專利名稱：AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件，特別是一種新型AlGaN基多量 子阱的uv-LED器件的實現(xiàn)方法，可用于水處理、醫(yī)療與生物醫(yī)學(xué)以及白光照明領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
m-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)。而且纖鋅礦結(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uv-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。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。
AlGaN基多量子阱uv-LED器件具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，GaN基藍(lán)綠光LED 取得了突破性的進(jìn)展，目前高亮度藍(lán)綠光LED已經(jīng)商業(yè)化，在景觀照明、大屏幕背 光源、光通訊等領(lǐng)域都顯示了強(qiáng)大的潛力。其次，白光LED固態(tài)照明更是如火如荼， 引發(fā)了第三次照明革命。再次，隨著可見光領(lǐng)域的日趨成熟，研究人員把研究重點 逐漸向短波長的紫外光轉(zhuǎn)移，紫外光在絲網(wǎng)印刷、聚合物固化、環(huán)境保護(hù)、白光照 明以及軍事探測等領(lǐng)域都有重大應(yīng)用價值。 '
目前，在國內(nèi)和國際上，主要是采用一些新的材料生長方法，或者是采用新的 結(jié)構(gòu)來減少應(yīng)力對AlGaN材料質(zhì)量的破壞，來提高AlGaN材料的生長質(zhì)量，從而 提高了 uv-LED的發(fā)光性能，這些方法包括
2002年，第一個低于300nm的iw-LED在美國南卡羅萊納州立大學(xué)實現(xiàn)，他們 在藍(lán)寶石襯底上制出了波長285mn的LED, 200|xx200n芯片在400mA脈沖電流下 功率為0.15mW，改進(jìn)p型和n型接觸電阻后，最大功率達(dá)到0.25mW。參見文獻(xiàn) V. Adivarahan, J. P. Zhang, A. Chitnis, et al, "sub-Milliwatt Power III-N Light Emitting Diodes at 285nm," Jpn J Appl Phy, 2002, 41: L435。隨后，他們又取得了一系列突破性進(jìn)展，依次實現(xiàn)了 280nm、 269nm、 265nm的發(fā)光波長，LED最大功率超過lmW。 參見文獻(xiàn)W H S皿，J P Zhang, V Adivarahan, et al. "AlGaN-based 280nm light-emitting diodes with continuous wave powers in excess of 1.5mW，， Appl Phys Lett, 2004, 85(4):531; V Adivarahan, S Wu, J P Zhang, et al. "High-efficiency 269nm emission deep ultraviolet light-emitting diodes" Appl Phys Lett, 2004,84(23):4762; Y Bilenko， A Lunev, X Hu, et al. "10 Milliwatt Pulse Operation of 265nm AlGaN Light Emitting Diodes" Jpn J Appl Phys, 2005, 44:L98.為了改善電流傳輸，降低熱效應(yīng)，他們對lOOpmxlOCHim 的小面積芯片，按照2x2陣列模式連接，并采用flip-chip結(jié)構(gòu)，280nm波長的功率 可達(dá)到24mW，最大外量子效率0.35 % 。參見文獻(xiàn)W H Sun, J P Zhang, V Adivarahan, et al. "AlGaN-based 280nm light-emitting diodes with continuous wave powers in excess of 1.5mW" Appl Phys Lett, 2004， 85(4):531。 2004年，又做出了 250nm的LED, 200px200n的芯片最大功率接近0.6mW，但外量子效率僅有0.01%。參見文獻(xiàn)V Adivarahan, W H Sun, A Chitois, et al. "250nm AlGaN light-emitting diodes" Appl Phys Lett, 2004,85(12):2175，
2004年，美國西北大學(xué)、堪薩斯大學(xué)也在深紫外特別是280-290nm波段取得了 較大進(jìn)展Fischer A J， Allerman A A, et al. Room-temperature direct current operation of 290nm Light-emitting diodes with milliwatt power level [J]. Appl Phys Lett, 2004，84(17):3394.采用插絲狀接觸來改善芯片內(nèi)部的電流擴(kuò)展，倒裝焊結(jié)構(gòu)提高 LED的散熱能力，制出了 lmmxlmm大功率紫外LED,發(fā)光波長290nm， 300mA 直流下的發(fā)光功率達(dá)1.34mW，外量子效率0.11 % 。 Kim K H, Fan Z Y, Khizar M, et al. AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes grown on A1N epilayers [J]. Appl Phys Lett, 2004, 85(20):4777.將傳統(tǒng)的方形芯片改為圓盤狀，降低了開啟電壓，使功率大 幅度提高，210pm直徑的芯片，功率超過了 lmW。
