CN113594310B - 深紫外led芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种深紫外LED芯片及其制造方法，该深紫外LED芯片包括：衬底；外延结构，位于衬底上，从下到上依次包括N型半导体层、多量子阱层以及P型半导体层；以及金属纳米线层，位于P型半导体层上，其中，金属纳米线层作为P型半导体层的欧姆接触层。该深紫外LED芯片利用金属纳米线层作为P型半导体层的欧姆接触层，从而减少了深紫外LED芯片内部结构对深紫外光的吸收。

Description

深紫外LED芯片及其制造方法
技术领域
本申请涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种深紫外LED芯片及其制造方法。
背景技术
在相关技术中，深紫外LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)芯片的量子效率偏低，原因有以下几点：首先，AlGaN材料的外延质量不够理想，缺陷密度高导致内量子效率较低；其次，P型半导体层为获得较好的欧姆接触效果和空穴浓度需要在P型半导体层上生长一层p-GaN，而p-GaN对深紫外光有严重的吸收；第三，随着量子阱中Al组份增加，深紫外LED芯片出光以TM模式(平行于发光面)为主，而水平方向出光面积很小，因此TM光很难进入发光面的逃逸锥出射，TM光提取效率较低，这些问题严重制约了深紫外LED芯片性能的提升。
研究发现，一方面，在外延层质量相同的情况下，设计不同的电子阻挡层结构来改善空穴注入和电子溢出效应，可以显著改善深紫外LED芯片的内量子效率，且在低电流注入情况下电子溢出效应是导致内量子效率降低的主要因素；另一方面，由于倒装LED芯片比正装LED芯片具有更好的散热效果，因此制备合适的反射镜层也是提升深紫外LED芯片效率的关键技术问题。
采用倒装芯片来获得可接受的光输出效率和芯片可靠性，一般会采用条状电极、图形化阵列MESA台阶设计方案来增加外延层侧壁面积比例，以及保留较厚的蓝宝石衬底以获得更多的侧壁出光面。然而倒装芯片还存在几方面的缺点，一方面蓝宝石衬底和空气环境之间的折射率差异导致其光提取效率仍未达到较为理想的水平，需要设计在深紫外波段具有高反射率的反射镜结构来提高光提取，一般在深紫外波长范围会采用Al金属反射镜，但其绝对反射率在深紫外波段仅为92％，反射率未达到理想水平，且为了获得欧姆接触还需在Al金属反射镜前设置欧姆接触层，也会对深紫外光产生严重吸收；另一种技术方案采用具有高低折射率差异的SiO2、TiO2、Ta2O5等介质材料或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN等半导体材料组成DBR反射镜(分布式布拉格反射镜)，但介质材料的导热能力相对较差，DBR反射镜较厚，会产生严重的热积累现象，造成深紫外LED芯片光电参数和可靠性大幅度衰减，虽然采用半导体材料组成DBR反射镜可以改善LED芯片的导热能力，但由于深紫外LED芯片的TM发光模式(水平方向)比例较高，而DBR反射镜仅是TE(垂直方向)光反射效果较高，因此DBR反射镜方案对于深紫外LED芯片并非理想的技术解决路径。
因此，需要改进深紫外LED芯片及其制造方法，以改善上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种深紫外LED芯片及其制造方法，利用金属纳米线层与P型半导体层形成欧姆接触，并利用全方位反射镜结构配合具有高透射率的金属纳米线层，使得出射的紫外光被反射向透明衬底，从而减少了深紫外LED芯片内部结构对深紫外光的吸收并增加了深紫外LED芯片整体的出光效率。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种深紫外LED芯片，包括：衬底；外延结构，位于所述衬底上，从下到上依次包括N型半导体层、多量子阱层以及P型半导体层；以及金属纳米线层，位于所述P型半导体层上，其中，所述金属纳米线层作为所述P型半导体层的欧姆接触层。
可选地，所述P型半导体层的材料为P型掺杂的AlGaN、BAlN材料中的一种。
可选地，所述金属纳米线层由金属纳米线构成，所述金属纳米线包括芯部与包裹所述芯部的包覆层，其中，所述芯部的材料包括Cu或Ag，所述包覆层的材料包括高功函数的金属Ni和/或Pt。
可选地，所述金属纳米线层的透射率范围在70％至95％之间。
