CN111525010B - 高发光效率的深紫外发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片及其制作方法。该高发光效率的深紫外发光二极管芯片包括外延结构以及与所述外延结构相匹配的P型电极、N型电极，其中，所述外延结构包括依次叠层设置的p‑AlGaN层、多量子阱层以及n‑AlGaN层，所述n‑AlGaN层上形成有台面，所述台面包含多个六棱锥体结构。本发明实施例提供一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，在对n‑AlGaN进行图形化的同时，基于特定图形、尺寸以及表面覆盖率的设置，有效降低了DUV LED的全反射，并显著提高了DUV LED的光提取效率。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片及其制作方法，属于发光器件技术领域。
背景技术
深紫外光对多种致病性微生物具有很高的灭活能力，因此在杀菌、水或空气净化、医疗等领域有着非常重要的应用。传统的深紫外光发光光源为低压和中压汞灯，但此类光源因含有对环境产生危害的汞而将被禁止使用。相对于汞灯，深紫外发光二极管(DUV LED)具有环保节能和长寿命等特点，因此正在逐步取代传统低压和中压汞灯。
然而，AlGaN基的DUV LED具有独特的光学偏振特性，首先是随着Al组份不断上升，DUV LED发光波长变短，光的偏振态从横向电极化模式(TE)向横向磁极化模式(TM)转化。而因为AlGaN的折射率与空气的折射率相差巨大，TM偏振光又主要沿横向传播，因此界面入射角较大，在不同材料界面处发生的全反射作用会导致AlGaN基DUV LED的光提取效率(LEE)很低。其次，AlGaN量子阱中的螺纹位错密度随着Al成分的增加而增大，导致高Al组分的AlGaN基DUV LED的LEE进一步降低。
针对上述问题，现有技术中提出了采用对n-AlGaN进行图形化以实现LEE的提高，但是，现有技术对LEE的提升并不明显，这是由于对n-AlGaN的图形化还包含图形的形状、表面覆盖率等因素，而现有报道中对n-AlGaN图形化的不同图形具体提升效果并不明确，因此还需要更加细致和优化的方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其包括外延结构以及与所述外延结构相匹配的P型电极、N型电极，其中，所述外延结构包括依次叠层设置的p-AlGaN层、多量子阱层以及n-AlGaN层，所述n-AlGaN层上形成有台面，所述台面包含多个六棱锥体结构。
进一步的，所述台面与n-AlGaN层一体设置。
进一步的，所述六棱锥体结构的高度与底面边长之比为0.5-5:1。
进一步的，所述多个六棱锥体结构呈矩形点阵形式分布，或者，所述多个六棱锥体结构呈正多边形密排点阵形式分布。
进一步的，所述多个六棱锥体结构的表面覆盖率(即所有六棱锥体结构底面积的总和占器件总底面积的百分比)为40-100％。
进一步的，所述P型电极与所述p-AlGaN层形成欧姆接触，所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
进一步的，所述P型电极、N型电极设置在所述外延结构的同一侧，所述P型电极、N型电极还分别经凸点金属层与基板上的导电线路层电连接；或者，所述P型电极、N型电极分别设置在所述外延结构的相背对的两侧，其中所述P型电极还与基板上的导电线路层电连接。
进一步的，所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片的至少一个侧面还设置有反射层，所述反射层包括Al层、Ti/Al层、Ni/Al层、Mg层、Rh层中的任意一种金属层或两种以上叠层设置的金属层。
本发明实施例还提供了一种制作所述的高发光效率的深紫外发光二极管芯片的方法，其包括：
在衬底上依次形成缓冲层以及主要由n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层形成的外延结构；
在所述p-AlGaN层上制作P型电极层，并使所述P型电极层与所述p-AlGaN层形成欧姆接触；
将所述外延结构连同衬底和缓冲层转移到一基板上，并使所述P型电极层与基板上的导电线路层电连接；
除去所述衬底以及缓冲层，并在所述n-AlGaN层的台面上加工形成多个六棱锥体结构；
制作N型电极层，并使所述N型电极层与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
进一步的，所述的制作方法具体包括：采用光刻工艺与干法刻蚀或湿法刻蚀相结合的方式对所述n-AlGaN层的台面进行加工处理，以在所述n-AlGaN层的台面上形成多个六棱锥体结构。
进一步的，所述的制作方法具体包括：在所述n-AlGaN层的台面上制作N型电极，并使所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触，或者，在所述p-AlGaN层上加工形成连续贯穿p-AlGaN层、多量子阱层的孔，以使所述n-AlGaN层暴露在所述孔内，之后在所述孔内制作形成N型电极，并使所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