同年，美國南卡羅萊納州立大學(xué)又研制出250和255nm的深紫外uv-LED，底 部緩沖層采用AlGaN/AIN超晶格結(jié)構(gòu)，生長出高質(zhì)量的AlGaN勢壘層，制出了 200x200pm的深紫外LED,在300mA和1000mA的脈沖電流下，其發(fā)光功率分別 達(dá)到0.16mW和0.57mW，但是由于采用底部出光的方式，其發(fā)光效率還是比較低。 參見文獻(xiàn)V Adivarahan, W H Sun， A Chitnis, M Shatalov, S Wu， H P Maruska, M Asif Khan, "250nm AlGaN light-emitting diodes" Appl Phys Lett, 2004, 85(12): 2175.
2007年，日本埼玉大學(xué)在231-261nm波段的深紫外LED的研究取得了進(jìn)一步的進(jìn)展，由于采用脈沖生長A1N緩沖層，進(jìn)一步減少了 A1N層的位錯缺陷密度，從 而生長出高Al組分的AlGaN層，使得261nm的深紫外LED的光功率以及外量子 效率分布達(dá)到1.65mW和0.23%。參見文獻(xiàn)Hirayama ffideki， Yatabe Tohru, Noguchi Norimichi, Ohashi Tomoaki, Kamata Norihiko. "231-261nm AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes fabricated on AIN multilayer buffers grown by ammonia pulse-flow method on sapphire" Appl Phys Lett, 2007， 91(7): 071901-1.
縱上所述，當(dāng)前，國際上AlGaN基deep uv-LED器件的制作都是釆用底部出光 的方式，對頂部出光的研究較少。隨著發(fā)光波長的減少，底部緩沖層對紫外光的吸 收越來越多，嚴(yán)重影響了出射光功率以及外量子效率。目前主要是通過改進(jìn)器件的 結(jié)構(gòu)，來提高外延層的質(zhì)量，然而現(xiàn)有底部出光的技術(shù)還是存在很大的缺點， 一是 光的出射路徑過長，中途光的損耗過大，往往造成光的外量子效率過低；二是底部 A1N緩沖層的結(jié)晶質(zhì)量都較差，造成材料的非輻射復(fù)合中心增多，對紫外光的吸收 較多；三是底部緩沖層在電應(yīng)力作用下，俘獲光子的缺陷增加，嚴(yán)重影響了器件的 可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點，提出一種可靠性高、成本低、工藝 簡單的AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件，改變了光的出射路徑，使出射光在 半球形的窗口區(qū)發(fā)生干涉，以減少光的出射路徑，提高輸出光的功率以及外量子效 率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底上的多量子阱紫外LED器件包括 A1N成核層、本征AlGaN外延層、n型AlGaN勢壘層、有源區(qū)、p型AlGaN勢壘 層、低Al組分p型AlGaN層和p型GaN冒層，其中p型GaN冒層的中心開有半 球體狀窗口區(qū)，用于改變出射光的路徑，提高出射光的功率。
所述的窗口區(qū)底部位于p型AlGaN勢壘層的五分之四處。
所述的窗口區(qū)頂部寬度與底部寬度的比例為2: 1。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下兩種制作AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED 器件的方法。
技術(shù)方案l，制作AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件的方法，包括如下 步驟
A.材料生長步驟在藍(lán)寶石基片上，利用MOCVD工藝，依次生長低溫AIN成核層、高溫A1N成核層、AlGaN外延層、n-AlGaN勢壘層、有源區(qū)、40%-60% 的高Al組分p型AlGaN勢壘層、10%-25%的低Al組分p型AlGaN層和p型GaN 層；
B. 窗口區(qū)制作步驟
(Bl)采用ICP或者RIE工藝從頂部p型GaN冒層刻蝕至n型AlGaN層，形成 n型AlGaN臺面；
(B2)先光刻出位于p型GaN冒層的圓形窗口，再采用氯基ICP工藝二次刻蝕 窗口區(qū)至低Al組分的p型AlGaN層，形成圓柱體的出光窗口，其刻蝕工藝參數(shù)分 別為180W-600W的上電極功率，0-150V的偏壓，l-3Pa的壓力、100-230s的刻 蝕時間；
(B3)在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采用 電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到7(TC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理；
,(B4)采用KOH電解液對預(yù)處理后的樣片進(jìn)行光輔助濕法刻蝕，形成類似于半 球體的出光窗口，其濕法刻蝕工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-2V— -4V的偏壓，10-15min的刻蝕時間；之后將其放入到1: IO的HF溶液中漂洗掉金 屬掩膜層Ti;
C. 電極制作步驟
(Cl)在n型AlGaN臺面上光刻出n型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在 電極圖形區(qū)蒸發(fā)n型歐姆接觸金屬，形成n型電極；
(C2)在p型GaN冒層光刻出p型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在電極 圖形區(qū)蒸發(fā)p型歐姆接觸金屬，形成p型電極，完成器件制作。
