紫外線(UV)光源用于許多應用，例如水消毒、紫外線固化和光療。紫外發光二極管因其外形小巧、堅固耐用、環保材料和可選擇的發射波長，有望取代傳統的紫外光源，如汞氣體放電燈。然而，對于短于350納米的波長，紫外發光二極管的功率轉換效率低于10%，強烈限制了它們的廣泛使用。限制功率轉換效率的主要因素之一是光提取效率，這可以通過薄膜倒裝芯片(TFFC)設計來改進。

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蝕刻。這已經被用于橫向蝕刻氮化鎵和低鋁組成的AlGaN層，用于制造在藍色區域發光的薄膜發光二極管，第三族氮化物膜的轉移，和光子晶體結構的制造。電化學蝕刻對加工設備要求低，可以使用標準電鍍工具完成。這與基于帶隙選擇性吸收的光電化學蝕刻形成對比。因此，光電化學蝕刻需要更復雜的設置和特定波長的均勻照明。對于光電化學蝕刻來說犧牲層和器件層不僅要像在電化學蝕刻中那樣根據選擇性電流流動來設計。

UVB發光二極管的外延層結構包括電化學蝕刻所需的層，如圖1所示。該結構是在一個3×2英寸的緊密耦合的噴淋式反應器中使用標準前體三甲基鋁(TMAl)，三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)和氨(NH3)，其中氫氣或氮氣作為載氣。硅烷(SiH4)用作n-摻雜劑源，環戊二烯基鎂(Cp2Mg)用作p-摻雜劑。首先，用AlN/AlGaN超晶格生長在氮化鋁/藍寶石襯底，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240 nm厚的鋁0.5Ga0.5N:硅蝕刻停止層之間。最重要的是生長了發光二極管用硅電流擴散層。

圖1 UVBLED的外延結構和通過電化學蝕刻去除襯底所需的層

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

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

為了從襯底上釋放發光二極管，使用電化學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驅動所需的電流通過樣品，以便在樣品上實現相對于銀/氯化銀參比電極的設定電位。用磁力攪拌棒攪拌電解質，并在室溫下進行蝕刻，無需有意照明。選擇25伏的蝕刻電壓對銀/氯化銀參比電極，以實現完全去除 n摻雜Al0.37Ga0.63N犧牲層。

這相對于兩側的蝕刻阻擋層，犧牲層的較低鋁成分和較高摻雜將蝕刻限制在僅犧牲層。因為犧牲層僅在臺面的一側暴露于電解質，所以蝕刻在一個步驟中從一個方向穿過臺面進行，如圖2(c)。二氧化硅側壁保護進一步確保了整個電化學蝕刻過程中良好的電流和恒定的蝕刻條件，如圖2(c)和2(d)。蝕刻過程結束后，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對膜的任何作用力。蝕刻不足的發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，使用內部設計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，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光二極管的示意圖和光學顯微鏡圖像

對于n型觸點，選擇的目的是將p觸點通過聚焦離子束切割獲得的最終TFFC發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蝕刻工藝多孔化的跡象。發光二極管層和蝕刻停止層的摻雜水平、厚度和鋁成分相對于犧牲層和蝕刻電壓的不當組合將導致孔徑為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系揭示了發光二極管的高微分電阻約為3 A/cm2時為63 kX。這歸因于高電阻n型觸點as制造工藝沒有針對N極背面進行優化，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發光二極管，其中襯底的去除是通過AlGaN犧牲層的橫向電化學蝕刻來實現的。通過相對于蝕刻停止層和器件層的犧牲層(摻雜水平、厚度和鋁成分)的適當設計以及蝕刻電壓的選擇，發光二極管結構在結構上或光學上不受襯底去除技術的影響。電致發光光譜顯示薄膜倒裝發光二極管在311納米處有一個單一的峰值發射，這對應于生長發光二極管結構的發射波長，表明薄膜倒裝過程中沒有引入或釋放明顯的應變。發光二極管的高串聯電阻歸因于非優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。可選的工藝流程，其中n觸點是在p接觸之前退火，應該可以解決這個問題。所開發的薄膜工藝不限于紫外發光二極管，還可以應用于深紫外發光二極管和其他器件，如紫外垂直腔面發射激光器，這些器件得益于高質量的ⅲ族氮化物器件層與其他結構(如介質分布布拉格反射器)的集成。

　　審核編輯：湯梓紅