本发明实施例还提供了一种发光器件，其包括所述的高发光效率的深紫外发光二极管芯片，在所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片的n-AlGaN层上方设置有透镜。
与现有技术相比，本发明实施例提供一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，在对n-AlGaN进行图形化的同时，基于特定图形、尺寸以及表面覆盖率的设置，有效降低了DUV LED的全反射，并显著提高了DUV LED的光提取效率。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例2中一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例1中一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片的制作流程示意图；
图4是本发明实施例2中一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片的制作流程示意图；
图5为本发明实施例1和实施例2中n-AlGaN层上多个六棱锥体结构按照正六边形密排点阵分布结构示意图；
图6为本发明实施例3和实施例4中n-AlGaN层上多个六棱锥体结构按照矩形点阵分布结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例一方面提供了一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其包括外延结构以及与所述外延结构相匹配的P型电极、N型电极，其中，所述外延结构包括依次叠层设置的p-AlGaN层、多量子阱层以及n-AlGaN层，所述n-AlGaN层上形成有台面，所述台面包含多个六棱锥体结构。
本发明实施例还提供了一种制作所述的高发光效率的深紫外发光二极管芯片的方法，其包括：
在衬底上依次形成缓冲层以及主要由n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层形成的外延结构；
在所述p-AlGaN层上制作P型电极层，并使所述P型电极层与所述p-AlGaN层形成欧姆接触；
将所述外延结构连同衬底和缓冲层转移到一基板上，并使所述P型电极层与基板上的导电线路层电连接；
除去所述衬底以及缓冲层，并在所述n-AlGaN层的台面上加工形成多个六棱锥体结构；
制作N型电极层，并使所述N型电极层与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
实施例1：
请参阅图1和图5，一种高光提取效率的深紫外LED芯片，其发光部分(可理解为前述的外延结构，下同)包括依次叠层设置的n-AlGaN层100、多量子阱层101、p-AlGaN层102，n-AlGaN层100的台面具有由多个六棱锥体结构形成的图形化结构，所述六棱锥体结构为正六棱锥结构，该多个六棱锥体结构呈正六边形密排点阵周期分布，图形化结构的表面覆盖率为56％，任一六棱锥体结构的高与其底面边长之比为0.9：1。
具体的，P型电极层103部分或全部覆盖在p-AlGaN层102上，并与p-AlGaN层102形成欧姆接触，N型电极层104部分覆盖在n-AlGaN层100的台面上，并与n-AlGaN层100形成欧姆接触。
请参阅图3，为了更好的理解本发明所述的高光提取效率的深紫外LED芯片，以下详细描述该高光提取效率的深紫外LED芯片的制作方法：
步骤1：生长外延层(该外延层可以理解为前述的外延结构，下同)：在蓝宝石衬底106上依次生长AlN缓冲层105、n-AlGaN层100、多量子阱层101、p-AlGaN层102；
步骤2：制作P型电极层103：通过蒸发或溅射的方式，结合光刻、腐蚀或剥离等方法，在p-AlGaN层102上形成P型电极层103，并通过退火的方式使P型电极层103与p-AlGaN层102形成P欧姆接触；
步骤3：转移芯片：将步骤2中获得的外延结构转移并固定到过渡基板107上，并使P型电极层103与基板107上的布线电连接；
步骤4：剥离衬底与缓冲层：通过激光剥离或者研磨或者刻蚀等方法除去蓝宝石衬底106以及AlN缓冲层105；
步骤5：形成n-AlGaN台面：通过光刻工艺与干法刻蚀或者湿法刻蚀等方法相结合对n-AlGaN层100的台面进行加工处理，并保留部分n-AlGaN层，进而在余预留部分n-AlGaN层的台面形成多个六棱锥体结构，该多个六棱锥体结构构成图形化结构；
步骤6：制作N型电极层：通过蒸发或溅射的方式并结合光刻、腐蚀或剥离等方法，在n-AlGaN层100上形成N型电极层104，并通过退火的方法使N型电极层104与n-AlGaN层100形成N欧姆接触；