技術(shù)方案2，制作AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件的方法，包括如下步
驟
1. 材料生長步驟在藍(lán)寶石基片上，利用MOCVD工藝，依次生長低溫A1N 成核層、高溫A1N成核層、AlGaN外延層、n-AlGaN勢壘層、有源區(qū)、40%-60% 的高Al組分p型AlGaN勢壘層、10%-25%的低Al組分p型AlGaN層和p型GaN 層；
2. 窗口區(qū)制作步驟 '
(2.1)采用ICP或者R正工藝從頂部p型GaN冒層刻蝕至n型AlGaN層，形成n型AlGaN臺面；
(2.2) 在p型GaN冒層中心先光刻出圓形窗口，再采用氯基R正工藝二次刻蝕 窗口區(qū)至p型AlGaN勢壘層，形成圓柱體的出光窗口，其刻蝕工藝參數(shù)分別為 80W-400W的電極功率，210-620V的偏壓，5-10mT的反應(yīng)室壓力，80-210s的刻蝕 時間；
(2.3) 在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采用 電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到8(TC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理；
.(2.4)采用KOH電解液對預(yù)處理后的樣片進(jìn)行光輔助濕法刻蝕，形成類似于半 球體的出光窗口，其濕法刻蝕工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-4V— -6V的偏壓，8-13min的刻蝕時間；之后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬 掩膜層Ti;
3.電極制作步驟
(3.1) 在n型AlGaN臺面上光刻出n型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在 窗口區(qū)蒸發(fā)n型歐姆接觸金屬，形成n型電極；
(3.2) 在p型GaN冒層光刻出p型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在窗口 區(qū)蒸發(fā)p型歐姆接觸金屬，形成p型電極，完成器件制作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
(1) 本發(fā)明的器件由于采用了頂部窗口結(jié)構(gòu)，不僅提高出射光的出射孔徑，而 且使出射光在窗口區(qū)得到增強(qiáng)，即使電應(yīng)力使器件的A1N緩沖層中的缺陷增多，也 不會影響出射光的功率，這將極大地推進(jìn)AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件的 實用化進(jìn)程。
(2) 本發(fā)明頂部窗口結(jié)構(gòu)的制作是通過光輔助濕法刻蝕p-GaN冒層至p型 AlGaN勢壘層，形成出半球體狀的出光窗口，使得發(fā)出的紫外光能從頂部輻射出來， 有效的提高了光的輸出功率以及器件的外量子效率。
(3) 本發(fā)明器件的制作工藝完全能與成熟的藍(lán)光GaN基LED器件制備工藝兼 容，因而成本低、工藝簡單。


圖1是本發(fā)明器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明材料生長工藝流程圖；圖3是本發(fā)明窗口區(qū)制作的工藝流程圖； 圖4是本發(fā)明器件電極制作工藝流程圖。
參照圖l，本發(fā)明器件的最下層為藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底上為低溫A1N成核 層，低溫A1N成核層上為高溫成核層，高溫AIN成核層上為AlGaN外延層，AlGaN 外延層上為n型AlGaN勢壘層，n型AlGaN勢壘層上為有源區(qū)，該有源區(qū)由多量 子阱結(jié)構(gòu)的AlxGai.xN/AlyGawN組成，有源區(qū)上為高Al組分p型AlGaN勢壘層， 其上為低Al組分的p型AlGaN層，最上面為p型GaN冒層。p型GaN冒層處設(shè)有 窗口區(qū)W，使產(chǎn)生的光由頂部冒層發(fā)出。該窗口區(qū)W的形狀類似于半球體，其底 部位于p型AlGaN勢壘層厚度的五分之四處。窗口區(qū)W的頂部寬度與底部寬度的 比例為2: 1， n型電極位于n-AlGaN臺面上，p型電極位于p型GaN冒層上。
本發(fā)明器件的制作工藝如圖2、圖3和圖4所示。以下分六個實施例進(jìn)行詳細(xì) 描述。
實施例一，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、窗口區(qū)制作和電極制作三個部分。 1.參照圖2，材料生長步驟如下
步驟l，在藍(lán)寶石基片上，利用MOCVD工藝，生長低溫A1N成核層。 將襯底溫度降低為600。C，保持生長壓力50Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣
流量為1500sccm，向反應(yīng)室通入流量為23pmol/min的鋁源，生長厚度為7nm的低
溫A1N成核層。
步驟2，在低溫A1N成核層上，生長高溫A1N成核層。
將生長溫度升高到1050°C，保持生長壓力50Torr,氫氣流量為1500sccm，氨 氣流量為1500sccm，向反應(yīng)室通入流量為26pmol/min的鋁源，生長厚度為180nm 的高溫A1N成核層。
步驟3，在高溫A1N成核層上，生長AlGaN外延層。
生長溫度保持在1050°C，生長壓力保持為110Torr，氫氣流量為1500sccm，氨 氣流量為1500sccm，向反應(yīng)室通入流量為42pmol/min的鋁源和75pmol/min的鎵源， 生長厚度為1300nm的非摻雜的AlGaN外延層。