可选地，还包括全方位反射镜结构，所述全方位反射镜结构包括：介质层，位于所述金属纳米线层上；以及金属反射层，位于所述介质层上。
可选地，所述介质层的材料包括MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5中的至少一种或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN中的至少一种。
可选地，还包括多个接触孔，位于所述介质层中，所述多个接触孔穿过所述介质层并露出所述金属纳米线层，其中，部分所述金属反射层经所述接触孔与所述金属纳米线层电连接。
可选地，所述多个接触孔呈阵列分布，所述阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。
可选地，各所述接触孔的直径范围在5～10um之间，相邻所述接触孔的间距范围在30～60um之间。
可选地，还包括金属阻挡层，所述金属阻挡层位于所述金属反射层上。
可选地，还包括：至少一个通孔，自所述金属阻挡层延伸至所述N型半导体层上并露出所述N型半导体层；至少一个导电部，位于相应所述通孔中并与暴露出的所述N型半导体层接触，各所述导电部分别与所述P型半导体层、所述多量子阱层、所述金属纳米线层、所述介质层、所述全方位反射镜结构和所述金属阻挡层隔开；绝缘层，位于所述金属阻挡层上，并填充在各所述通孔中，所述绝缘层具有露出所述导电部表面的N导电通道和露出所述金属阻挡层表面的P导电通道；N电极，位于所述绝缘层上，部分所述N电极穿过所述N导电通道与所述导电部相连；以及P电极，位于所述绝缘层上，部分所述P电极穿过所述P导电通道与所述阻挡层相连，其中，所述N电极与所述P电极分隔。
可选地，所述绝缘层为高导热介质材料，所述高导热介质材料包括BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的至少一种。
可选地，还包括石墨烯电流扩展层，位于所述介质层与所述金属纳米线层之间，并与所述P型半导体层接触，其中，所述导电部还与所述石墨烯电流扩展层分隔。
可选地，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层均为多层，在所述P型半导体层与所述介质层之间，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层交替堆叠。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种深紫外LED芯片的制造方法包括：在衬底上形成外延结构，所述外延结构从下到上依次包括N型半导体层、多量子阱层以及P型半导体层；以及在所述P型半导体层上形成金属纳米线层，其中，所述金属纳米线层作为所述P型半导体层的欧姆接触层。
可选地，所述P型半导体层的材料为P型掺杂的AlGaN、BAlN材料中的一种。
可选地，所述金属纳米线层由金属纳米线构成，所述金属纳米线包括芯部与包裹所述芯部的包覆层，其中，所述芯部的材料包括Cu或Ag，所述包覆层的材料包括高功函数的金属Ni和/或Pt。
可选地，所述金属纳米线层的透射率范围在70％至95％之间。
可选地，还包括：在所述金属纳米线层上形成介质层；以及在所述介质层上形成金属反射层，其中，所述介质层与所述金属反射层构成全方位反射镜结构。
可选地，所述介质层的材料包括MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5中的至少一种或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN中的至少一种。
可选地，还包括在所述介质层中形成多个接触孔，所述多个接触孔穿过所述介质层并露出所述金属纳米线层，其中，部分所述金属反射层经所述接触孔与所述金属纳米线层电连接。
可选地，所述多个接触孔呈阵列分布，所述阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。
可选地，各所述接触孔的直径范围在5～10um之间，相邻所述接触孔的间距范围在30～60um之间。
可选地，还包括在所述金属反射层上形成金属阻挡层。
可选地，在形成所述金属纳米线层之前，所述制造方法还包括：在所述外延结构中形成至少一个通孔，各所述通孔自所述外延结构的第一表面延伸至所述N型半导体层上；以及在各所述通孔中形成导电部，各所述导电部与暴露出的所述N型半导体层接触，其中，在形成所述金属阻挡层之后，各所述通孔的开口延伸至所述金属阻挡层，各所述导电部分别与所述P型半导体层、所述多量子阱层、所述金属纳米线层、所述介质层、所述全方位反射镜结构和所述金属阻挡层隔开。
