CN110931609A - 一种倒装紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种倒装的紫外发光二极管芯片，包括：紫外发光二极管的外延结构，所述P型欧姆接触层上设置有多个减薄区域；电流扩散层，所述电流扩散层设置在所述P型欧姆接触层的下表面；随着所述述P型欧姆接触层的表面起伏而与所述述P型欧姆接触层贴合设置；DBR透镜层，所述DBR透镜层设置在所述电流扩散层的下表面，随着电流扩散层的表面起伏而与所述沿着所述电流扩散层贴合设置；正极电极，所述正极电极的一部分穿过所述P型欧姆接触层、电流扩散层与所述P型半导体材料层接触；所述正极电极的另一部分与所述电流扩散层接触；通过上述方案提高了紫外发光二极管芯片的发光亮度。
Description
技术领域
本专利属于半导体技术领域，具体而言涉及一种倒装紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
现有技术中，紫外发光二极管的外延结构如图1所示，其包括衬底100，以及从所述衬底上依次外延成核层、非掺杂氮化铝层101、n型铝镓氮层102、有源层103、电子阻挡层104和P 型空穴传导层105。由此形成的倒装紫外发光二极管的芯片结构如图2，键合新衬底。由于P 型GaN对10-350nm以下的深紫外光具有很强的吸收，导致倒装结构的紫外LED外量子效率太低，发光亮度低。
发明内容
本专利正是基于现有技术的上述缺陷而其提出的，本专利要解决的技术问题是提供一种紫外发光二极管，以及提出一种紫外发光二极管的制备方法，以克服现有技术中的至少一部分缺陷。
为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：
一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片包括：紫外发光二极管的外延结构，所述紫外发光二极管的外延结构包括：自上而下设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层；所述P型欧姆接触层上设置有多个减薄区域；电流扩散层，所述电流扩散层设置在所述P型欧姆接触层的下表面；随着所述述P 型欧姆接触层的表面起伏而与所述述P型欧姆接触层贴合设置；DBR透镜层，所述DBR透镜层设置在所述电流扩散层的下表面，随着电流扩散层的表面起伏而与所述沿着所述电流扩散层贴合设置；正极电极，所述正极电极的一部分穿过所述P型欧姆接触层、电流扩散层与所述P型半导体材料层接触；所述正极电极的另一部分与所述电流扩散层接触；负极电极，所述负极电极与所述N型半导体材料层接触。
优选地，所述正极电极和所述负极电极均设置在所述芯片底部的基底上。
优选地，优选地，优选地，所述减薄区域在所述P型欧姆接触层上均匀设置。
优选地，所述P型欧姆接触层为P型GaN层。
优选地，所述电流扩散层为ITO层。
优选地，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
优选地，所述N型半导体材料层包括N型AlGaN、P型半导体材料层包括P型AlGaN。
优选地，在所述衬底、N型半导体材料层之间还形成有u-AlGaN层。
本专利还提供了一种倒装的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、UV-LED基础外延层结构的制备；在衬底上制备成UV-LED基础外延层结构；步骤二、 P、N电极台面结构的制备；通过光刻或ICP刻蚀将外延层做出P、N电极台面；步骤三，窗口型P型GaN制备；将P型GaN区域刻蚀出凹凸形状；步骤四，ITO层的制备：蒸镀ITO层，完成后将P型GaN层的P电极区域内圈的ITO刻蚀，外圈的留下用来搭载P电极；步骤五， DBR层的制备：在ITO薄膜上蒸镀DBR层，然后通过刻蚀去掉N台面、P电极下方的DBR层；步骤六，P、N电极的制备：将P、N电极分别用不同金属蒸镀。
优选地，所述方法还包括：步骤七，键合衬底：通过键合工艺将P、N电极键合在新衬底上,将蓝宝石衬底减薄。
该半导体发光二极管具有窗口结构，发光层量子阱发出的光通过窗口结构的P型GaN 后由于光的衍射和P型GaN的减少而减少了光吸收增加了光的投射，再通过DBR反射使得更多的光反射出去，减少了P型GaN对光的吸收；提高了出光率,其次，ITO的主要作用为扩散电流，由DBR代替了P型GaN层传统的大区域金属镜面反射，缩小P层金属电极尺寸，降低生产成本。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明显和更容易理解，在附图中：
图1是现有技术中垂直结构紫外发光二极管的外延结构图；
图2是现有技术中另外一种垂直结构紫外发光二极管的外延结构图；
图3是本专利具体实施方式中一种倒装的紫外发光二极管芯片的结构图。
具体实施方式
