CN111370394B - 一种基于单峰深紫外led的多输出峰led器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件及其制作方法，属于光电子技术领域。一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件包括发光元件，支架和外延发光件。当发光元件工作时发出深紫外线，外延发光件在深紫外光的激发下会发出可见光，可见光被人眼识别，告知用户发光元件工作正常，增加了器件整体的可识别性。同时，由于只需针对发光元件设置电输入驱动，不需增加额外电功率驱动其他芯片，可降低器件的功耗和热量，节省电能。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件及其制作方法。
背景技术
深紫外LED（文中简称UVC-LED）是基于半导体芯片技术的无机产品，光谱窄且集中，具有节能环保、即开即用、体积小、免除维护、寿命长、杀菌效率高等优异特性。相比于其它杀菌消毒方式，UVC-LED具有明显的技术优势，可以在医疗、家电、母婴用品、便携式杀菌消毒等环境或产品中发挥重要作用。
由于UVC-LED的单峰光谱位于不可见光区域，其产品工作时发出的深紫外线UVC难以被人眼识别，容易引起用户困扰，使用户怀疑UVC是否正常工作。
目前行业内有将可见光发光芯片接入UVC-LED灯珠，同时驱动可见光发光芯片和UVC-LED芯片，制作多输出峰LED器件，以增加器件整体的可识别性。但是，由于引入了额外的芯片，造成器件功耗和热量的增加。
发明内容
为了多输出峰LED器件功耗和热量大的问题，本发明实施例提供了一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件，多输出峰LED器件包括：
发光元件，其用于发出深紫外光；
支架，其用于配置所述发光元件；
外延发光件，所述外延发光件包括衬底和依次层叠在所述衬底上的外延层，所述外延发光件被配置在所述支架上，且位于所述深紫外光照射的范围内，通过所述深紫外光激发所述外延发光件发出可见光；
所述支架包括基板和围坝，所述围坝为垂直于所述基板设置的环形结构，所述基板和所述围坝形成用于容置所述发光元件的凹槽，所述衬底为深紫外光可透射的材料，所述外延发光件以所述外延层与所述基板相对的方式配置在所述基板上；
所述基板包括水平间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间具有第一绝缘沟槽，所述外延发光件被设置于所述第一绝缘沟槽内。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件的制作方法，所述方法包括：
提供一外延发光件，所述外延发光件包括衬底和依次层叠在所述衬底上的外延层，通过所述深紫外光激发所述外延发光件发出可见光；
将所述外延发光件焊接在支架上的第一位置，所述第一位置位于所述深紫外光照射的范围内；
将所述发光元件固定在支架上，所述发光元件用于发出深紫外光；所述支架包括基板和围坝，所述围坝为垂直于所述基板设置的环形结构，所述基板和所述围坝形成用于容置所述发光元件的凹槽，所述衬底为深紫外光可透射的材料，所述外延发光件以所述外延层与所述基板相对的方式配置在所述基板上；所述基板包括水平间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间具有第一绝缘沟槽，所述第一位置为所述第一绝缘沟槽内。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件，多输出峰LED器件包括发光元件，支架和外延发光件。发光元件，用于发出深紫外光；支架，用于配置发光元件；外延发光件包括衬底和依次层叠在衬底上的外延层，外延发光件被配置在支架上，且位于深紫外光照射的范围内，通过深紫外光激发外延发光件发出可见光。支架包括基板和围坝，围坝为垂直于基板设置的环形结构，基板和围坝形成用于容置发光元件的凹槽，外延发光件被配置在基板上，基板包括水平间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间具有第一绝缘沟槽，外延发光件被设置于第一绝缘沟槽内。由于围坝的开口端为深紫外光的出光口，将外延发光件被配置在基板上，不会对深紫外光的出光造成影响，进而保证器件的深紫外的出光效率。同时，利用被基板吸收损耗的深紫外光激发外延发光件发光，不需增加额外电功率驱动其他芯片，提高了深紫外光的利用率，也降低器件的功耗和热量，节省电能，降低成本。