可选地，还包括：在所述金属阻挡层上形成绝缘层，部分所述绝缘层填充在各所述通孔中，并覆盖所述导电部；形成穿过所述绝缘层的P导电通道与N导电通道，所述P导电通道暴露部分所述金属阻挡层，所述N导电通道暴露所述导电部；以及在所述绝缘层上形成P电极与N电极，所述P电极经所述P导电通道与所述金属阻挡层相连，所述N电极经所述N导电通道与所述导电部相连，其中，所述N电极与所述P电极分隔。
可选地，所述绝缘层为高导热介质材料，所述高导热介质材料包括BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的至少一种。
可选地，还包括在所述介质层与所述金属纳米线层之间形成石墨烯电流扩展层，所述石墨烯电流扩展层与所述P型半导体层接触，其中，所述导电部还与所述石墨烯电流扩展层分隔。
可选地，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层均为多层，在所述P型半导体层与所述介质层之间，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层交替堆叠。
根据本发明实施例提供的深紫外LED芯片及其制造方法，通过金属纳米线层作为P型半导体层的欧姆接触层，由于金属纳米线之间具有较大比例的间隔空隙，使得深紫外光能够高效透过，从而在保证P型半导体层具有良好的欧姆接触效果的同时，深紫外光可以通过纳米线之间的空隙传播，减少对深紫外光的吸收。
采用高功函数的金属包覆层包裹纳米线的芯部，降低了金属反射层与P型半导体层的接触势垒，改善了金属-半导体接触电阻率从而实现降低深紫外LED芯片电压的效果，提高深紫外LED芯片的电光转化效率。
采用布拉格反射镜与金属反射层形成全方位反射镜结构，配合具有高透射率的金属纳米线层，使得出射的紫外光被反射向透明衬底，由于全方位反射镜结构对于水平方向与垂直方向均有较高的反射比例，从而实现了增加深紫外LED芯片整体出光效率的效果。
通过在全方位反射镜结构的介质层中设置多个暴露金属纳米线层的接触孔，使得全方位反射镜结构中的金属反射层通过接触孔与金属纳米线层相连，实现电流均匀扩展分布的作用。
通过在外延结构中设置阵列分布的通孔，增加了外延结构侧壁的面积，从而增加了水平方向的光提取效率。
通过在金属纳米线层上形成石墨烯电流扩展层，进一步增强了深紫外LED芯片横向电流的扩展能力。
通过将绝缘层设置为高导热材料，增强了深紫外LED芯片的导热能力，进而增强了深紫外LED芯片的可靠性。
因此，本发明实施例提供的深紫外LED芯片利用金属纳米层在保证P型半导体层获得较好的欧姆接触效果的同时也减少了深紫外LED外延结构对深紫外光的吸收，并配合全方位反射镜结构，增加深紫外LED芯片的内量子效率和电光转化效率，最终使深紫外LED芯片的性能获得增强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。
图1至9示出了本发明第一实施例制造深紫外LED芯片的方法在一些阶段的结构图。
图10至15示出了本发明第二实施例制造深紫外LED芯片的方法在一些阶段的结构图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”等表述方式。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。为改善上述问题，本发明提供了改进的深紫外LED芯片及其制造方法，利用金属纳米线层与P型半导体层形成欧姆接触，并利用全方位反射镜结构配合具有高透射率的金属纳米线层，使得正面出射的紫外光被反射向透明衬底，从而减少了深紫外LED芯片内部结构对深紫外光的吸收并增加了深紫外LED芯片整体的出光效率。本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1至9示出了本发明第一实施例制造深紫外LED芯片的方法在一些阶段的结构图。
如图1所示，在衬底101上形成外延结构110。该外延结构110从下到上依次包括N型半导体层114、多量子阱层115和P型半导体层116。
