CN107507896A - 一种紫外led光源倒装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外LED光源倒装结构，包括：衬底，在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、n型导电层、量子阱有源区、电子阻挡层、p型导电层、电流扩展层以及金属反射层。贯穿金属反射层以及部分电流扩展层的第一电极凹槽；贯穿n型导电层、量子阱有源区、电子阻挡层、p型导电层、电流扩展层以及金属反射层的第二电极凹槽；与第一电极凹槽接触连接的p电极，与第二电极凹槽接触连接的n电极；设置于外延层结构背离衬底一侧的环形金属条结构，环形金属条结构对p电极以及n电极进行环形包裹，且与p电极连接，与n电极不连接。该紫外LED光源倒装结构具有发光效率高、防静电释放危害、散热快、抗老化及可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元器件封装技术领域，更具体地说，尤其涉及一种紫外LED光源倒装结构。
背景技术
随着科学技术的不断发展，与常规的紫外光源相比较，紫外LED光源是一种冷光源，具有无热辐射、寿命长且不受开关频率的影响、能量高、照射均匀、效率高以及不含有毒物质等特点，广泛应用于生物医疗检测、杀菌消毒除臭、印刷、固化、数据存储以及通信探测等领域。
但是，现有存在的紫外LED光源的衬底、各个外延层以及接触电极等使用材料内部存在表面裂纹以及晶体质量差等问题；并且在后续固晶、封装等工艺过程中，存在紫外LED光源芯片尺寸小、制备工艺复杂难度高、散热性差、耐大脉冲电流冲击能力弱、电压浪涌打击大、发光面积小、亮度差、发光效率低以及静电释放危害等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种紫外LED光源倒装结构，该紫外LED光源倒装结构具有防漏电、发光效率高、电压浪涌小、防静电释放危害、散热快、抗老化及可靠性高等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种紫外LED光源倒装结构，所述紫外LED光源倒装结构包括：
衬底；
设置在所述衬底上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、n型导电层、量子阱有源区、电子阻挡层、p型导电层、电流扩展层以及金属反射层；其中，所述第一方向垂直于所述衬底、且由所述衬底指向所述外延层结构；
贯穿所述金属反射层以及部分所述电流扩展层的第一电极凹槽；
贯穿所述n型导电层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述p型导电层、所述电流扩展层以及所述金属反射层的第二电极凹槽；
与所述第一电极凹槽接触连接的p电极，与所述第二电极凹槽接触连接的n电极；
设置于所述外延层结构背离所述衬底一侧的环形金属条结构，所述环形金属条结构对所述p电极以及所述n电极进行环形包裹，且与所述p电极连接，与所述n电极不连接。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：钝化层；
其中，所述钝化层覆盖所述外延层结构的表面。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述p型导电层包括：p型AlGaN层以及p型GaN层；
其中，所述p型AlGaN层以及p型GaN层在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层与所述电流扩展层之间。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述第二电极凹槽底部的金属层；
分别设置于所述第一电极凹槽内部侧壁以及所述第二电极凹槽内部侧壁的绝缘层；
分别设置于所述第一电极凹槽内部侧壁以及所述第二电极凹槽内部侧壁背离所述绝缘层一侧的电极接触结构。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
与所述p电极以及所述n电极连接的散热衬底。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述散热衬底表面，且与所述p电极以及所述n电极接触连接的薄膜导电层。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述薄膜导电层与所述散热衬底之间的金属布线层。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
与所述散热衬底固定连接的基座；
设置与所述基座与所述散热衬底之间的导电银浆层。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