本专利所描述的技术方案包括各种具体的实施例，以及在各种具体实施例上所进行的修改。在本具体实施方式中，对这些技术方案通过结合附图的方式进行示例性的阐述，以使得本专利的发明构思、技术特征、技术特征的效果等，通过对这些具体实施方式的描述变得更加明显。但是需要指出的是，本专利的保护范围显然不应当仅限于这些实施例所描述的内容，而是可以通过在本专利发明构思下的多种方式来实施。
在本具体实施方式的描述中，需要注意以下一些阅读参考，以便于能够准确理解本具体实施方式中文字所表达的含义：
首先，对于本专利的附图中，相同或者相对应的元件\要素\层等，将以相同的附图标记来表示。因此对于此前已经出现过的附图标记或者是元件\要素\层等的名称，在之后可能不会再重复解释。并且，在本具体实施方式中，可如果使用了术语“第一”、“第二”等词汇来修饰各种元件或要素，那么在非特指的情况下“第一”、“第二”并不代表着顺序，而是仅仅区分这些元件或要素彼此不同而已。此外，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一个”、“一”和“该/所述”也不仅仅指代单数还指代复数形式。
更进一步地，包含或包括，应当理解为开放式的描述，其并不排斥在已经描述的组件的基础上还存在其它的组件；而且，当层、区域或组件被称为“形成在”、“设置在”另一层、区域或组件“上”时，该层、区域或组件可以直接地或间接地形成在所述另一层、区域或组件上，与之相似的，当使用相连、连接等类似术语来表述两个元件之间的关系时，在没有特别限定的情况下，既可以是直接相连也可以是间接相连。术语“和/或”连接的两个要素之间可以是和的关系，也可以是或的关系。
另外，为了说明本专利的技术方案，本专利的附图中所描述的要素的尺寸并不代表实际要素的尺寸比例关系，尤其是在本专利涉及的较为微观的结构下，尺寸、厚度、比例等出于便于表达的考虑会被放大或者缩小。
实施例一
本实施例提供了一种倒装的紫外发光二极管芯片。
倒装是相对于正装而言的。LED正装芯片是最早出现的芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。LED正装芯片的外延层从上到下依次为P型半导体材料层、发光层、N型半导体材料层、衬底层；并且在正装结构的LED芯片中，电极位于外延层上方，这样电极就会影响发光，因此在现有技术中，提出了倒装的LED芯片结构，倒装的LED芯片的 N型半导体材料在上在所述N型半导体层的下方设置有发光层、P型半导体层，通过发光层,P型半导体材料的下方还设置有电极等结构，这样就避免了电极对于紫外光线的阻挡。
随着LED技术的发展，为了不同的需要，LED光源的种类有了各种各样的改变。例如，现有技术中出现了一种紫外发光二极管，紫外发光二极管一般指发光中心波长在400nm以下的LED，但有时将发光中心发光波长大于380nm时称为近紫外LED，而发光中心波长短于300nm时称为深紫外LED，但是这都在本具体实施方式中所称的紫外发光二极管的范畴。
紫外发光二极管的外延结构
在本实施例中，可以举出各种能够产生紫外光的紫外发光二极管的外延结构。通常，所述紫外发光二极管的外延结构包括：衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层。实际上虽然在本申请的后续描述中可能便于工程实施中取得更好的技术效果的目的，描述了其它的层，但是可以理解的是本专利中当仅仅单独描述而未做其他限定时，紫外发光二极管的外延结构时，其仅仅指代衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层，从而能够在通电后产生紫外光的发光二极管。关于衬底、N型号半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层的材料结构，以及它们是如何发射半导体光线的，在现有技术中有诸多的实施方式可以参考，因此本实施例中不对其逐一进行描述。
为产生紫外光线之目的，在本具体实施方式中，所述N型半导体材料层、P型半导体材料层均包括AlGaN材料，根据现有的研究表明，AlGaN材料形成的PN结是较为理想的紫外发光二极管的半导体材料层，当然除了AlGaN材料，在发光二极管中还可以包括其他材料所形成的层以优化发光二极管的各种性能。或者基于其他研究也可以采用等同的材料来替换AlGaN材料，这均是本领域技术人员可以实现的。
但是为了便于本领域技术人员结合具体的实例更加具体地体会到本专利的发明构思，本实施例中将以图3所示的例子进行详细的阐述。但是，需要说明的是，在具体的实例描述中，如果针对某个具体部件\模块等元素的技术手段和技术效果进行描述，则应当将该元素视为该实例中对于本申请发明总体发明构思框架内对技术方案进行的进一步的改进，而不应当理解为常规材料选择、参数选择、结构设计等公知常识。
在图3的例子中紫外发光二极管的外延结构包括：
衬底1，所述衬底1，所述衬底优选为蓝宝石衬底，也就是Al2O3为材质的衬底，所述衬底用于在其上形成其它外延层。除了Al2O3为材质的衬底外，在本领域还可以使用SiC，Si等衬底材料，这是在不同的环境下，例如实验室环境下而进行的材料替换。
