CN113078248A - Uvc半导体发光器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UVC半导体发光器件,包括:衬底;外延层,其设置于衬底上,外延层包括依次设置的N型AlGaN层、MQW发光层、P型AlGaN层和P‑GAN层;N电极层,其设置于N型AlGaN层上;P电极层,其设置于P‑GAN层上;以及反射层,其设置于P型AlGaN层上。本发明的UVC半导体发光器件,减少P‑GAN层对深紫外光的吸收,并且增加反射层,先制作欧姆接触电极减少高温退火对反射层的影响,从而可以大大增加出光效率。本发明还提供了一种UVC半导体发光器件的制作方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,具体地说,本发明涉及一种UVC半导体发光 器件及其制作方法。
背景技术
紫外线覆盖波长为100nm~400nm。一般UVA波长是315nm~400nm;UVB 波长是315nm~280nm;UVC波长是100nm~280nm。对比荧光发光和气体放电 发光,发光二极管的发光方法可更有效率。
深紫外发光二极管(LED)凭借节能,无毒无污染,体积小,在杀菌消毒领域 具有众多潜在市场应用价值和前景。市场应用有:加湿器、空气净化器、制冰 箱、智能马桶、食物保鲜盒、商用空调、奶瓶消毒器、宠物灭菌直饮瓶、智能 垃圾桶、车载空调、挂式空调、冰箱、洗衣机、便携式灭菌器、厨具智能消毒 柜等等。然而对于深紫外LED芯片而言,目前的技术瓶颈主要是因其外延材料 特殊,电光转换效率很低,芯片结温高,使用寿命短。对于波长低于280nm的 深紫外LED芯片,目前老化寿命普遍不超过2000小时,无法满足未来中高端 的市场应用需求。如何设计一种可提高深紫外LED寿命的芯片成为亟待解决的 问题。
通常,紫外线发光二极管具有多层不同材料结构。材料与厚度的选择影响 到LED的发光波长。为提升取光效率,这些多层结构都是选择不同的化学成 分组成,以促进光电载流子独立进入复合区(一般是量子阱)。在量子阱一侧掺 以施主原子从而提高电子的浓度(N型层),另外一侧掺以受主原子从而提高空 洞的浓度(P型层),普通GAN的能隙不足以得到深紫外的波长,为了增加能 隙需要掺杂非常高的Al组分。为了与较高的Al组分的器件形成欧姆接触通常 需要使用高温退火的方式,P-GAN层材料的特殊性质决定该层会吸收紫外光。 现有技术将P层刻蚀到N区,分别在N区P区制作欧姆接触电极,将正负电极 制作在同一面上,覆盖上大面积的金属bonding层增加散热功能。
现有高AL组分的氮化镓UVC器件存在主要问题如下:
1、P-GAN层吸收紫外光,量子阱发出的紫外光到P-GAN层将会被大量吸 收,所以发射向氮化镓P型层的紫外光将无法被提取。
2、现有器件制作成垂直结构,并且外出微光通道,在制作反射镜与欧姆接 触电极,但制作流程存在缺陷,欧姆接触的高温退火会对反射层造成损伤,增 加紫外光的吸收,并且N区的欧姆接触也需要高温退火并未体现;
3、现有器件制作成垂直结构,在N区制作图形形成反光柱,存在几点问题; 首先,去除衬底后片源会变薄一般在几百微米,这种情况下进行光刻、清洗、 蒸镀、刻蚀片源破碎几率较大;其次,高温退火会造成反射金属层变质影响反 射效果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提供 一种UVC半导体发光器件,目的是提高出光效率。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:UVC半导体发光器件,包 括:
衬底;
外延层,其设置于衬底上,外延层包括依次设置的N型AlGaN层、MQW 发光层、P型AlGaN层和P-GAN层;
N电极层,其设置于N型AlGaN层上;
P电极层,其设置于P-GAN层上;以及
反射层,其设置于P型AlGaN层上。
所述外延层还包括设置于所述衬底上的AlN层和设置于AlN层上的缓冲 层,所述N型AlGaN层设置于缓冲层上。
