专利名称：紫外共振腔发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是一种具有共振腔紫外发光二极管。该发明可用于空气与水净化，生物医学探测，空间紫外通信领域。
背景技术：
II1-V族化合物半导体材料作为第三代半导体材料的杰出代表，具有很多优良的特性，尤其是在光学应用方面，由Ga、Al、In、N组成的合金{Ga(Al，In)N}可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。而且纤铸矿结构的III族氮化物都是直接带隙，非常适合于光电子器件的应用。特别是在紫外光区，AlGaN基多量子阱的紫外LED已显示出巨大的优势，成为目前紫外光电器件研制的热点之一。AlGaN基多量子阱UV-LED器件具有广阔的应用前景。紫外光在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、空气与水净化、医疗与生物医学、白光照明以及军事探测、空间保密通信等领域都有重大应用价值。然而，随着LED发光波长的变短，GaN基LED有源层中Al组分越来越高，高质量AlGaN材料的制备具有很大难度，AlGaN材料造成UV-LED的外量子效率和光功率都很低，成为了 UV-LED发展的瓶颈，是当前急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种共振腔紫外发光二极管装置，其包括:第一腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向上辐射和经过第一反射器反射的电磁波；第二腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向下辐射和经过第二反射器反射的电磁波；其中第一·腔和第二腔共同构成的共振通道，电磁波在其中来回传播。第一反射器和第二反射器，分别连接到该第一腔和第二腔，分别用于反射从第一腔和第二腔中经过并射向反射器的电磁波；其中，所述第一腔和第二腔的交界处为反节点，所述反节点位于所述共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区，且在辐射复合最强的量子阱位置处。本发明公开的上述紫外发光二极管装置，利用分布式布拉格反射(DBR)多层膜堆叠的周期结构制作第一腔，利用分布式布拉格反射(DBR)多层膜堆叠的周期结构或双层紫外高反射薄膜制作第二腔，不但对紫外发光二极管(UV-LED)有源区辐射电磁波的中心波长有共振加强作用，对波长具有选择性，提高出光效率，还可起到优化LED辐射波形以及光场分布的作用，实现紫外发光二极管的高强度，高功率密度，准直性好，以及具有相干性的光输出；本发明还通过设计有源区的位置，优选在UV-LED辐射中心波长的反节点位置，可诱导有源区中的载流子辐射复合，提高有源区的辐射复合效率，提高内量子效率，进而达到提高UV-LED总的辐射效率的目的。
图1是本发明中共振腔紫外发光二极管装置的垂直结构示意图。图2是本发明中共振腔紫外发光二极管装置的正装或倒装(未示意基板)结构第一示意图。图3是本发明中共振腔紫外发光二极管装置的正装或倒装(未示意基板)结构第
二示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明公开了一种共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置，该装置能够发射具有峰状轮廓并有中心波长(λ)的辐射。该装置包括:第一腔111，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向上辐射和经过第一反射器反射的电磁波；第二腔113，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向下辐射和经过第二反射器反射的电磁波；其中，第一腔111和第二腔113共同构成所述共振腔紫外发光二极管装置的共振通道，且电磁波在其中来回传播。第一反射器102和第二反射器108，分别连接到该第一腔111和第二腔113，且分别用于反射从第一腔和第二腔中射向反射器的电磁波；并且通过设计发射器的结构，选择特定波长的电磁波反射最强。所述第一腔和第二腔的交界处为反节点，所述反节点位于所述共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区，且在辐射复合最强的量子阱位置处；电磁波经过两个反射器的多次来回反射，并经过第一腔和第二腔的传输，通过量子阱有源区激励量子阱中载流子受激辐射，最终选择出垂直于反射器端面的具有在紫外区域中的中心波长的电磁辐射。其中第一反射器102、第一腔111、有源区105、第二腔113和第二反射器108共同构成使得该RC-UVLED装置产生具有在紫外区域中的中心波长的电磁辐射的共振通道，并且对该RC-UVLED的效率和光场分布都会有明显的改善。图1示出了本发明优选实施例中所述共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的结构示意图。如图1所示，所述装置包括:P电极101，其与底部第一腔中的低Al组分ρ-AlGaN层103的顶部相接形成欧姆接触，其具体结构取决于欧姆接触的良好程度、第一反射器102的反射率设计以及P型层中的电流扩散效果共同决定；其可以为网格结构，也可采用其他电极，例如具有网格状欧姆接触电极+面状加厚电极，或者是具有不同形状窗口的电极，具有透明或半透明性质的导体。第一反射器102,其为四分之一波长分布布拉格反射器(DBR)堆叠结构,包含3_20对DBR周期结构，优选为10对，其由Hf02/Si02、Zr02/Si02或Y203/Si02交替堆叠构成，每层材料的厚度为0.25 λ，其中λ为所述RC-UVLED装置的辐射中心波长；但不仅限于以上几种材料的组合；优选 地，第一反射器102位于P电极101的下面；但是P电极101和第一反射器102不是绝对的上下层关系，其可以交换顺序，也可以在同一层设计为镶嵌结构，或者是掩埋结构。