完成以上步骤后，即在晶圆上形成多个高光提取效率的深紫外LED芯片单元，通过后续的晶圆减薄、切割即可分离出单个的高光提取效率的深紫外LED芯片，以及，在单个的高光提取效率的深紫外LED芯片的出光面设置透镜并完成封装。
实施例2：
请参阅图2和图5，一种高光提取效率的深紫外LED芯片，其发光部分包括依次叠层设置的n-AlGaN层200、多量子阱层201、p-AlGaN层202，n-AlGaN层200的台面具有由多个六棱锥体结构形成的图形化结构，所述六棱锥体结构为正六棱锥结构，所述多个六棱锥体结构呈正六边形密排点阵周期分布，如图5所示，该图形化结构的表面覆盖率为56％，六棱锥凸起的高与底面六边形的边之比为0.9：1。
具体的，P型电极层203部分或全部覆盖在p-AlGaN层202上，并与p-AlGaN层202形成欧姆接触，N型电极层204部分覆盖在n-AlGaN层200上，并与n-AlGaN层200形成欧姆接触；P型电极层203和N型电极层204上还叠层设置有凸点下金属层207和凸点金属层208，基板210上设置有金属电路层209，凸点金属层208与金属电路层209相连接。
如图4所示，为了更好的理解本发明所述的发光器件，以下详细描述该高光提取效率的深紫外LED芯片的制作方法：
步骤1：生长外延层：在蓝宝石衬底206上依次生长AlN缓冲层205、n-AlGaN层200、多量子阱层201、p-AlGaN层202；
步骤2：制作N型电极层：采用刻蚀的方式在p-AlGaN外延层202与多量子阱层201上形成至少一个刻蚀孔，直至所述n-AlGaN层200从刻蚀孔内露出，在所述露出的n-AlGaN层200上制作N型电极层204，并通过退火的方法使N型电极层204与n-AlGaN层200形成N欧姆接触；
步骤3：制作P型电极层：通过蒸发或溅射的方式，并结合光刻、腐蚀或剥离等方法，在p-AlGaN层202的上形成P型电极层203，并通过退火的方法使P型电极层203与p-AlGaN层202形成P欧姆接触；
步骤4：倒装焊接：
4-a、通过蒸发或溅射的方式，并结合光刻、腐蚀或剥离方法，在p型电极层203和n型电极层204上形成凸点下金属层207，在凸点下金属层207上形成凸点金属层208；
4-b、将芯片倒装键合到基板210上，使凸点金属层208与基板210上的金属电路层209电连接；
步骤5：剥离衬底与缓冲层：通过激光剥离或者研磨或者刻蚀等方式除去蓝宝石衬底206以及AlN缓冲层205；
步骤6：形成n-AlGaN台面：通过光刻工艺与干法或者湿法刻蚀等方法相结合对n-AlGaN层200的台面进行加工处理，并保留部分n-AlGaN层，进而在余预留部分n-AlGaN层的台面形成多个六棱锥体结构，该多个六棱锥体结构构成图形化结构；
完成以上步骤后，在晶圆上即形成多个高光提取效率的深紫外LED芯片单元，通过后续的晶圆减薄、切割即可分离出单个的高光提取效率的深紫外LED芯片，以及，在单个的高光提取效率的深紫外LED芯片进的出光面设置透镜并完成封装。
实施例3：
本实施例芯片结构与实施例1的区别在于，实施例1中的被刻蚀的n-AlGaN层100的多个六棱锥体结构呈正六边形密排点阵周期分布，而本实施例中的被刻蚀的n-AlGaN层100中的多个六棱锥体结构呈矩形点阵分布，如图6所示。
本实施例的制作方法与实施例1制作方法的差别仅在于其步骤5不同，具体如下：
步骤5：形成n-AlGaN台面：光刻处理后，通过干法或者湿法刻蚀等方法刻蚀n-AlGaN层100并形成点阵图形(即前述图形化结构，下同)300，该点阵图形包括多个六棱锥体结构。
实施例4：
本实施例芯片结构与实施例2的区别在于，实施例2中的被刻蚀的n-AlGaN层200中的多个六棱锥体结构呈正六边形密排点阵周期分布，本实施例中的被刻蚀的n-AlGaN层200中的多个六棱锥体结构呈矩形点阵分布，如图6所示。
本实施例的制作方法与实施例2制作方法的差别仅在于其步骤6不同，具体如下：
步骤6：形成n-AlGaN台面：光刻后，通过干法或者湿法刻蚀等方法刻蚀n-AlGaN层200并形成点阵图形300，该点阵图形包括多个六棱锥体结构。
本发明实施例1-4中的高光提取效率的深紫外LED芯片，当处于极限条件下时，P型电极层的反射率为100％，此时当n-AlGaN台面中的六棱锥体结构的表面覆盖率为56％，六棱锥体结构的六边形底面边长与六棱锥体结构的高之比为1：0.9时，在280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE分别为71％和73％。
当n-AlGaN台面中六棱锥体结构的表面覆盖率在40％-100％之间变化，280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE分别在64.5％-71％以及62.3％-73％变化，当表面覆盖率小于40％，280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE可低至23.2％与17.4％。