用于封装紫外LED光源的支架，以及与所述支架相匹配的密封透镜。
优选的，在上述紫外LED光源倒装结构中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述支架内侧的直角三角形的反光杯，以及设置于所述反光杯、所述外延层结构以及所述密封透镜之间的发光填充材料。
通过上述描述可知，本发明提供的紫外LED光源倒装结构通过在与所述第一方向相反方向设置的第一电极凹槽以及第二电极凹槽，直接缩短了紫外LED光源芯片内部与外部热沉之间的热路径，在一方面提高了紫外LED光源芯片的散热效率，同时设置在第一电极凹槽以及第二电极凹槽内部与外部p电极以及n电极连接的接触结构，也间接起到了分流的作用，减缓了功率型紫外LED光源芯片工作时大脉冲电流的冲击效果；并且本发明形成的p电极以及n电极的方式与传统的n型凹陷区域相比较，简化了工艺的复杂程度，保留了紫外LED光源芯片的大部分台面结构，减少了对台面的刻蚀，进而增大发光面积，提高了出光强度，同时还减小了由传统刻蚀方式带来的侧壁漏电的现象，进而起到保护紫外LED光源芯片的作用。
并且，通过设置与所述p电极连接且与所述n电极不连接的环形金属条结构，也就是说，在外延层的台面结构处设置未封闭的环形金属条结构，形成了一种与内部整体氮化物LED结构相对应的金属氧化物半导体电容器，结合半导体电容器本身充电、防电的结构特性，形成对电荷的存储与释放，进而减小了静电释放和电压浪涌对LED芯片的危害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种紫外LED光源倒装结构的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种紫外LED光源芯片的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种紫外LED光源倒装结构的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种紫外LED光源倒装结构的截面示意图。参考图2，图2为本发明实施例提供的一种紫外LED光源芯片的截面示意图。
所述紫外LED光源倒装结构包括：
衬底1。
设置在所述衬底1上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层2、超晶格结构3、n型导电层4、量子阱有源区5、电子阻挡层6、p型导电层7、电流扩展层8以及金属反射层9；其中，所述第一方向垂直于所述衬底1、且由所述衬底1指向所述外延层结构。
贯穿所述金属反射层9以及部分电流扩展层8的第一电极凹槽10。
贯穿所述n型导电层4、所述量子阱有源区5、所述电子阻挡层6、所述p型导电层7、所述电流扩展层8以及所述金属反射层9的第二电极凹槽11。
与所述第一电极凹槽10接触连接的p电极12，与所述第二电极凹槽11接触连接的n电极13。
设置于所述外延层结构背离所述衬底1一侧的环形金属条结构14，所述环形金属条结构14对所述p电极12以及所述n电极13进行环形包裹，且与所述p电极12连接，与所述n电极13不连接。
其中，所述n型导电层4为n型AlGaN层。
进一步的，所述p型导电层7包括：p型AlGaN层71以及p型GaN层72。
其中，所述p型AlGaN层71以及p型GaN层72在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层6与所述电流扩展层8之间。
其中，该衬底1的厚度可选为150um，缓冲及成核层2的厚度可选为30nm，超晶格结构3可选为0.1um厚度的、周期性的AlN外延材料或AlGaN外延材料，n型导电层4的厚度可选为0.1um，量子阱有源区5的厚度可选为100nm，p型导电层7的厚度可选为200nm，p型AlGaN层71的厚度可选为50nm，p型GaN层72的厚度可选为150nm，电流扩展层8的厚度可选为0.5um，金属反射层9的厚度可选为0.1um。
具体的，该衬底1采用图形化蓝宝石衬底模板，通过掩膜版进行刻蚀等工艺处理后，形成横截面为正六边形的类圆柱体图案；再次通过局部诱发电位技术，在加工出沟道型的衬底上继续生产氮化物外延层结构，如图2所示衬底1上的轮齿形状，进而减小了紫外LED光源芯片制备过程中因内部材料生长时的结晶质量差、热失配应力以及线性位错等缺陷，提高了紫外LED光源芯片的内量子效率和出光效率。
在本发明实施例中，当生长外延层p型GaN层72时，采用低温条件进行生长，厚度可选为150nm，可以很好的填充由于LED光源芯片材料本身固有特性所导致的V型缺陷，明显增强了人体模式或机器模式下LED光源芯片的抗静电打击能力，进而提高LED光源芯片材料的质量和器件的可靠性。