P型层114，其为AlxGahN基材料，包括多个非故意掺杂或P型掺杂的外延层。优选地，所述P型层为双层结构，其包括低Al组分P-AlGaN层103和高Al组分p-AlGaN层104。其中，所述低Al组分ρ-AlGaN层103主要是用以确保与p电极101的良好欧姆接触和良好的空穴注入效率，高Al组分ρ-AlGaN层104主要作用是对电子的阻挡作用和对有源区多量子阱105中的载流子起限制作用。应当注意的是:上面描述的P型层双层结构为示范性结构，实际设计中可以包括多层结构，以及组分渐变结构，例如超晶格结构的电流扩散层；掺杂类型也可为非故意掺杂，P型轻掺，P型重掺以及6型-掺杂。其Al组分在0-1的范围。所述第一腔111相邻于第一反射器102的下部，也即第一反射器102相邻于该第一腔111的顶部。AlxGahNAlyGapyN多量子阱有源区105，其包括1_10对量子阱结构，，该量子阱由交替的AlxGahN和AlyG&1_yN层组成，O彡x < y彡I。有源区105位于所述RC-UVLED装置的共振电磁波的反节点(ant1-node)处，在此处有源区105的辐射复合效率将被激励，以更好的提供RC-UVLED的辐射输出。另外考虑到LED结构中，有源区靠近P侧的两个量子阱(通常也认为是靠近P侧的最后一个量子阱)中有最多的电子空穴对，因此，优选地反节点的位置选取落在靠近P侧的最后一个量子阱或两个量子阱中。反节点112，在结构设计中反节点设计在有源区105辐射复合最强的量子阱位置，通常为有源区靠近顶侧的最后一个量子阱区域，以达到最大效果的激励有源区辐射复合。η型层115，其为Al xGahN基材料，包括多个非故意掺杂或η型掺杂的外延层，Al组分在0-1之间。该优选实施例中，所述η型层为双层结构，其包括高Al组分的n-AlGaN层106和低Al组分n-AlGaN层107。在实际设计中还可以包括多层结构、组分渐变结构、例如超晶格结构等；掺杂类型也可为非故意掺杂，η型轻掺，η型重掺以及6型-掺杂。第二反射器108，其可以为DBR反射结构，也可以为包括金属Al膜在内的多层薄膜反射结构。所述DBR反射结构包含1-15对DBR周期结构，其由Hf02/Si02、Zr02/Si02或Y203/Si02交替堆叠构成，每层材料的厚度为0.25 λ，其与n型AlGaN层107的底部相接。所述多层薄膜反射结构，通常为双层高反射薄膜结构，第一层高反射薄膜的材料为金属Al，厚度为5-3000nm，其与第二腔底部相接，也即是图1中η型AlGaN层107的底部相接，第二层高反射薄膜的材料为MgF2、LiF、金属Pt或者金属Rh中的一种，但并不仅限于以上几种材料组合，其厚度为5-3000nm，其与第一层高反射薄膜的底部相接。其中，在上述垂直结构中，第一反射器102允许足量的辐射穿过该第二反射器108。η电极109，其底部与n_AlGaN层107相接形成欧姆接触，其具体结构取决于欧姆接触的良好程度、第二反射器108的反射率设计、高Al组分的n-AlGaN层106和低Al组分n-AlGaN层107的电流扩散效果，以及该RC-UVLED装置的出光设计共同决定。该优选实施例给出的垂直结构中，η型电极109与n-AlGaN层107的底部相接形成欧姆接触，η电极109优选为网格结构，但其也可采用其他电极，例如具有网格状欧姆接触电极+平面状加厚电极，或者是具有不同形状窗口的电极，具有透明或半透明性质的导体。另外，该优选实施例给出的垂直结构中，η电极109优选地位于第二反射器108底部，但其和第二反射器108不是绝对的上下层关系，其可以交换顺序，也可以在同一层设计为镶嵌结构，或者是掩埋结构。所述p型层114、反节点112以上的部分第一有源区105，也即从第一反射器102底部到反节点112的区域构成所述共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的第一腔111，其厚度为0.5 λ的整数倍，通常为0.5λ。而反节点112以下的部分第一有源区105和η型层115，也即从反节点112到第二反射器108顶部的区域构成所述共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的第二腔113，其厚度为0.5 λ的整数倍。并且第一腔111和第二腔113的总厚度，即从第一反射器102与第一腔的交界面到第二反射器108与第二腔的交界面约为0.5 λ的整数倍，且满足大于等于I λ，小于等于20 λ。图2示出了本发明优选实施例中所述共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的结构示意图。如图2所示，其与图1示出的结构基本相同，所不同的是所述η型层与第二反射器108之间包括模版层110，且由所述反节点112以下的部分第一有源区105、η型层和模版层110构成所述共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的第二腔113。所述模版层110为深紫外LED结构外延生长过程中，为提高结构的晶体质量，在衬底上生长的位错阻断层和应力释放层。自下而上通常包括剪薄后的蓝宝石衬底，低温AlN成核层，高温AlN模版层，以及可能的超晶格应力释放层。在该优选实施例的倒装结构中，第一反射器102允许足量的辐射穿过该第二反射器108 ;在该优选实施例的正装结构中，该第二反射器108允许足量的辐射穿过第一反射器102。此外，该优选实施例给出的正装或倒装结构中，η型电极109与n_AlGaN层107的顶部相接形成欧姆接触。图3示出了本发明优选实施例中所述共 振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置的结构示意图。如图3所示，其与图1示出的结构基本相同，所不同的是:n型电极109与n-AlGaN层107的顶部相接形成欧姆接触,适用于正装结构和倒装结构。在该优选实施例的倒装结构中，第一反射器102允许足量的辐射穿过该第二反射器108 ;在该优选实施例的正装结构中，该第二反射器108允许足量的辐射穿过第一反射器102。所述的RC-UVLED装置为AlxGa1J基的材料，其中0<χ<1;各种材料/区域对厚度的描述采用了相对于RC-UVLED波长的尺寸。