在一些优选的实施例中，为了更好地匹配N型半导体层114与衬底101之间的晶格，外延结构110还包括位于N型半导体层114与衬底101之间的晶格匹配叠层。具体的，衬底101为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的厚度为300um到2um。沿外延结构的第二表面101b向第一表面101a的方向，外延结构110包括依次堆叠的缓冲层111、AlN层112、AlN/AlGaN超晶格层113，N型半导体层114、多量子阱层115以及P型半导体层116，其中，缓冲层111的材料为AlN，AlN层112的厚度大于缓冲层111，缓冲层111、AlN层112、AlN/AlGaN超晶格层113作为晶格匹配叠层。
在本实施例中，外延结构110的厚度范围在5-10微米之间，外延结构110中各层的生长方法可以是金属化学气相沉积、激光辅助分子束外延、激光溅射或氢化物气相外延等。外延结构110的各层可以是多晶或单晶结构。蓝宝石衬底包含但不限于镜面或微米级/纳米级图形化蓝宝石衬底中的一种，图形为凸起或凹陷的条状直线、条状曲线、圆锥、圆台、半球型、正多边形锥体、台阶中的一种或多种图形组合，其优选方案是镜面蓝宝石。该外延结构110对应的波长范围在320～200nm之间，其中的多量子阱层114包含以AlGaN/AlInGaN等材料体系形成的往复连续递进式LED芯片外延结构中的一种或几种，其优选方案是含不同Al组分的AlGaN结构。
在本实施例中，P型半导体层116的材料为P型掺杂的氮化镓铝(AlGaN)或氮化铝硼(BAlN)。N型半导体层114的材料为N型掺杂的AlGaN。
本领域技术人员还可以根据需要对外延结构110的厚度、各层材料进行其他设置。当然，衬底101并不限于蓝宝石衬底，还可以为GaN衬底、AlN衬底、Ga2O3衬底、SiC衬底、Si衬底、ZnO单晶衬底，以及带有预沉积AlN膜的耐高温金属衬底或蓝宝石衬底中的任一种。其中，预沉积AlN膜的厚度范围在10nm～2um之间，是利用溅射或反应等离子体沉积技术中的一种制备的，并且需要对预沉积AlN膜进行高温退火处理，退火氛围为纯N2或者N2-CO混合气体环境中的一种，退火温度范围在1400～1800℃之间。
进一步的，在外延结构110中形成至少一个通孔102与凹槽103，如图2a所示。
在该步骤中，例如采用光刻和干法刻蚀技术在外延结构110上同步形成均匀阵列分布的多个通孔102以及位于衬底101边缘的凹槽103。其中，多个通孔102与凹槽103均自外延结构的第一表面101a延伸至N型半导体层114上。通过设置通孔102与凹槽103增加了侧壁面积，利于提取更多的水平方向的深紫外光。
在一些其他实施例中，还可以对通孔102与凹槽103的侧壁进行粗化处理形成凹凸形状10，如图2b所示，以进一步提高水平方向的深紫外光的提取效率。
本领域技术人员可以根据需要对通孔102的数量进行设置。
进一步的，在各通孔102中分别形成导电部120，如图3所示。
在该步骤中，例如采用光刻和物理气相沉积技术在通孔102中形成与N型半导体层114相连的导电部120，该导电部120分别与P型半导体层116、多量子阱层115隔开。之后对导电部120进行退火，以使导电部120与N型半导体层114之间形成良好的欧姆接触。
在本实施例中，沿外延结构110的第二表面101b向第一表面101a的方向，导电部120的第一层为Ti、Cr、V、Hf、Al材料中的至少一种，导电部120的第一层的厚度范围在1nm～100nm之间，第一层上为Al、Ni、Ti、Pt、Au所组成的双层或多层叠对金属，导电部120的总厚度例如为500nm。退火在N2氛围下进行，工艺温度为900℃，该退火过程持续1分钟，退火方式为炉管分区高温退火、高温快速退火或激光退火中的一种。
进一步的，在外延结构110的第一表面101a上形成金属纳米线层130，如图4所示。
在该步骤中，例如采用旋涂工艺将包括芯部与包覆层的金属纳米线涂覆在P型半导体层116上，其中，通孔102与凹槽103对应的区域被保护，未被金属纳米线层130覆盖，或者说在此步骤中，通孔102与凹槽103的开口延伸到金属纳米线层130。然后利用高温退火工艺使金属纳米线层130与P型半导体层116形成良好的欧姆接触。其中，包覆层的材料为高功函数的金属，包覆层与被包裹的芯部的总直径例如为150纳米。需要说明的是，金属纳米线层130由金属纳米线构成，金属纳米线之间具有空隙，因此金属纳米线层130不是连续的薄膜，图4中金属纳米线层130中的开口并不表示在金属纳米线层130中刻蚀出开口，而是表示金属纳米线之间具有空隙、不连续。