另外，将外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内可以排出第一绝缘沟槽213内的空气。由于空气的导热系数较小而衬底和外延层材料的导热系数较大，例如，空气为0.023W/m·k，GaN为2.2W/m・K，蓝宝石为29.3W/m・K。外延发光件替代空气可以通过衬底和外延层传热，使得器件整体的横向导热性能提高，降低器件整体的热阻，提高器件的可靠性。。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种外延发光件的结构图；
图3是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的剖视图；
图4是图3中M处的放大图；
图5是本发明实施例提供的另一种多输出峰LED器件的剖视图；
图6是本发明实施例提供的另一种多输出峰LED器件的剖视图；
图7是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的制作方法的流程图；
图8是本发明实施例提供的一种外延发光件的制作方法的流程图；
图9~图12是本发明实施例提供的外延发光件制作过程中的结构示意图；
图13是图7中步骤S200的流程图；
图14~图19是本发明实施例提供的多输出峰LED器件的制作过程中的结构示意图。
附图说明：
发光元件1、支架2、外延发光件3、基板210、第一电极211、第二电极212、第一绝缘沟槽213、第二绝缘沟槽214、连接孔215、围坝220、焊盘230、盖板240、
外延发光件3、衬底310、外延层320、n型GaN层321、发光层322、p型GaN层323、钝化层330、光刻胶22、第一位置21。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的结构示意图，如图1所示，该多输出峰LED器件包括发光元件1、支架2和外延发光件3。发光元件1，用于发出深紫外光；支架2，用于配置发光元件1；外延发光件3被配置在支架2上，且位于深紫外光照射的范围内，通过深紫外光激发外延发光件3发出可见光。当发光元件1工作时发出深紫外线，外延发光件3在深紫外光的激发下会发出可见光，可见光被人眼识别，提示用户发光元件1工作正常，增加了器件整体的可识别性。同时，由于只需针对发光元件1设置电输入驱动，不需增加额外电功率驱动其他芯片，可降低器件的功耗和热量，节省电能。
进一步地，发光元件1可以是UVC芯片。外延发光件3可以是UVA外延片或其他可见光LED外延片，例如蓝光LED外延片。
图2是本发明实施例提供的一种外延发光件的结构图。下面以UVA外延片为例进行介绍，外延发光件的结构及发光原理。如图2所示，该UVA外延片包括衬底310和依次层叠在衬底310上的外延层320，该外延层320包括n型GaN层321、发光层322和p型GaN层323。
短波UVC光线的光子能量大于UVA发光层材料的能隙，在发光层将电子由价带激发到导带，因此在原来的价带留出一个空穴，而形成电子-空穴对。处于高能级导带的电子不稳定，会回落到低能级价带与空穴结合，同时伴随着能极差的能量以光辐射的形式发射出来，发出UVA光线。UVA外延片的发光层为InGaN，n型GaN层为掺杂Si的GaN，为发光层提供电子，p型GaN层为掺杂Mg的GaN，为发光层提供空穴，使得更多的电子和空穴在发光层结合，提高发光率。
图3是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的剖视图，图4是图3中M处的放大图。如图4所示，由于UVC光线对外延层320的穿透能力较差，可以选择衬底310为深紫外光可透射的材料，并将外延发光件3以外延层320与支架2相对的方式配置在支架2上，使得UVC光线透过衬底310投射到外延层320上，以便外延层320能更好地吸收发光元件1的UVC光线从而激发可见光。
实现时，该衬底310可以是蓝宝石衬底310，蓝宝石衬底310是一种常见的衬底310，制备工艺较为成熟，成品率高。
可选地，外延发光件3外表面沉积有SiO2钝化层330，以避免外延发光件3与支架2之间造成短路。
在一些实施例中，如图1和图3所示，支架2包括基板210和围坝220，围坝220为垂直于基板210设置的环形结构。可以理解的，环形结构是指在垂直于基板方向的投影是封闭图形，而不仅仅指环状图形，也可以是正方形、长方形、多边形等。基板210和围坝220形成用于容置发光元件1的凹槽，外延发光件3被配置在基板210和/或围坝220上。