步驟4，在AlGaN外延層上，生長Si摻雜的n型AlGaN勢壘層。 生長溫度保持在1050°C，生長壓力保持為110Torr，氫氣流量為1500sccm，氨 氣流量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為55pmol/min的鋁源、60pmol/min的鎵 源以及2-4)xmol/min的Si源，生長厚度為600nm的Si摻雜的AlGaN勢壘層。步驟5，在n型AlGaN勢壘層上，生長多量子阱AlxGa,.xN/AlyGa^N層，(x<y)。 生長溫度保持在1050°C，生長壓力保持為120Torr，氫氣流量為1500sccm，氨 氣流量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為65pmol/min的鋁源和80pmol/min的鎵 源，生長厚度為2-7nm的AlxGa"N勢阱層；生長溫度保持在105(TC，保持生長壓 力70Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為 80pmol/min的鋁源，65pmol/min的鎵源，生長厚度為2-10nm的AlyGai.yN勢壘層， 量子阱的周期為3-5個。
步驟6，在多量子阱AlxGa^N/AlyGaLyN層上，生長40%-60%的高Al組分p 型AlGaN勢壘層。
生長溫度保持在IOO(TC，生長壓力保持為100Torr，氫氣流量為1500sccm，氨 氣流量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為110pmol/min的鋁源、80Mmol/min的鎵 源，以及3-5timol/niin的Mg源，生長厚度為50nm的高Al組分的p型AlGaN勢壘層。
步驟7，在p型勢壘層上，生長10X-25。/。的低Al組分p型AlGaN層。 生長溫度保持在IOOO'C，生長壓力保持為100Torr,氫氣流量為1500sccm，氨
氣流量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為80pmol/min的鋁源、120pmol/min的鎵
源以及3-5pmol/min的Mg源，生長厚度為60nm的低Al組分的p型AlGaN勢壘層。 步驟8，在所述的低Al組分p型AlGaN層上，生長p型GaN冒層。 生長溫度保持在950'C，保持生長壓力70Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流
量1500sccm，向反應(yīng)室同時通入流量為65pmol/min的鎵源，以及3-5pmol/min的
Mg源，生長厚度為60nm的p型GaN冒層。
2.參照圖3，本發(fā)明的器件窗口區(qū)制作步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者RIE工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。
采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的Si02層來作為刻蝕掩模層。由于 AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠共同起 作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為卯"C的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
采用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為IIOV， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為400s;采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmiii去除Si02掩膜，最后用 去離子水清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用ICP二次刻蝕窗口區(qū)至低 Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱體的出光窗口 。
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在9(TC的烘箱中烘15min，通過光 刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口；
采用ICP干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN層，刻蝕采用的氣體 為Cl2/BCl3，刻蝕深度為90nm，刻蝕采用的電極功率為180W，偏壓為150V,壓力 為1Pa，刻蝕時間為230s，形成圓柱體的出光窗口。
第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。
首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti;之后將其放入到70'C的 KOH溶液中3min,進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-2V 的偏壓，15min的刻蝕時間，形成類似于半球體的出光窗口，最后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti;
3.參照圖4，本發(fā)明的電極制作步驟如下
1) 在n型AlGaN層上光刻出n型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在電極 圖形區(qū)蒸發(fā)n型歐姆接觸金屬，形成n型電極。
為了更好地剝離金屬，首先在樣片上甩黏附劑，轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/min，時間為 30s，在溫度為16(TC的高溫烘箱中烘20min，然后在該樣片上甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000 轉(zhuǎn)/min，最后在溫度為8(TC的高溫烘箱中烘10min，光刻獲得n型電極圖形；
