紫外線(UV)光源用于許多應(yīng)用，例如水消毒、紫外線固化和光療。紫外發(fā)光二極管因其外形小巧、堅(jiān)固耐用、環(huán)保材料和可選擇的發(fā)射波長(zhǎng)，有望取代傳統(tǒng)的紫外光源，如汞氣體放電燈。然而，對(duì)于短于350納米的波長(zhǎng)，紫外發(fā)光二極管的功率轉(zhuǎn)換效率低于10%，強(qiáng)烈限制了它們的廣泛使用。限制功率轉(zhuǎn)換效率的主要因素之一是光提取效率，這可以通過(guò)薄膜倒裝芯片(TFFC)設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)。

用于襯底去除的AlGaN熱分解的替代方案是摻雜選擇性電化學(xué)蝕刻。這已經(jīng)被用于橫向蝕刻氮化鎵和低鋁組成的AlGaN層，用于制造在藍(lán)色區(qū)域發(fā)光的薄膜發(fā)光二極管，第三族氮化物膜的轉(zhuǎn)移，和光子晶體結(jié)構(gòu)的制造。電化學(xué)蝕刻對(duì)加工設(shè)備要求低，可以使用標(biāo)準(zhǔn)電鍍工具完成。這與基于帶隙選擇性吸收的光電化學(xué)蝕刻形成對(duì)比。因此，光電化學(xué)蝕刻需要更復(fù)雜的設(shè)置和特定波長(zhǎng)的均勻照明。對(duì)于光電化學(xué)蝕刻來(lái)說(shuō)犧牲層和器件層不僅要像在電化學(xué)蝕刻中那樣根據(jù)選擇性電流流動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)。

UVB發(fā)光二極管的外延層結(jié)構(gòu)包括電化學(xué)蝕刻所需的層，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是在一個(gè)3×2英寸的緊密耦合的噴淋式反應(yīng)器中使用標(biāo)準(zhǔn)前體三甲基鋁(TMAl)，三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)和氨(NH3)，其中氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣。硅烷(SiH4)用作n-摻雜劑源，環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)用作p-摻雜劑。首先，用AlN/AlGaN超晶格生長(zhǎng)在氮化鋁/藍(lán)寶石襯底，隨后是硅濃度為21018cm-3的4 lm厚的弛豫硅摻雜Al0.5Ga0.5N層，以完成準(zhǔn)襯底。在此之后，硅濃度為21019cm-3的130 nm厚的鋁0.37Ga0.63N:硅犧牲層被夾在硅濃度降低為0.51018cm-3的兩個(gè)240 nm厚的鋁0.5Ga0.5N:硅蝕刻停止層之間。最重要的是生長(zhǎng)了發(fā)光二極管用硅電流擴(kuò)散層。

圖1 UVBLED的外延結(jié)構(gòu)和通過(guò)電化學(xué)蝕刻去除襯底所需的層

在樣品的一端使用電子束蒸發(fā)并在N2氣氛中于900℃退火1分鐘。然后在雙臺(tái)面上蒸發(fā)50納米鈀-磷接觸，并在N2氣氛中于550℃退火1分鐘。為了在電化學(xué)過(guò)程中保護(hù)摻雜的外延發(fā)光二極管層免受寄生蝕刻過(guò)程中，使用濺射在樣品上沉積二氧化硅層。在第一干蝕刻步驟中，二氧化硅層在臺(tái)面旁邊被向下蝕刻以獲得更薄的系繩層，同時(shí)將其1 lm的全部厚度保持在臺(tái)面頂部，以在臺(tái)面頂部和樣品表面之間產(chǎn)生更大的距離，從而促進(jìn)結(jié)合。

二氧化硅層在三個(gè)不同的位置被打開:在臺(tái)面的頂部以接近p接觸層，在臺(tái)面邊緣的一點(diǎn)以暴露犧牲層，以及在用于電化學(xué)蝕刻的n接觸焊盤上。隨后，通過(guò)傾斜電子束蒸發(fā)在臺(tái)面上沉積用于鍵合和接觸的鈦/金焊盤。p面處理后的器件結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

為了從襯底上釋放發(fā)光二極管，使用電化學(xué)蝕刻橫向去除犧牲層。在此步驟中，樣品浸入0.3 M硝酸中，并在三電極裝置中與生物恒電位儀電連接，如圖2(b)。為了防止寄生蝕刻，保護(hù)與樣品的電連接免受電解液的影響。使用石墨棒作為參比電極來(lái)驅(qū)動(dòng)所需的電流通過(guò)樣品，以便在樣品上實(shí)現(xiàn)相對(duì)于銀/氯化銀參比電極的設(shè)定電位。用磁力攪拌棒攪拌電解質(zhì)，并在室溫下進(jìn)行蝕刻，無(wú)需有意照明。選擇25伏的蝕刻電壓對(duì)銀/氯化銀參比電極，以實(shí)現(xiàn)完全去除 n摻雜Al0.37Ga0.63N犧牲層。