在本实施例中，当P型半导体层116的材料为P型掺杂的AlGaN时，采用Cu或Ag作为金属纳米线的芯部，包覆层的材料为Ni和/或Pt，其中，Ni的功函数为5.04eV，Pt的功函数为5.93eV，从而降低了金属反射层140与P型半导体层116的接触势垒，改善了金属-半导体接触电阻率从而降低深紫外LED芯片电压。而且，通过调整金属纳米线的密度使其对深紫外光具有高透射率，透射率可达到70％～95％，使深紫外光能够高效透过金属纳米线层130。
进一步的，形成覆盖金属纳米线层130的介质层140，如图5所示。
在该步骤中，例如采用物理气相沉积、光刻工艺在金属纳米线层130上形成介质层140，其中，通孔102与凹槽103对应的区域被保护，未被介质层140覆盖，或者说在此步骤中，通孔102与凹槽103的开口延伸到介质层140。需要说明的是，由于金属纳米线层130中的金属纳米线之间具有空隙，因此介质层140也填充这些空隙，并与P型半导体层116接触。
在本实施例中，介质层140的材料为MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5等介质材料或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN等半导体材料所组成，介质层140为单层或多层叠对方式，每一层的厚度为λ/4n(λ为目标深紫外波长，n为对应介质层在目标深紫外波长处的折射率)。其中，介质层140构成DBR反射镜。
进一步的，在介质层140中形成多个接触孔104，如图6所示。
在该步骤中，例如采用光刻、刻蚀工艺形成多个接触孔104，多个接触孔104贯穿介质层140并露出金属纳米线层130。
在本实施例中，多个接触孔104呈阵列分布且密度很高，阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。各接触孔104的直径范围在5～10um之间，相邻接触孔104的间距范围在30～60um之间。
进一步的，在介质层140上形成金属反射层150，如图7所示。
在该步骤中，例如采用光刻、物理气相沉积技术在介质层140上形成金属反射层150，部分金属反射层150经接触孔104与金属纳米线层130相连。其中，通孔102与凹槽103对应的区域被保护，未被金属反射层150覆盖，或者说在此步骤中，通孔102与凹槽103的开口延伸到金属反射层150。
在本实施例中，金属反射层150为金属反射镜，包括Al镜、Rh镜、Mg镜中的一种。介质层140与金属反射层150构成全方位反射镜(ODR)，提高了反射率。具体的，本实施例中的金属反射层为Al镜，Al镜的厚度为120nm。
进一步的，在金属反射层150上形成金属阻挡层160，如图7所示。
在该步骤中，例如采用光刻、物理气相沉积技术在金属反射层150上形成金属阻挡层160。其中，通孔102与凹槽103对应的区域被保护，未被金属阻挡层160覆盖，或者说在此步骤中，通孔102与凹槽103的开口延伸到金属阻挡层160。
在本实施例中，金属阻挡层160的厚度为500nm，材料包括Ti、W、Pt、Au中的至少一种。该金属阻挡层160的作用为防止金属反射层150被氧化，并且防止金属之间的扩散，同时还起到电流扩展的作用。
进一步的，在金属阻挡层160上形成绝缘层170，如图8所示。
在该步骤中，例如采用化学气相沉积工艺形成覆盖半导体结构的绝缘层170，该绝缘层170的部分位于金属阻挡层160上，部分填充在通孔102与凹槽103中，其中，填充在通孔102中的绝缘层170覆盖导电部120。
在本实施例中，绝缘层170的沉积为厚度范围在400nm到2um之间，材料包括高导热介质材料为BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的一种或多种组合，提高了深紫外LED芯片的导热能力。
进一步的，形成穿过绝缘层170的P导电通道106与N导电通道105，如图8所示。
在该步骤中，例如采用光刻与干法刻蚀工艺形成P导电通道106与N导电通道105，其中，P导电通道106暴露部分金属阻挡层160的表面，N导电通道105暴露各导电部120的表面。
进一步的，在绝缘层170上分别形成P电极182与N电极181，如图9所示。
在本实施例中，P电极182经P导电通道106与金属阻挡层160相连，N电极181经N导电通道105与各导电部120相连。
在一些具体的实施例中，N电极181、P电极182均包括Ti、W、Pt、Au中的至少一种材料。沿外延结构的第二表面102b向第一表面102a的方向，N电极181、P电极182均包括依次堆叠的Ti粘附层以及Au、Sn二元合金层。其中，Ti粘附层的厚度为200nm，Au、Sn二元合金层的厚度分别为600nm、200nm。