所述外延层具有第一凹槽和第二凹槽,所述反射层位于第一凹槽中,所述N 电极层位于所述第二凹槽中。
所述的UVC半导体发光器件还包括绝缘层,所述绝缘层设置于所述第一凹 槽和第二凹槽的内壁面上以及所述反射层上。
所述的UVC半导体发光器件还包括与所述N电极层和P电极层相接触的焊 盘层,所述绝缘层位于焊盘层与所述外延层之间。
所述N电极层包括从Ti、Al和Au所组成的组中选择的至少一种材料。
所述P电极层包括从Ni和Au所组成的组中选择的至少一种材料。
本发明还提供了一种UVC半导体发光器件的制作方法,包括步骤:
S1、提供衬底,在衬底上制备外延层;
S2、对外延层进行图形化刻蚀,刻蚀出P-Gan区和N型Gan区;
S3、在N型Gan区制备N电极层;
S4、在外延层的P-GAN层上制备P电极层;
S5、在外延层的P型AlGaN层上制备反射层;
S6、在P-Gan区和N型Gan区的内壁面上以及反射层上制备绝缘层;
S7、制备与N电极层和P电极层相接触的焊盘层,绝缘层位于焊盘层与外 延层之间。
所述步骤S1中,在所述衬底上依次沉积AlN层、缓冲层、N型AlGaN层、 MQW发光层、P型AlGaN层和P-GAN层。
所述N型AlGaN层的厚度为1.5~2.5um。
本发明的UVC半导体发光器件,减少P-GAN层对深紫外光的吸收,并且 增加反射层,先制作欧姆接触电极减少高温退火对反射层的影响,从而可以大 大增加出光效率。
附图说明
本说明书包括以下附图,所示内容分别是:
图1是本发明UVC半导体发光器件的结构示意图;
图2-图6是步骤S1-S6的器件结构变化示意图;
图中标记为:100、衬底;101、AlN层;102、缓冲层;103、N型AlGaN 层;104、MQW发光层;105、P型AlGaN层;106、P-GAN层;107、反射层; 108、P电极层;109、N电极层;110、焊盘层;111、绝缘层。
具体实施方式
下面对照附图,通过对实施例的描述,对本发明的具体实施方式作进一步 详细的说明,目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完 整、准确和深入的理解,并有助于其实施。
需要说明的是,在下述的实施方式中,所述的“第一”和“第二”并不代 表结构和/或功能上的绝对区分关系,也不代表先后的执行顺序,而仅仅是为了 描述的方便。
如图1所示,本发明提供了一种UVC半导体发光器件,UVC半导体发光 器件是指波长小于280nm的深紫外半导体发光器件,其包括衬底100、外延层、 N电极层109、P电极层108和反射层107。外延层设置于衬底100上,外延层 包括依次设置的N型AlGaN层(N型铝镓氮层)103、MQW发光层(量子阱发 光层)104、P型AlGaN层(P型铝镓氮层)105和P-GAN层(P型氮化镓层) 106。N电极层109设置于N型AlGaN层103上,P电极层108设置于P-GAN 层106上,反射层107设置于P型AlGaN层105上。
具体地说,如图1所示,外延层还包括设置于衬底100上的AlN层(氮化 铝层)101和设置于AlN层101上的缓冲层102,N型AlGaN层103设置于缓 冲层102上,AlN层101、缓冲层102、N型AlGaN层103、MQW发光层104、 P型AlGaN层105和P-GAN层106为由下至上依次设置。
如图1所示,外延层具有第一凹槽和第二凹槽,反射层107位于第一凹槽 中,N电极层109位于第二凹槽中。通过对外延层进行刻蚀,可以在外延层上 形成第一凹槽和第二凹槽,第一凹槽为从P-GAN层106的上表面刻蚀至P型 AlGaN层105的上表面而形成的凹槽,第二凹槽为从P型AlGaN层105的上表 面刻蚀至N型AlGaN层103的内部而形成的凹槽,第二凹槽的深度大于第一凹 槽的深度,第二凹槽位于第一凹槽的下方,第二凹槽的宽度小于第一凹槽的宽 度。在N型AlGaN层103上制备N电极层109后,再在P-GAN层106的上表 面上制备P电极层108,最后在P型AlGaN层105的上表面上制备反射层107。 采用这种顺序进行制作,可以减少P-GAN层106对深紫外光的吸收,并且增加 反射层107,先制作欧姆接触电极可以减少高温退火对反射层107的影响,从而 可以大大提高出光效率。而且,将凹槽设置在P层区,可以有效增加光效,也 能大大提高制作可行性。