并且，在外延层结构中生长银材料的金属反射层9，以及采用表面粗化技术来处理电子阻挡层6等结构，进一步增强了光线的反射效果，提高出光效率。
通过设置电流扩展层8，进一步改善电极与外延层内部材料之间的接触类型，有效降低了接触电阻，使得电子迁移速率加快，电流分布更加均匀，进而消减局部过热等缺陷。
最终，通过采用减薄技术对外延层进行减薄化处理，可以减少LED光源芯片本身材料特性、厚度等因素对紫外光的反射和吸收，进而减少了光线的损耗。
在本发明实施例中，在形成p电极12以及n电极13的过程中，在对外延层结构进行刻蚀和沉积时，严格控制刻蚀过程中的刻蚀速率，仅仅只对外延层台面结构的一小部分区域进行与所述第一方向的相反方向上进行刻蚀形成第一电极凹槽10以及第二电极凹槽11，取代了传统刻蚀中形成n型凹陷区域的方式，进而减小了对发光区域的刻蚀以及损害，相对来说增大了有效发光面积。
具体的，如图2所示，在所述第一方向的相反方向上从所述金属反射层9开始刻蚀直至所述电流扩展层8内部，形成第一电极凹槽10，在所述第一方向的相反方向上从所述金属反射层9开始刻蚀直至贯穿所述n型AlGaN层71，形成第二电极凹槽11。
其中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：分别设置于所述第一电极凹槽10内部侧壁以及所述第二电极凹槽11内部侧壁的绝缘层15。以及设置于所述第二电极凹槽11底部的金属层16。
具体的，通过采用沉积、蒸镀等工艺向第二电极凹槽11底部设置金属层16，之后分别在第一电极凹槽10内部侧壁以及第二电极凹槽11内部侧壁形成绝缘层15，最后分别在第一电极凹槽10以及第二电极凹槽11内均设置电极接触结构，其电极接触结构的直径均小于外延层台面结构的p电极12以及n电极13，进而增加了外延层内部的电流路径，也起到一定的分流作用，并且，该电极接触结构直接与p电极12以及n电极13直接相连，明显缩短了传热路径，使得LED光源芯片的热阻变小，更加容易散热。
并且考虑到电流扩展以及散热性等问题，优选设计p电极的个数、形状以及电极矩阵的排列方式，在本发明实施例中，p电极的个数优选为两个，n电极的个数为一个。
进一步的，在本发明实施例中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：钝化层17。其中，所述钝化层17包围所述外延层结构。
该钝化层17在第一方向上成竖直柱状结构，改善了外延层结构中有源区的电流扩展问题，降低了电流堆积效应，提高了器件的光功率。其中，优选的钝化层17的厚度为0.1um，该钝化层17形成了一种具有电容器结构的半导体氧化物层，有效防止了外界水分、台面以及台阶侧壁处的漏电流对紫外LED光源芯片造成的影响。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种紫外LED光源倒装结构的俯视图。
其中，所述环形金属条结构14包括若干未封闭的环形金属线条。
其中，所述环形金属条结构14包围所述p电极12以及所述n电极13；且通过所述环形金属线条使所述环形金属条结构14与所述p电极12连接；所述n电极13相对两边的所述环形金属条结构呈现对称式分布，且所述环形金属条结构14与所述n电极13不连接。
如图3所示，所述环形金属条结构14形成了一种与紫外LED光源芯片内部氮化物相互平行的电容器结构；在一方面，形成的电容器结构解决了静电释放电荷直接穿过紫外LED光源芯片时带来的伤害，有效的保护了pn结，显著提高了防静电等级以及耐静电打击强度，减缓了芯片的老化；另一方面，可通过优化金属电极图形，有效地缓解了静电电荷感应出的分布电流所带来的影响。并且该电容器结构作为一个两端设备，与外部静电放电源电容并联连接，使得紫外LED光源芯片结构处的总电容值增大，增大了时间常数，减小了电压浪涌对紫外LED光源芯片的影响，以及减小了静电释放带来的危害，进而提高紫外LED光源芯片的可靠性。
进一步的，如图1所示，在本发明实施例中，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
与所述p电极以及所述n电极连接的散热衬底18；设置于所述散热衬底18表面，且与所述p电极12以及所述n电极13接触连接的薄膜导电层19；设置于所述薄膜导电层19与所述散热衬底18之间的金属布线层20；与所述散热衬底18固定连接的基座21；设置与所述基座21与所述散热衬底18之间的导电银浆层22；用于封装紫外LED光源的支架23，以及与所述支架23相匹配的密封透镜24；设置于所述支架23内侧的直角三角形的反光杯25，以及设置于所述反光杯25、所述外延层结构以及所述密封透镜24之间的发光填充材料26。
具体的，通过晶圆表面键合技术实现p电极12以及n电极13与散热衬底18之间的连接，提高器件的导热性能，提高出光质量；并且在散热衬底18上还设置有金属布线层20与薄膜导电层19，并且散热衬底18上的金属布线层20与薄膜导电层19从中间断开，形成隔离p电极12和n电极13的凹槽形的绝缘跑道，防止电极之间直接相连接而造成的短路。