采用DQ-500等離子體去膠機(jī)去除圖形區(qū)未顯影干凈的光刻膠薄層，該步驟大 大提高了剝離的成品率，而后采用VPC-1000電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積Ti/Al/Ti/Au四層 金屬；
在丙酮中浸泡40min以上后進(jìn)行超聲處理，然后用氮氣吹干。將樣片放入到快 速退火爐中，首先向退火爐內(nèi)通入氮氣1 Omin左右，然后在氮氣氣氛下，溫度為870°C 條件下進(jìn)行40s的高溫退火，形成n型電極。
2) 在p型GaN冒層上光刻出p型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在電極 圖形區(qū)蒸發(fā)p型歐姆接觸金屬，形成p型電極。首先，在樣片上甩黏附劑，甩膠臺的轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)/min，時間為30s，將其放 入溫度為16(TC的高溫烘箱中烘20min，之后在該樣片上甩正膠，甩膠臺的轉(zhuǎn)速為 5000轉(zhuǎn)/min，放入溫度為8(TC的高溫烘箱中烘10min，光刻獲得p型電極圖形；
其次，采用DQ-500等離子體去膠機(jī)去除圖形區(qū)未顯影干凈的光刻膠薄層，在 p型電極圖形上采用VPC-1100電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)Ni/Au兩層金屬來作為p型電 極；
最后，將進(jìn)行完上述處理的樣片放入丙酮中浸泡20min以上后進(jìn)行超聲處理， 并用氮氣吹干，之后再將該樣片放入到快速退火爐中，在空氣氣氛下，溫度為56(TC 條件下進(jìn)行10min的高溫退火，形成p型電極，完成器件制作。
實施例二，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、窗口區(qū)制作和電極制作三個部分。
1. 材料生長步驟 該材料生長步驟與實施例一相同。
2. 器件窗口區(qū)制作如圖3所示，具體步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者R正工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。
采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的Si02層來作為刻蝕掩模層。由于 對于AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠 共同起作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為90'C的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
采用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為IIOV， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為400s;
采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmin去除Si02掩膜，最后用 去離子氷清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用ICP二次刻蝕窗口區(qū)至低 Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱體的出光窗口 。
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在9(TC的烘箱中烘15min，通過光 刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口；
采用ICP干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN層，刻蝕深度為卯nm， 刻蝕采用的氣體為C12/BC13，刻蝕采用的電極功率為400W,偏壓為90V，壓力為 2Pa，刻蝕時間為160s，形成圓柱體的出光窗口。第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。
首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到7(TC的 K0H溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為:325nm的He-Cd激光照射，-3V 的偏壓，12min的刻蝕時間，形成類似于半球體的出光窗口，最后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti;
3.電極制作步驟
該電極制作步驟與實施例一相同。
實施例三，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、窗口區(qū)制作和電極制作三個部分。
1. 材料生長步驟
該材料生長步驟與實施例一相同。
2. 器件窗口區(qū)制作如圖3所示，具體步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者R正工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。
采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的Si02層來作為刻蝕掩模層。由于 對于AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠 共同起作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為90'C的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