如图1所示,本发明的UVC半导体发光器件还包括绝缘层111以及与N电 极层109和P电极层108相接触的焊盘层110,绝缘层111设置于第一凹槽和第 二凹槽的内壁面上以及反射层107上,绝缘层111位于焊盘层110与外延层之间。
作为优选的,N电极层109包括从Ti、Al和Au所组成的组中选择的至少 一种材料。
作为优选的,P电极层108包括从Ni和Au所组成的组中选择的至少一种 材料。
本发明还提供了一种UVC半导体发光器件的制作方法,包括如下的步骤:
S1、提供衬底100,在衬底100上制备外延层;
S2、对外延层进行图形化刻蚀,刻蚀出P-Gan区和N型Gan区;
S3、在N型Gan区制备N电极层109;
S4、在外延层的P-GAN层106上制备P电极层108;
S5、在外延层的P型AlGaN层105上制备反射层107;
S6、在P-Gan区和N型Gan区的内壁面上以及反射层107上制备绝缘层111;
S7、制备与N电极层109和P电极层108相接触的焊盘层110,绝缘层111 位于焊盘层110与外延层之间。
在上述步骤S1中,如图2所示,在衬底100上依次沉积AlN层101、缓冲 层102、N型AlGaN层103、MQW发光层104、P型AlGaN层105和P-GAN 层106。衬底100优选为C面蓝宝石衬底100,衬底100的尺寸为2寸。具体的, 使用金属气相沉积(MOCVD)机台在2寸C面蓝宝石衬底100上先后沉积AlN 层101、缓冲层102、N型AlGaN层103、MQW发光层104、P型AlGaN层105 和P-GAN层106。
在上述步骤S1中,N型AlGaN层103的厚度为1.5~2.5um,优选为2.0um。 而且,N型AlGaN层103中的AL组分约为50%。
在上述步骤S1中,缓冲层102为AlN/AlGaN超晶格结构,减少晶格失配 以及释放应力。
在上述步骤S2中,如图3所示,进行外延层图形化刻蚀,分三次分别刻蚀 出a区(即P-Gan区)、b区(即N型Gan区)和c区芯粒边缘部分,其中a区 使用刻蚀精度较高的原子刻蚀(ALE)机台进行刻蚀保证损伤较小,b区和c区 使用ICP机台进行刻蚀。刻蚀时所用气体为Cl2、BCl3、Ar、N2等。刻蚀出a区 的过程依次为涂胶→曝光→显影→干刻蚀→去胶,刻蚀出b区的过程依次为涂 胶→曝光→显影→干刻蚀→去胶,刻蚀出c区的过程依次为涂胶→曝光→显影 →干刻蚀→去胶。
在上述步骤S3中,如图4所示,P-Gan区形成有第一凹槽,N型Gan区形 成有第二凹槽,制备N电极层109的过程依次为涂负性胶→曝光→显影→蒸发 镀膜→金属剥离→去胶→退火处理,最终在第二凹槽中形成N电极层109。
在上述步骤S3中,制备N电极层109的过程中,退火处理时选用快速退火 (RTA)机台,退火温度控制在895℃~905℃,退火温度优选设定为900℃。
在上述步骤S4中,如图4所示,制备P电极层108的过程依次为涂负性胶 →曝光→显影→蒸发镀膜→金属剥离→去胶→退火处理,最终在P-GAN层106 上形成P电极层108。
在上述步骤S4中,制备P电极层108的过程中,退火处理时选用RTA机 台,退火温度控制在395℃~405℃,退火温度优选设定为400℃。
在上述步骤S5中,如图5所示,在P型AlGaN层105上制备反射层107, 制备反射层107的过程依次为利用金属蒸发沉积Al→涂胶→曝光→显影→干刻 蚀→去胶;或者,制备反射层107的过程依次为利用光学镀膜机沉积分布式拉 格反射层(DBR)→涂胶→曝光→显影→干刻蚀→去胶。
在上述步骤S6中,如图6所示,在P-GaN区和N型GaN区的内壁面上以 及反射层107上制备绝缘层111,制备绝缘层111的过程依次为使用增强型等离 子气相沉积(PECVD)1um厚度的SiO2→涂胶→曝光→显影→干刻蚀→去胶, 最后将电极区域暴露出,从而完成绝缘保护层的制作。