由于围坝220的开口端为深紫外光的出光口，将外延发光件3被配置在基板210或围坝220上，不会对深紫外光的出光造成影响，进而保证器件的深紫外的出光效率。同时外延发光件3被配置基板210或围坝220上，利用被基板210和围坝220吸收损耗的深紫外光激发外延发光件3，使原本被基板210和围坝220吸收的深紫外线得到利用，提高了深紫外光的利用率。
可以理解的，可以在基板210和围坝220上均配置外延发光件3，以增大外延发光件3吸收深紫外线光的面积，从而增加可见光的亮度，增加器件整体的可识别性。
进一步地，参见图1，基板210包括水平间隔设置的第一电极211和第二电极212，以连接发光元件1的正极和负极，为发光元件1提供驱动电压。第一电极211和第二电极212之间具有第一绝缘沟槽213，外延发光件3可以设置于第一绝缘沟槽213内。将外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内可以排出第一绝缘沟槽213内的空气。由于空气的导热系数较小而衬底和外延层材料的导热系数较大，例如，空气为0.023W/m·k，GaN为2.2W/m・K，蓝宝石为29.3W/m・K。外延发光件替代空气可以通过衬底和外延层传热，使得器件整体的横向导热性能提高，降低器件整体的热阻，提高器件的可靠性。
可选地，围坝220和第一电极211之间、围坝220和第二电极212之间均具有第二绝缘沟槽214，外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内和第二绝缘沟槽214内。第一绝缘沟槽213内和第二绝缘沟槽214内均设置外延发光件3，可以增大深紫外线光的吸收面积，从而增加可见光的亮度，增加器件整体的可识别性。
可选地，外延发光件3的高度与第一绝缘沟槽213或第二绝缘沟槽214的高度相同。
优选地，外延发光件3的高度与第一绝缘沟槽213和第二绝缘沟槽214的高度均相同，使得外延发光件3的表面与第一电极211的表面、第二电极212的表面相平，以避免对光线的折射和反射引起能量的损耗。
可选地，基板210上还可以包括背面焊盘230，以便于基板210与其他器件连接。
可选地，围坝220的开口端设置有石英玻璃盖板240，避免外界水气侵入影响器件的寿命。
进一步地，如图3所示，发光元件1可以是倒装芯片。基板210包括水平间隔设置的第一电极211和第二电极212，发光元件1跨设在第一电极211和第二电极212上，以通过第一电极211和第二电极212为发光元件1提供驱动电压。第一电极211和第二电极212之间具有第一绝缘沟槽213，外延发光件3可以设置于第一绝缘沟槽213内。
可选地，围坝220和第一电极211之间、围坝220和第二电极212之间均具有第二绝缘沟槽214，外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内和第二绝缘沟槽214内。
进一步地，如图5所示，发光元件1也可以是正装芯片。基板210包括水平间隔设置的第一电极211和第二电极212，通过引线将发光元件1的正极和负极分别与第一电极211和第二电极212相连，为发光元件1提供驱动电压。第一电极211和第二电极212之间具有第一绝缘沟槽213，外延发光件3可以设置于第一绝缘沟槽213内。
可选地，围坝220和第一电极211之间、围坝220和第二电极212之间均具有第二绝缘沟槽214，外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内和第二绝缘沟槽214内。
进一步地，如图6，发光元件1也可以是垂直芯片，垂直芯片的正极和负极分别在发光元件1的上下两侧。此时，基板210包括水平间隔设置的第一电极211和第二电极212，发光元件1设置在第一电极211上，与发光元件1的正极或负极相连，再通过引线与发光元件1的另一极相连，为发光元件1提供驱动电压。第一电极211和第二电极212之间具有第一绝缘沟槽213，外延发光件3可以设置于第一绝缘沟槽213内。
可选地，围坝220和第一电极211之间、围坝220和第二电极212之间均具有第二绝缘沟槽214，外延发光件3设置于第一绝缘沟槽213内和第二绝缘沟槽214内。
图7是本发明实施例提供的一种多输出峰LED器件的制作方法的流程图，如图7所示，该制作方法包括：