需要提出的是:该厚度描述的相对波长是RC-UVLED辐射电磁波在对应的该种材料中波长。例如，紫外共振发光二极管的中心福射波长在真空中为300nm,假设材料的折射率系数为3,则0.25 λ描述的材料厚度为25nm( = 0.25*300/3)。上述所述具有中心波长(λ)辐射的AlGaN基DBR高反射紫外发光二极管装置，其在空气中发射的紫外光中心波长在200-365nm之间。另外由于四分之一波长分布布拉格反射器(DBR)堆叠在本领域属于公知范围，因此除非需要提供清楚的上下文之外，否则将不提供进一步的描述。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种共振腔紫外发光二极管装置，其包括: 第一腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向上辐射和经过第一反射器反射的电磁波； 第二腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向下辐射和经过第二反射器反射的电磁波；其中第一腔和第二腔共同构成的共振通道，电磁波在其中来回传播。
第一反射器和第二反射器，分别连接到该第一腔和第二腔，分别用于反射从第一腔和第二腔中经过并射向反射器的电磁波； 其中，所述第一腔和第二腔的交界处为反节点，所述反节点位于所述共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区，且在辐射复合最强的量子阱位置处。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置为AlxGahN基材料，其中O ^ X ^ I。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源区包含一至十对量子阱结构。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该量子阱由交替的AlxGa1J和AlyGa1J层组成，O X < y I。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一腔厚度为0.5 λ的整数倍，λ为所述共振腔紫外发光二极管装置的辐射中心波长。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一腔厚度为0.5入。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一腔包括P型层和反节点以上的部分有源区；其中，所述P型层为AlxGahN基材料，包括多个非故意掺杂或P型掺杂的外延层。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二腔包括η型层和反节点以下的部分有源区；其中所述η型层为AlxGahN基材料，包括多个非故意掺杂或η型掺杂的外延层。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二腔还包括模版层，其位于η型层和第二反射器之间，其为在衬底上生长的位错阻断层和应力释放层。
10.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一腔和第二腔的总厚度约为0.5 λ的整数倍，且满足大于等于I λ，小于等于20 λ。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一反射器为四分之一波长分布布拉格反射器堆叠结构，其制作在第一腔的顶部；所述第二反射器为四分之一波长分布布拉格反射器堆叠结构或者是包括金属铝薄膜在内的单层或多层膜结构，其制作在第二腔的底部。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一反射器包括3至20个分布布拉格反射器对，第二反射器包括I至20个分布布拉格反射器对；且所述分布布拉格反射器对由 Hf02/Si02、Zr02/Si02 或 Y203/Si02 交替堆叠而成。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二反射器为包括金属铝薄膜在内的双层膜结构。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述多层膜结构分别由金属铝/MgF2、金属铝/LiF，金属铝/金属Pt或金属铝/金属Rh组成。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述多层膜结构第一层为金属铝，与所述第二腔的底部相接；所述多层膜结构的第二层制作在多层膜结构的第一层底部。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该共振腔紫外发光二极管装置在空气中发射中心波长为 200nm-365nm的紫外光。
全文摘要
本发明公开了一种能够发射具有峰状轮廓并具有中心波长(λ)的辐射的共振腔紫外发光二极管(RC-UVLED)装置，该装置包括一种共振腔紫外发光二极管装置，其包括第一腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向上辐射和经过第一反射器反射的电磁波；第二腔，其用于传输共振腔紫外发光二极管装置的量子阱有源区向下辐射和经过第二反射器反射的电磁波；其中第一腔和第二腔共同构成的共振通道，电磁波在其中来回传播。第一反射器和第二反射器，分别连接到该第一腔和第二腔，分别用于反射从第一腔和第二腔中经过并射向反射器的电磁波。
文档编号H01L33/10GK103236479SQ201310141880
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者曾建平, 闫建昌, 王军喜, 丛培沛, 孙莉莉, 董鹏, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所