(gòu)中，該第二反射器108允許足量的輻射穿過第一反射器102。所述的RC-UVLED裝置為AlxGa1J基的材料，其中0<χ<1;各種材料/區(qū)域?qū)穸鹊拿枋霾捎昧讼鄬τ赗C-UVLED波長的尺寸。需要提出的是:該厚度描述的相對波長是RC-UVLED輻射電磁波在對應(yīng)的該種材料中波長。例如，紫外共振發(fā)光二極管的中心福射波長在真空中為300nm,假設(shè)材料的折射率系數(shù)為3,則0.25 λ描述的材料厚度為25nm( = 0.25*300/3)。上述所述具有中心波長(λ)輻射的AlGaN基DBR高反射紫外發(fā)光二極管裝置，其在空氣中發(fā)射的紫外光中心波長在200-365nm之間。另外由于四分之一波長分布布拉格反射器(DBR)堆疊在本領(lǐng)域?qū)儆诠秶?，因此除非需要提供清楚的上下文之外，否則將不提供進(jìn)一步的描述。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種共振腔紫外發(fā)光二極管裝置，其包括: 第一腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向上輻射和經(jīng)過第一反射器反射的電磁波； 第二腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向下輻射和經(jīng)過第二反射器反射的電磁波；其中第一腔和第二腔共同構(gòu)成的共振通道，電磁波在其中來回傳播。
第一反射器和第二反射器，分別連接到該第一腔和第二腔，分別用于反射從第一腔和第二腔中經(jīng)過并射向反射器的電磁波； 其中，所述第一腔和第二腔的交界處為反節(jié)點，所述反節(jié)點位于所述共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)，且在輻射復(fù)合最強的量子阱位置處。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置為AlxGahN基材料，其中O ^ X ^ I。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述有源區(qū)包含一至十對量子阱結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該量子阱由交替的AlxGa1J和AlyGa1J層組成，O X < y I。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該第一腔厚度為0.5 λ的整數(shù)倍，λ為所述共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的輻射中心波長。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該第一腔厚度為0.5入。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一腔包括P型層和反節(jié)點以上的部分有源區(qū)；其中，所述P型層為AlxGahN基材料，包括多個非故意摻雜或P型摻雜的外延層。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二腔包括η型層和反節(jié)點以下的部分有源區(qū)；其中所述η型層為AlxGahN基材料，包括多個非故意摻雜或η型摻雜的外延層。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第二腔還包括模版層，其位于η型層和第二反射器之間，其為在襯底上生長的位錯阻斷層和應(yīng)力釋放層。
10.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述第一腔和第二腔的總厚度約為0.5 λ的整數(shù)倍，且滿足大于等于I λ，小于等于20 λ。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一反射器為四分之一波長分布布拉格反射器堆疊結(jié)構(gòu)，其制作在第一腔的頂部；所述第二反射器為四分之一波長分布布拉格反射器堆疊結(jié)構(gòu)或者是包括金屬鋁薄膜在內(nèi)的單層或多層膜結(jié)構(gòu)，其制作在第二腔的底部。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一反射器包括3至20個分布布拉格反射器對，第二反射器包括I至20個分布布拉格反射器對；且所述分布布拉格反射器對由 Hf02/Si02、Zr02/Si02 或 Y203/Si02 交替堆疊而成。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第二反射器為包括金屬鋁薄膜在內(nèi)的雙層膜結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)分別由金屬鋁/MgF2、金屬鋁/LiF，金屬鋁/金屬Pt或金屬鋁/金屬Rh組成。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)第一層為金屬鋁，與所述第二腔的底部相接；所述多層膜結(jié)構(gòu)的第二層制作在多層膜結(jié)構(gòu)的第一層底部。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該共振腔紫外發(fā)光二極管裝置在空氣中發(fā)射中心波長為 200nm-365nm的紫外光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠發(fā)射具有峰狀輪廓并具有中心波長(λ)的輻射的共振腔紫外發(fā)光二極管(RC-UVLED)裝置，該裝置包括一種共振腔紫外發(fā)光二極管裝置，其包括第一腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向上輻射和經(jīng)過第一反射器反射的電磁波；第二腔，其用于傳輸共振腔紫外發(fā)光二極管裝置的量子阱有源區(qū)向下輻射和經(jīng)過第二反射器反射的電磁波；其中第一腔和第二腔共同構(gòu)成的共振通道，電磁波在其中來回傳播。第一反射器和第二反射器，分別連接到該第一腔和第二腔，分別用于反射從第一腔和第二腔中經(jīng)過并射向反射器的電磁波。
文檔編號H01L33/10GK103236479SQ201310141880
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者曾建平, 閆建昌, 王軍喜, 叢培沛, 孫莉莉, 董鵬, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所