缓冲层2，所述缓冲层2形成在所述衬底下，在本图3的例子中，采用u-AlN/AlGaN层作为缓冲层，所述u-AlN/AlGaN层即为非掺杂的氮化铝/氮化镓铝层，其形成在衬底上，起到提升外延磊晶质量，减少外延磊晶缺陷的作用。实际上，在本实施例中并不仅限于 u-AlN/AlGaN，其他起到提升外延磊晶质量，减少外延磊晶缺陷作用的材料。
N型半导体材料层3，在所述u-AlN/AlGaN层下，形成有n-AlGaN层，在本层中，所述AlGaN起到了负极的作用，也就是说通电后所述AlGaN能够形成大量的自由电子，向正极流动。
量子阱MQW层4，在所述N型半导体材料层下形成有多量子阱MQW层，所述多量子阱层多量子阱层。量子阱是指由2种不同的的半导体材料间隔排列形成具有量子限制效应的电子或者空穴的势阱。量子阱中如果势垒层足够厚，以至于相邻的势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称之为多量子阱。在本具体实施方式中，所述多量子阱MQW层用作发光层使用，也就是说当N型半导体层和P型半导体层之间形成电流通过所述多量子阱MQW层后，多量子阱MQW层发光。
P型半导体材料层5，在所述多量子阱层下形成有P型半导体材料层，在本具体实施方式中，所述P型半导体材料层优选采用p-AlGaN层以便于发射紫外光线。
P型欧姆接触层6，在所述P型半导体材料层的下表面还形成有P型欧姆接触层，在本实施例中，所述P型欧姆接触层。在本实施例中，以P型GaN层作为P型欧姆接触层来使用。虽然P型GaN是作为紫外半导体发光二极管中较为理想的正极的形成欧姆接触的材料，但是P型GaN会对紫外光线有过多的吸收，因此影响了紫外发光二极管的亮度，特别是在倒装的紫外发光二极管中，由于通过P层后面的金属层反射而发光，因此，相当于光线在P型GaN 层有多次光路，因此P型GaN对紫外光线的吸收会显著影响自外发光二极管的亮度。为了提高紫外发光二极管的亮度不仅需要对于反射层进行改进，而且如何消减P型GaN层对于紫外光的吸收是另外一个需要重点考虑的问题。
在本具体实施方式中，如图3所示，在所述P型GaN层上设置有多个减薄区域7，减薄即为厚度小于GaN其它区域。所述减薄区域可以是凹陷，也可以是通孔。也就是说减薄的厚度可以根据具体的光线波长、各层的厚度而有所不同，因为光线通过这种交替的减薄区域时会发生干涉或者是衍射现象，因此减薄的厚度与光线的波长有关，而当需要减薄的厚度超过了P型GaN层的厚度时就就需要设置通孔。多个减薄区域均匀设置，以便于形成均匀的光线分布。通过设置上述减薄的由于P型GaN层，实质上对于紫外光线的吸收会因此减少，从而提高了紫外线发光二极管芯片的发光亮度。
电流扩散层8
然而P型GaN层设置减薄区域后虽然减少了对于紫外光的吸收，但是由于凹陷和通孔的存在，会带来电流不均匀的问题，因此，在本具体实施方式中在P型GaN层的下表面随形设置有ITO层，也就是氧化铟锡层，氧化铟锡层的主要作用为扩散电流，也就是说将电极传送来的电流均匀扩散到整个正极半导体材料的表面，这样就避免出现电流集中的情况，有利于半导体材料发光质量的稳定。ITO薄膜层的最佳厚度均可由不同透射波长及ITO折射率算出。
DBR透镜层9
在所述ITO层的下表面形成有DBR透镜层，DBR是由两种不同折射率的绝缘材料以ABAB 的方式交替排列组成的周期结构，具有很强的反射效果，由DBR代替了P型GaN层传统的大区域金属镜面反射，缩小P层金属电极尺寸，降低生产成本。DBR薄膜层的材料(例如SiO2 和TaO)、厚度及层数均可由不同透射波长及材料的折射率算出；
电极
正极电极10，正极电极的一端设置在基板12之上，另一端与所述P型p-AlGaN层连接，同时，所述正极电极还与所述ITO层连接，这样除了由于DBR层使用减小了贵金属的用量之外，由于ITO层与电极接触，从而形成了良好的分散电流的效果。
负极电极11，负极电极的一端设置在所述基板之上另一端与N型半导体材料相连。
实施例二
本实施例提供了一种倒装的紫外发光二极管芯片的制备方法，所述倒装的紫外发光二极管芯片结构参考实施例一的描述。在本实施例中，主要要点在于如何制备上述芯片，以达到设计的性能并提供具有足够的产品合格率。
步骤一，UV-LED基础外延层结构的制备：在衬底上依次外延缓冲层、P-GaN层、量子阱层、N-AlGaN层、u-AlGaN层，制备成UV LED基础外延层结构；
步骤二，P、N电极台面结构的制备：通过光刻技术及ICP刻蚀技术将外延层做出P、N电极台面；所述光刻技术包括普通光刻技术、电子束光刻技术、纳米压印技术或全息光刻技术。
步骤三，窗口型P型GaN制备：通过光刻及ICP刻蚀(或者湿法刻蚀)将P型GaN区域刻蚀出凹凸形状；
步骤四，ITO的制备：蒸镀ITO完成后，通过光刻和湿法刻蚀技术将P型GaN P电极区域内圈的ITO刻蚀，外圈的留下用来搭载P电极；
步骤五，DBR的制备：在ITO薄膜上蒸镀DBR层，通过光刻及刻蚀技术刻去掉N台面、P电极下方的DBR,