S100：提供一外延发光件，外延发光件包括衬底和依次层叠在衬底上的外延层，通过深紫外光激发外延发光件发出可见光。
S200：将外延发光件焊接在支架上的第一位置，第一位置位于深紫外光照射的范围内。
S300、将发光元件固定在支架，发光元件用于发出深紫外光。
发光元件1可以为正装芯片、倒装芯片和垂直芯片，采用上述结构将对应的芯片按对应的结构固定在支架2上。
当发光元件1工作时发出深紫外线，外延发光件3在深紫外光的激发下会发出可见光，可见光被人眼识别，提示用户发光元件1工作正常，增加了器件整体的可识别性。同时，由于只需针对发光元件1设置电输入驱动，不需增加额外电功率驱动其他芯片，可降低器件的功耗和热量，节省电能。
该制作方法还可以包括外延发光件的制作，图8是本发明实施例提供的一种外延发光件的制作方法的流程图，下面以UVA外延发光件为例，结合图9~12对图8提供的制备方法进行详细说明：
S11：在衬底上生产GaN基UVA外延层。
具体地，可以使用金属有机化合物化学气相沉淀法（Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称MOCVD），在衬底310上生产GaN基UVA外延层320，得到外延片。实现时，该衬底310可以是蓝宝石衬底310，蓝宝石衬底310是一种常见的衬底310，制备工艺较为成熟。蓝宝石衬底310的厚度为250~360μm，GaN基UVA外延层320厚度约6~12μm。
S12：使用减薄机减薄衬底。
具体地，使用减薄机减薄衬底310至125μm。
S13：使用干法刻蚀外延片，得到外延阵列结构；
具体地，使用刻蚀机，采用Cl2+BCl3的刻蚀气体对外延片进行干法刻蚀，得到如图9所示的外延阵列结构；
S14：在外延片表面沉积SiO2钝化层。
具体地，如图10所示，使用原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition，简称ALD）在外延片表面沉积SiO2钝化层330，以在外延片刻蚀处获得阶梯覆盖，即如图2所示在外延片的四周和顶部获得全覆盖的SiO2钝化层330，以保证外延发光件3的绝缘性。可选地，SiO2钝化层330为3μm。
S15：获得单一UVA外延发光件，并整齐排列在蓝膜上。
如图11所示，将上述外延片采用激光隐形切割+划裂，获得单一UVA外延发光件3。如图12所示，使用分选机，将UVA外延发光件3整齐排列在蓝膜上。具体地，可以将UVA外延发光件3倒膜至蓝宝石面朝上。
图13是上述图7中步骤S200的流程图，下面结合附图14~图19对步骤S200提供的制备方法进行详细说明：
S210：提供一基板。
提供一基板210，作为支架2的基板210，基板210可以是陶瓷基板，例如氮化铝基板。
实现时，如图14所示，可以利用激光在基板210开阵列的小孔，作为背面焊盘230和第一电极211或第二电极212的连接孔215，同时作为外延发光件3的定位基准，以便将外延发光件3固定在准确位置。
S220：将外延发光件固定在基板上的第一位置。
实现时，可以通过光刻胶22将外延发光件3固定在基板210上的第一位置21，如图15所示。
具体地，可以先在基板210上旋涂光刻胶22。对光刻胶22曝光、显影、去除即将放入外延发光件3部分的光刻胶，露出第一位置21。如图16所示，最后通过固晶机，采用4吸头橡胶吸嘴吸取单一外延发光件3四角，将单一外延发光件3一个一个放置于光刻胶22的间隙中。
S230：在基板放置外延发光件的一面溅射铜层；
实现时，采用离子溅射机在基板210放置外延发光件3的一面垂直溅射铜层制作第一电极211和第二电极212。具体地，铜层的厚度可以为125μm。由于第一电极211和第二电极212与外延发光件3接触，因此，如图17所示，可以通过第一电极211和第二电极212将外延发光件3焊接在基板210上。
如果采取光刻胶22固定外延发光件3，则S230以后还包括去除外延发光件3外的光刻胶22。
S240：减薄铜层厚度，以露出外延发光件。
实现时，使用减薄抛光机处理减薄铜层厚度，以露出外延发光件3，保证外延发光件3发出的光线不会被遮挡，同时，利用外延发光件3对第一电极211和第二电极212进行绝缘。
可以理解的，S200还可以包括下列以制作连接孔215、背面焊盘230和围坝220。
S250：对通孔进行电镀填孔。
实现时，在基板210除通孔外区域旋涂光刻胶22，使用金属电子束蒸发台，电镀填孔至与第一电极211和第二电极212齐平，采用lift-off工艺剥离非通孔区域金属，以实现连接孔215的制作。