其中，采用磁控溅射设备选用氧化锌靶材料，掺杂镓后制备得到GaZnO薄膜导电层19，增强电流扩展能力，在制备的过程中，将磁场强度设置为800G，射频电源的功率为600W，进而使得溅射电压大约将至-110V，使得GaZnO薄膜导电层19电阻率显著降低，使电流扩展更加均匀。其中薄膜导电层19也可以为ITO薄膜导电层，在本发明实施例中并不作限定。
本发明实施例中，采用新型的无机封装方式或玻璃封装方式，使用惰性气体取代了传统透明硅胶或荧光粉的灌装方式，将惰性气体等发光填充材料充入到密封透镜24模具内并进行密封处理，有效的延缓了紫外LED光源芯片的老化，降低甚至解决了封装结构内存在有机硅等材料的使用率。并且在密封透镜24与支架23的连接处，采用无机材料粘结剂取代了现有的粘结胶，使得紫外LED芯片的封装过程中不存在有机物，进一步提高了LED的可靠性。在支架23的内部且靠近外延层处，设置了直角三角形形状的反光杯25，可以直接将射向侧面的光线反射回去而最大限度地将光线从正面出射，明显提高了LED芯片的出光效率。
通过上述描述可知，本发明提供的紫外LED光源倒装结构具有防漏电、发光效率高、电压浪涌小、防静电释放危害、散热快、抗老化及可靠性高等优点。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构包括：
衬底；
设置在所述衬底上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、n型导电层、量子阱有源区、电子阻挡层、p型导电层、电流扩展层以及金属反射层；其中，所述第一方向垂直于所述衬底、且由所述衬底指向所述外延层结构；
贯穿所述金属反射层以及部分所述电流扩展层的第一电极凹槽；
贯穿所述n型导电层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述p型导电层、所述电流扩展层以及所述金属反射层的第二电极凹槽；
与所述第一电极凹槽接触连接的p电极，与所述第二电极凹槽接触连接的n电极；
设置于所述外延层结构背离所述衬底一侧的环形金属条结构，所述环形金属条结构对所述p电极以及所述n电极进行环形包裹，且与所述p电极连接，与所述n电极不连接。
2.根据权利要求1所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：钝化层；
其中，所述钝化层覆盖在所述外延层结构的表面。
3.根据权利要求1所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述p型导电层包括：p型AlGaN层以及p型GaN层；
其中，所述p型AlGaN层以及p型GaN层在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层与所述电流扩展层之间。
4.根据权利要求1所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述第二电极凹槽底部的金属层；
分别设置于所述第一电极凹槽内部侧壁以及所述第二电极凹槽内部侧壁的绝缘层；
分别设置于所述第一电极凹槽内部侧壁以及所述第二电极凹槽内部侧壁背离所述绝缘层一侧的电极接触结构。
5.根据权利要求1所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
与所述p电极以及所述n电极连接的散热衬底。
6.根据权利要求5所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述散热衬底表面，且与所述p电极以及所述n电极接触连接的薄膜导电层。
7.根据权利要求6所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述薄膜导电层与所述散热衬底之间的金属布线层。
8.根据权利要求5所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
与所述散热衬底固定连接的基座；
设置与所述基座与所述散热衬底之间的导电银浆层。
9.根据权利要求1所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
用于封装紫外LED光源的支架，以及与所述支架相匹配的密封透镜。
10.根据权利要求9所述的紫外LED光源倒装结构，其特征在于，所述紫外LED光源倒装结构还包括：
设置于所述支架内侧的直角三角形的反光杯，以及设置于所述反光杯、所述外延层结构以及所述密封透镜之间的发光填充材料。
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