当表面覆盖率处于合适的范围内时，n-AlGaN台面中的六棱锥体结构的六边形底面的边长与六棱锥体结构的高之比为在1：0.5-1：5之间变化，280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE分别在62.1％-71％以及62.1％-73％变化，当n-AlGaN台面中的六棱锥体结构六边形底面的边长与六棱锥体结构的高之比小于1：0.5或高于1：5，280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE可低至56.8％与58.2％。
而采用现有技术(《AlGaN基深紫外倒装LED光提取效率的研究》王安生)对n-AlGaN进行图形化以实现LEE的提高的led芯片结构，其在280nm光波段下的TM模式LEE和TE模式LEE分别为42.5％和59.6％。
本发明实施例提供一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，在对n-AlGaN进行图形化的同时，基于特定图形、尺寸以及表面覆盖率的设置，有效降低了DUV LED的全反射，并显著提高了DUV LED的光提取效率。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其特征在于包括外延结构以及与所述外延结构相匹配的P型电极、N型电极，其中，所述外延结构包括依次叠层设置的p-AlGaN层、多量子阱层以及n-AlGaN层，所述n-AlGaN层上形成有台面，所述台面包含多个六棱锥体结构，所述多个六棱锥体结构呈矩形点阵形式分布，或者，所述多个六棱锥体结构呈正多边形密排点阵形式分布，所述六棱锥体结构的六边形底面边长与六棱锥体结构的高之比为1：0.9，所述多个六棱锥体结构的表面覆盖率为56％。
2.根据权利要求1所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其特征在于：所述台面与n-AlGaN层一体设置。
3.根据权利要求1所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其特征在于：所述P型电极与所述p-AlGaN层形成欧姆接触，所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
4.根据权利要求1所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其特征在于：所述P型电极、N型电极设置在所述外延结构的同一侧，所述P型电极、N型电极还分别经凸点金属层与基板上的导电线路层电连接；或者，所述P型电极、N型电极分别设置在所述外延结构的相背对的两侧，其中所述P型电极还与基板上的导电线路层电连接。
5.根据权利要求1所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片，其特征在于：所述高发光效率的深紫外发光二极管芯片的至少一个侧面还设置有反射层，所述反射层包括Al层、Ti/Al层、Ni/Al层、Mg层、Rh层中的任意一种金属层或两种以上叠层设置的金属层。
6.一种制作如权利要求1-5中任一项所述的高发光效率的深紫外发光二极管芯片的方法，其特征在于包括：
在衬底上依次形成缓冲层以及主要由n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层形成的外延结构；
在所述p-AlGaN层上制作P型电极层，并使所述P型电极层与所述p-AlGaN层形成欧姆接触；
将所述外延结构连同衬底和缓冲层转移到一基板上，并使所述P型电极层与基板上的导电线路层电连接；
除去所述衬底以及缓冲层，并在所述n-AlGaN层的台面上加工形成多个六棱锥体结构；
制作N型电极层，并使所述N型电极层与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于具体包括：采用光刻工艺与干法刻蚀或湿法刻蚀相结合的方式对所述n-AlGaN层的台面进行加工处理，以在所述n-AlGaN层的台面上形成多个六棱锥体结构。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的制作方法具体包括：在所述n-AlGaN层的台面上制作N型电极，并使所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触，或者，在所述p-AlGaN层上加工形成连续贯穿p-AlGaN层、多量子阱层的孔，以使所述n-AlGaN层暴露在所述孔内，之后在所述孔内制作形成N型电极，并使所述N型电极与所述n-AlGaN层形成欧姆接触。
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| AlGaN基深紫外倒装LED光提取效率的研究;王安生;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20190715(第7期);全文 * |
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