在上述步骤S7中,如图1所示,制备焊盘层110的过程依次为涂胶→曝光 →显影→再进行bonding主要是AuSn金属沉积→剥离→去胶,金属焊盘最后焊 接到金属的封装板上。
在上述UVC半导体发光器件的制作过程中,先做欧姆接触后做反射镜会减 少退火对反射镜的损伤,大大增加了出光效率;而且分别将外延片刻蚀成3个 区域,将反射层107、P型电极、N型电极制作在同一面,方便bonding焊接散 热;将整个芯片部分刻蚀分成一个个子像素区,同时焊接在金属焊盘上大大增 加了散热温度。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然,本发明具体实现并不受 上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实 质性的改进;或未经改进,将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场 合的,均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.UVC半导体发光器件,其特征在于,包括:
衬底;
外延层,其设置于衬底上,外延层包括依次设置的N型AlGaN层、MQW发光层、P型AlGaN层和P-GAN层;
N电极层,其设置于N型AlGaN层上;
P电极层,其设置于P-GAN层上;以及
反射层,其设置于P型AlGaN层上。
2.根据权利要求1所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,所述外延层还包括设置于所述衬底上的AlN层和设置于AlN层上的缓冲层,所述N型AlGaN层设置于缓冲层上。
3.根据权利要求1或2所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,所述外延层具有第一凹槽和第二凹槽,所述反射层位于第一凹槽中,所述N电极层位于所述第二凹槽中。
4.根据权利要求3所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,还包括绝缘层,所述绝缘层设置于所述第一凹槽和第二凹槽的内壁面上以及所述反射层上。
5.根据权利要求4所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,还包括与所述N电极层和P电极层相接触的焊盘层,所述绝缘层位于焊盘层与所述外延层之间。
6.根据权利要求1至5任一所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,所述N电极层包括从Ti、Al和Au所组成的组中选择的至少一种材料。
7.根据权利要求1至6任一所述的UVC半导体发光器件,其特征在于,所述P电极层包括从Ni和Au所组成的组中选择的至少一种材料。
8.权利要求1至7任一所述的UVC半导体发光器件的制作方法,其特征在于,包括步骤:
S1、提供衬底,在衬底上制备外延层;
S2、对外延层进行图形化刻蚀,刻蚀出P-Gan区和N型Gan区;
S3、在N型Gan区制备N电极层;
S4、在外延层的P-GAN层上制备P电极层;
S5、在外延层的P型AlGaN层上制备反射层;
S6、在P-Gan区和N型Gan区的内壁面上以及反射层上制备绝缘层;
S7、制备与N电极层和P电极层相接触的焊盘层,绝缘层位于焊盘层与外延层之间。
9.根据权利要求8所述的UVC半导体发光器件的制作方法,其特征在于,所述步骤S1中,在所述衬底上依次沉积AlN层、缓冲层、N型AlGaN层、MQW发光层、P型AlGaN层和P-GAN层。
10.根据权利要求9所述的UVC半导体发光器件的制作方法,其特征在于,所述N型AlGaN层的厚度为1.5~2.5um。
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