這相對(duì)于兩側(cè)的蝕刻阻擋層，犧牲層的較低鋁成分和較高摻雜將蝕刻限制在僅犧牲層。因?yàn)闋奚鼘觾H在臺(tái)面的一側(cè)暴露于電解質(zhì)，所以蝕刻在一個(gè)步驟中從一個(gè)方向穿過(guò)臺(tái)面進(jìn)行，如圖2(c)。二氧化硅側(cè)壁保護(hù)進(jìn)一步確保了整個(gè)電化學(xué)蝕刻過(guò)程中良好的電流和恒定的蝕刻條件，如圖2(c)和2(d)。蝕刻過(guò)程結(jié)束后，將樣品浸入去離子水中1分鐘以溶解酸殘留物，然后浸入異丙醇中以減少在空氣中干燥時(shí)對(duì)膜的任何作用力。蝕刻不足的發(fā)光二極管由二氧化硅系繩固定。為了倒裝芯片接合欠蝕刻的薄膜發(fā)光二極管，使用熱壓接合。在鍵合之前，用紫外-臭氧清洗具有鈦/金(10/300納米)鍵合層的發(fā)光二極管器件和硅載體芯片上的鍵合金屬表面。隨后，使用內(nèi)部設(shè)計(jì)的不銹鋼壓縮夾具將芯片壓在一起在300℃的烘箱中放置2小時(shí)，如圖3(a)。

圖3 (a)真空烘箱中的倒裝芯片鍵合，以及(b)n接觸退火前薄倒裝芯片發(fā)光二極管的示意圖和光學(xué)顯微鏡圖像

對(duì)于n型觸點(diǎn)，選擇的目的是將p觸點(diǎn)通過(guò)聚焦離子束切割獲得的最終TFFC發(fā)光二極管的截面掃描電鏡圖像顯示了清晰的器件層，并顯示了平滑的蝕刻表面，如圖4。此外，器件層沒有顯示出被電化學(xué)蝕刻工藝多孔化的跡象。發(fā)光二極管層和蝕刻停止層的摻雜水平、厚度和鋁成分相對(duì)于犧牲層和蝕刻電壓的不當(dāng)組合將導(dǎo)致孔徑為50納米-100納米的不期望的多孔化，這在橫截面掃描電鏡圖像中是清晰可見的。

電壓與電流密度的關(guān)系揭示了發(fā)光二極管的高微分電阻約為3 A/cm2時(shí)為63 kX。這歸因于高電阻n型觸點(diǎn)as制造工藝沒有針對(duì)N極背面進(jìn)行優(yōu)化，具有低n型摻雜，另外受到有限退火溫度的阻礙，以避免損壞發(fā)光二極管和p接觸的可能退化。不同的工藝流程可以解決這些問(wèn)題，其中n接觸可以在p接觸之前退火。

總之，我們展示了一種薄膜倒裝UVB發(fā)光二極管，其中襯底的去除是通過(guò)AlGaN犧牲層的橫向電化學(xué)蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)相對(duì)于蝕刻停止層和器件層的犧牲層(摻雜水平、厚度和鋁成分)的適當(dāng)設(shè)計(jì)以及蝕刻電壓的選擇，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上或光學(xué)上不受襯底去除技術(shù)的影響。電致發(fā)光光譜顯示薄膜倒裝發(fā)光二極管在311納米處有一個(gè)單一的峰值發(fā)射，這對(duì)應(yīng)于生長(zhǎng)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長(zhǎng)，表明薄膜倒裝過(guò)程中沒有引入或釋放明顯的應(yīng)變。發(fā)光二極管的高串聯(lián)電阻歸因于非優(yōu)化退火溫度引起的高接觸電阻和低摻雜、N極AlGaN上的N接觸?？蛇x的工藝流程，其中n觸點(diǎn)是在p接觸之前退火，應(yīng)該可以解決這個(gè)問(wèn)題。所開發(fā)的薄膜工藝不限于紫外發(fā)光二極管，還可以應(yīng)用于深紫外發(fā)光二極管和其他器件，如紫外垂直腔面發(fā)射激光器，這些器件得益于高質(zhì)量的ⅲ族氮化物器件層與其他結(jié)構(gòu)(如介質(zhì)分布布拉格反射器)的集成。

　　審核編輯：湯梓紅