步骤六，P、N电极的制备：将P、N电极分别用不同金属蒸镀，
步骤七，键合衬底：通过键合工艺将P、N电极键合在新衬底上,将蓝宝石衬底减薄，完成此芯片的制备。
与现有技术相比，本发明的实质性特点和显著进步如下：该半导体发光二极管具有窗口结构，发光层量子阱发出的光通过窗口结构的P型GaN后由于光的衍射和P型GaN的减少而减少了光吸收增加了光的投射，再通过DBR反射使得更多的光反射出去，减少了P型GaN对光的吸收；提高了出光率,其次，ITO的主要作用为扩散电流，由DBR代替了P型GaN层传统的大区域金属镜面反射，缩小P层金属电极尺寸，降低生产成本。
Claims (10)
1.一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片包括：
紫外发光二极管的外延结构，所述紫外发光二极管的外延结构包括：自上而下设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层；所述P型欧姆接触层上设置有多个减薄区域；
电流扩散层，所述电流扩散层设置在所述P型欧姆接触层的下表面；随着所述述P型欧姆接触层的表面起伏而与所述述P型欧姆接触层贴合设置；
DBR透镜层，所述DBR透镜层设置在所述电流扩散层的下表面，随着电流扩散层的表面起伏而与所述沿着所述电流扩散层贴合设置；
正极电极，所述正极电极的一部分穿过所述P型欧姆接触层、电流扩散层与所述P型半导体材料层接触；所述正极电极的另一部分与所述电流扩散层接触；
负极电极，所述负极电极与所述N型半导体材料层接触。
2.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述正极电极和所述负极电极均设置在所述芯片底部的基底上。
3.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述减薄区域在所述P型欧姆接触层上均匀设置。
4.根据权利要求3所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述P型欧姆接触层为P型GaN层。
5.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述电流扩散层为ITO层。
6.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
7.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述N型半导体材料层包括N型AlGaN、P型半导体材料层包括P型AlGaN。
8.根据权利要求1所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片，其特征在于，在所述衬底、N型半导体材料层之间还形成有u-AlGaN层。
9.一种倒装的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、UV-LED基础外延层结构的制备；在衬底上制备成UV-LED基础外延层结构；
步骤二、P、N电极台面结构的制备；通过光刻或ICP刻蚀将外延层做出P、N电极台面；
步骤三，窗口型P型GaN制备；将P型GaN区域刻蚀出凹凸形状；
步骤四，ITO层的制备：蒸镀ITO层，完成后将P型GaN层的P电极区域内圈的ITO刻蚀，外圈的留下用来搭载P电极；
步骤五，DBR层的制备：在ITO薄膜上蒸镀DBR层，然后通过刻蚀去掉N台面、P电极下方的DBR层；
步骤六，P、N电极的制备：将P、N电极分别用不同金属蒸镀。
10.根据权利要求10所述的一种倒装的紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤七，键合衬底：通过键合工艺将P、N电极键合在新衬底上,将蓝宝石衬底减薄。
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|---|---|---|---|---|
| CN111628057A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-04 | 东南大学 | 一种具有亚波长光栅反射镜的紫外发光二极管 |
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| US20050148194A1 (en) * | 2003-12-29 | 2005-07-07 | Wen-How Lan | Structure and manufacturing method for nitride-based light-emitting diodes |
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2019
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