采用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為110V， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為400s;
采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmin去除Si02掩膜，最后用 去離子水清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用ICP二次刻蝕窗口區(qū)至p 型低Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱體的出光窗口 。
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在卯'C的烘箱中烘15min，通過光 刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口 ；
采用ICP干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN勢壘層，刻蝕深度為 90nm，刻蝕采用的氣體為CVBCl3，刻蝕采用的電極功率為600W，偏壓為0V,壓 力為3Pa，刻蝕時間為100s，形成圓柱體的出光窗口。第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。
首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到70'C的 K0H溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-4V 的偏壓，10min的刻蝕時間，形成類似于半^^體的出光窗口，最后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti。
3.電極制作步驟' 該電極制作步驟與實施例一相同。
實施例四，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、器件制作和電極制作三個部分。
1. 材料生長步驟 該材料生長步驟與實施例一相同。
2. 器件窗口區(qū)制作如圖3所示，具體步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者R正工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。 采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的&02層來作為刻蝕掩模層。由于 對于AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠 共同起作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為90°C的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
采用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為110V， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為400s;
采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmin去除Si02掩膜，最后用 去離子水清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用R正二次刻蝕窗口區(qū)至低 Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱體的出光窗口。
在樣片表面涂上光刻膠，在轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min的甩膠臺上進(jìn)行甩膠，然后在
9(TC的烘箱中烘15min，通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口；
采用R正干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN層，刻蝕深度為90nm， 刻蝕采用的氣體為C12/BC13，刻蝕采用的電極功率為80W，偏壓為210V，壓力為 10mT，刻蝕時間為210s，形成圓柱狀的出光窗口。第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。
首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到80。C的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為325ran的He-Cd激光照射，-4V 的偏壓，13min的刻蝕時間，形成類似于半球體的出光窗口，最后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti。
3.電極制作步驟
該電極制作步驟與實施例一相同。
實施例五，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、器件制作和電極制作三個部分。
1. 材料生長步驟 該材料生長步驟與實施例一相同。
2. 器件窗口區(qū)制作如圖3所示，具體步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者R正工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。
采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的Si02層來作為刻蝕掩模層。由于 對于AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠 共同起作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為90°C的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