S260：在基板制作背面焊盘。
实现时，如图18所示，先垂直溅射镀第一铜层，第一铜层厚度为50μm，然后蒸镀第二铜层，第二铜层厚度为150μm，使得基板210的正面的第一电极211、第二电极212和背面焊盘230通过连接孔215垂直电连接；
S270：在基板上制作围坝。
实现时，如图19所示，在基板210上制作围坝220，具体可以包括：
S271：采用铸造工艺制作围坝220，围坝220的高度可以是350-450μm；
S272：在基板210与围坝220接触面做AuSn层；
S273：采用共晶工艺将围坝220固定于基板210上。
可以理解的，也可以通过其他方式在基板210上制作围坝220，例如使用金属电子束蒸发台，蒸镀围坝220。
为了保证支架2的绝缘性，在围坝220制作完成之后还可以实施以下步骤：
S281：对基板进行表面处理。
对基板210的镀铜区域进行表面处理，例如进行镀金处理，以避免铜层的氧化。镀金层的厚度可以为1-3μm。
S282：刻蚀基板210表面支架2外区域的铜层，露出基板210。
刻蚀基板210表面支架2外区域的铜层，露出基板210，可以保证支架2的绝缘性，从而提高器件的使用寿命。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件，其特征在于，所述多输出峰LED器件包括：
发光元件，其用于发出深紫外光；
支架，其用于容置所述发光元件；
外延发光件，所述外延发光件包括衬底和依次层叠在所述衬底上的外延层，且位于所述深紫外光照射的范围内，通过所述深紫外光激发所述外延发光件发出可见光；
所述支架包括基板和围坝，所述围坝为垂直于所述基板设置的环形结构，所述基板和所述围坝形成用于容置所述发光元件的凹槽，所述衬底为深紫外光可透射的材料，所述外延发光件以所述外延层与所述基板相对的方式配置在所述基板上；
所述基板包括水平间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间具有第一绝缘沟槽，所述外延发光件被设置于所述第一绝缘沟槽内。
2.根据权利要求1所述的多输出峰LED器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1或2所述的多输出峰LED器件，其特征在于，所述外延发光件被配置在所述围坝上，所述外延发光件以所述外延层与所述围坝相接触的方式配置在所述围坝上。
4.根据权利要求3所述的多输出峰LED器件，其特征在于，所述围坝和所述第一电极之间、所述围坝和第二电极之间均具有第二绝缘沟槽，所述外延发光件被设置于所述第二绝缘沟槽内。
5.根据权利要求1所述的多输出峰LED器件，其特征在于，外延发光件的高度与所述第一绝缘沟槽的高度相同。
6.一种基于单峰深紫外LED的多输出峰LED器件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一外延发光件，所述外延发光件包括衬底和依次层叠在所述衬底上的外延层，通过深紫外光激发所述外延发光件发出可见光；
将所述外延发光件焊接在支架上的第一位置，所述第一位置位于所述深紫外光照射的范围内，所述支架包括基板和围坝，所述围坝为垂直于所述基板设置的环形结构，所述基板和所述围坝形成用于容置发光元件的凹槽，所述衬底为深紫外光可透射的材料，所述外延发光件以所述外延层与所述基板相对的方式配置在所述基板上；所述基板包括水平间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间具有第一绝缘沟槽，所述第一位置为所述第一绝缘沟槽内；
将所述发光元件固定在支架，所述发光元件用于发出深紫外光。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，将所述外延发光件焊接在所述支架上的第一位置，包括：
提供一基板；
将所述外延发光件固定在所述基板上的所述第一位置；
在所述基板放置所述外延发光件的一面溅射铜层；
减薄所述铜层厚度，以露出所述外延发光件。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，将所述外延发光件固定在所述基板上的所述第一位置，包括：
在所述基板旋涂光刻胶；
曝光、显影去除所述第一位置的光刻胶；
将所述外延发光件放置于所述基板上的所述第一位置。
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