釆用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為110V， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為^0s;
采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmin去除Si02掩膜，最后用 去離子水清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用R正二次刻蝕窗口區(qū)至低
Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱體的出光窗口 。
在樣片表面涂上光刻膠，在轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min的甩膠臺上進(jìn)行甩膠，然后在 卯"C的烘箱中烘15min，通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口；
采用R正干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN勢壘層，刻蝕深度為 90nm，刻蝕采用的氣體為C12/BC13，刻蝕采用的電極功率為350W，偏壓為485V， 壓力為7mT，刻蝕時間為155s，形成圓柱狀的出光窗口。第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。
首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到8(TC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-5V 的偏壓'，10min的刻蝕時間，形成類似于半球體的出光窗口，最后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti。
3.電極制作步驟
該電極制作步驟與實施例一相同。
實施例六，本發(fā)明器件的制作包括材料生長、器件制作和電極制作三個部分。
1. 材料生長步驟 該材料生長步驟與實施例一相同。
2. 器件窗口區(qū)制作如圖3所示，具體步驟如下
第一步，在p型GaN冒層上采用ICP或者R正工藝刻蝕臺面至n型AlGaN層。
采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積厚度約為300nm的Si02層來作為刻蝕掩模層。由于 對于AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成Si02和光刻膠 共同起作用的雙層掩膜圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；
對樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min，然后再在溫度為9(TC的烘箱中烘15min， 通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；
采用ICP干法刻蝕，形成臺面，刻蝕時采用的電極功率為550W，偏壓為110V， 壓力為1.5Pa，刻蝕時間為400s;
采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在BOE中浸泡lmin去除Si02掩膜，最后用 去離子水清洗干凈并用氮氣吹干，除去刻蝕后的掩膜層。
第二步，在p型GaN冒層上光刻出一圓形窗口，采用R正二次刻蝕窗口區(qū)至低 Al組分的p型AlGaN勢壘層的一半處，形成圓柱狀的出光窗口。
在樣片表面涂上光刻膠，在轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min的甩膠臺上進(jìn)行甩膠，然后在 9CTC的烘箱中烘15min，通過光刻以及顯影形成刻蝕所需的出光窗口 ；
采用R正干法刻蝕p型GaN層至低Al組分的p型AlGaN勢壘層，刻蝕深度為 90nm，刻蝕采用的氣體為C12/BC13，刻蝕采用的電極功率為400W，偏壓為620V， 壓力為5mT，刻蝕時間為80s，形成形成圓柱狀的出光窗口。第三步，采用紫外光輔助濕法刻蝕工藝，形成類似于半球體的出光窗口 W。 首先，在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采 用電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到8(TC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理，然后對其進(jìn)行紫外光輔助濕法刻蝕， 采用KOH電解液，其濕法刻蝕的工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-6V 的偏壓，8min的刻蝕時間，形成類似于半球體的出光窗口，最后將其放入到l: 10 的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti; 3.電極制作步驟
該電極制作步驟與實施例一相同。
權(quán)利要求
1.一種AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件，包括AlN成核層、本征AlGaN外延層、n型AlGaN勢壘層、有源區(qū)、p型AlGaN勢壘層、低Al組分p型AlGaN層和p型GaN冒層，其特征在于p型GaN冒層的中心刻蝕有類似于半球狀窗口區(qū)(W)，用于控制光從頂部p型GaN冒層發(fā)出，提高出射光強(qiáng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件，其特征在于 A1N成核層分為兩層，第一層是55(TC-650'C的低溫成核層，第二層是92CTC-1050 'C的高溫成核層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件，其特征在于 窗口區(qū)(W)的底部位于p型AlGaN勢壘層厚度的五分之四處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件，其特征在于 窗口區(qū)(W)頂部寬度與底部寬度的比例為2: 1。
5. —種AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件的制作方法，包括A. 材料生長步驟在藍(lán)寶石基片上，利用MOCVD工藝，按照自下而上的順 序生長低溫A1N成核層、高溫A1N成核層、AlGaN外延層、n-AlGaN勢壘層、有 源區(qū)、40%-60%的高Al組分p型AlGaN勢壘層、10%-25%的低Al組分p型AlGaN 層和p型GaN層；B. 窗口區(qū)(W)制作步驟(Bl)采用ICP或者RIE工藝從頂部p型GaN冒層刻蝕至n型AlGaN層，形成 n型AlGaN臺面；(B2)先光刻出位于p型GaN冒層的圓形窗口，再采用氯基ICP工藝二次刻蝕 窗口區(qū)至低Al組分的p型AlGaN層，形成圓柱體的出光窗口，其刻蝕工藝參數(shù)分 別為180W-600W的上電極功率，0-150V的偏壓，l-3Pa的壓力、100-230s的刻 蝕時間；(B3)在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采用 電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到7(TC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理；(B4)采用KOH電解液對預(yù)處理后的樣片進(jìn)行光輔助濕法刻蝕，形成類似于半 球體的出光窗口，其濕法刻蝕工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-2V_-4V的偏壓，10-15min的刻蝕時間；之后將其放入到1: IO的HF溶液中漂洗掉金屬掩膜層Ti;C.電極制作步驟(Cl)在n型AlGaN臺面上光刻出n型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在 電極圖形區(qū)蒸發(fā)n型歐姆接觸金屬，形成n型電極；(C2)在p型GaN冒層光刻出p型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在電極 圖形區(qū)蒸發(fā)p型歐姆接觸金屬，形成p型電極，完成器件制作。
6. —種AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件的制作方法，包括 1、材料生長步驟在藍(lán)寶石基片上，利用MOCVD工藝，按照自下而上的順 序生長低溫A1N成核層、高溫A1N成核層、AlGaN外延層、n-AlGaN勢壘層、有 源區(qū)、40%-60%的高Al組分p型AlGaN勢壘層、10%-25%的低Al組分p型AlGaN 層和p型GaN層；2)窗口區(qū)(W)制作步驟(2a)采用ICP或者RIE工藝從頂部p型GaN冒層刻蝕至n型AlGaN層，形成 n型AlGaN臺面；(2b)在p型GaN冒層中心先光刻出圓形窗口，再采用氯基RIE工藝二次刻蝕 窗口區(qū)至p型AlGaN勢壘層，形成圓柱體的出光窗口，其刻蝕工藝參數(shù)分別為 80W-400W的電極功率，210-620V的偏壓，5-10mT的反應(yīng)室壓力，80-210s的刻蝕 時間；(2c)在n型AlGaN臺面和p型GaN冒層上光刻出濕法刻蝕的掩膜圖形，采用 電子束蒸發(fā)工藝，在掩膜圖形區(qū)蒸發(fā)濕法掩膜金屬層Ti，之后將其放入到8CTC的 KOH溶液中3min，進(jìn)行濕法刻蝕前的預(yù)處理；(2d)采用KOH電解液對預(yù)處理后的樣片進(jìn)行光輔助濕法刻蝕，形成類似于半 球體的出光窗口，其濕法刻蝕工藝參數(shù)分別為325nm的He-Cd激光照射，-4V— -6V的偏壓，8-13min的刻蝕時間；之后將其放入到1: 10的HF溶液中漂洗掉金屬 掩膜層Ti;3).電極制作步驟 ，(3a)在n型AlGaN臺面上光刻出n型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在窗 口區(qū)蒸發(fā)n型歐姆接觸金屬，形成n型電極；(3b)在p型GaN冒層光刻出p型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在窗口區(qū)蒸發(fā)p型歐姆接觸金屬，形成p型電極，完成器件制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種AlGaN基藍(lán)寶石襯底的紫外LED器件及制作方法，它涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，主要解決出射光效率低的問題。該器件自下而上依次包括低溫AlN成核層、高溫AlN成核層、本征AlGaN外延層、n-AlGaN勢壘層、有源區(qū)、p-AlGaN勢壘層、低Al組分p型AlGaN層、p型GaN冒層，以及在p型GaN冒層設(shè)有的窗口區(qū)。該器件通過干法刻蝕p-GaN冒層至低Al組分的p-AlGaN，形成了圓柱狀的出射光窗口，其后對其進(jìn)行光輔助濕法刻蝕，將柱狀出射光窗口變?yōu)轭惏肭驙畲翱?，在增大了窗口的出射孔徑的同時，又能使窗口區(qū)的材料表面得到了粗化，極大的提高了出射光的功率和效率。本發(fā)明工藝簡單，重復(fù)性好，可靠性高，可用于水處理，醫(yī)療、生物醫(yī)學(xué)場合以及白光照明中。
文檔編號H01L33/00GK101527342SQ20091002179
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者周小偉, 李培咸, 凌 楊, 躍 郝, 馬曉華 申請人:西安電子科技大學(xué)