根据本发明第一实施例的制造方法，形成的深紫外LED芯片为倒装通孔结构，第一实施例的深紫外LED芯片具体结构参照图1至图8的描述，此处不再赘述。
图10至15示出了本发明第二实施例制造深紫外LED芯片的方法在一些阶段的结构图。
如图10所示，在衬底201上形成外延结构210。该外延结构210从下到上依次包括N型半导体层214、多量子阱层215和P型半导体层216。
为了更好地匹配N型半导体层214与衬底201之间的晶格，外延结构210还包括位于N型半导体层214与衬底201之间的晶格匹配叠层。沿外延结构的第二表面201b向第一表面201a的方向，外延结构210包括依次堆叠的缓冲层211、AlN层212、AlN/AlGaN超晶格层213，N型半导体层214、多量子阱层215以及P型半导体层216。
进一步的，在外延结构210中形成至少一个通孔202与凹槽103，在各通孔202中分别形成导电部220，并在外延结构210的第一表面形成金属纳米线层230。
本实施例中的衬底201、外延结构210、金属纳米线层230、导电部220、通孔202以及凹槽203的结构与第一实施例相同，可参照图1至图4的描述，此处不再赘述。
进一步的，在P型半导体层216与金属纳米线层230上形成石墨烯电流扩展层231，如图10所示。其中，通孔202与凹槽203对应的区域被保护，未被石墨烯电流扩展层231覆盖，或者说在此步骤中，通孔202与凹槽203的开口延伸到石墨烯电流扩展层231。需要说明的是，由于金属纳米线层230的金属纳米线之间具有空隙，因此石墨烯电流扩展层231也填充这些空隙，并与P型半导体层216接触。
在本实施例中，石墨烯电流扩展层231为单层，用于增加金属纳米线层230的横向电流扩展能力；进一步的，可以采用金属纳米线-石墨烯层的多层叠对方案，即金属纳米线层230与石墨烯电流扩展层231均为多层，在P型半导体层216与后续步骤形成的介质层240之间，金属纳米线层230与石墨烯电流扩展层231交替堆叠，使深紫外LED芯片具有更好的横向电流扩展能力。
进一步的，形成覆盖石墨烯电流扩展层231的介质层240，如图11所示。
在该步骤中，例如采用光刻、物理气相沉积工艺在石墨烯电流扩展层231上形成介质层240，其中，通孔202与凹槽203对应的区域被保护，未被介质层240覆盖，或者说在此步骤中，通孔202与凹槽203的开口延伸到介质层240。
在本实施例中，介质层240的材料为MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5等介质材料或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN等半导体材料所组成，介质层240为单层或多层叠对方式，每一层的厚度为λ/4n(λ为目标深紫外波长，n为对应介质层在目标深紫外波长处的折射率)。其中，介质层240构成DBR反射镜。
进一步的，在介质层240与石墨烯电流扩展层231中形成多个接触孔204，如图12所示。
在该步骤中，例如采用光刻、刻蚀工艺形成多个接触孔204，多个接触孔204贯穿介质层240并露出金属纳米线层230。
在本实施例中，多个接触孔204呈阵列分布且密度很高，阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。各接触孔204的直径范围在5～10um之间，相邻接触孔204的间距范围在30～60um之间。
进一步的，在介质层240上形成金属反射层250，如图13所示。
在该步骤中，例如采用光刻、物理气相沉积技术在介质层240上形成金属反射层250，部分金属反射层250经接触孔204与金属纳米线层230相连。其中，通孔202与凹槽203对应的区域被保护，未被金属反射层250覆盖，或者说在此步骤中，通孔202与凹槽203的开口延伸到金属反射层250。
在本实施例中，金属反射层250为金属反射镜，包括Al镜、Rh镜、Mg镜中的一种。介质层240与金属反射层250构成全方位反射镜，提高了反射率。具体的，本实施例中的金属反射层为Rh镜，Rh镜的厚度为200nm。
进一步的，在金属反射层250上形成金属阻挡层260，如图13所示。
在该步骤中，例如采用光刻、物理气相沉积技术在金属反射层250上形成金属阻挡层260。其中，通孔202与凹槽203对应的区域被保护，未被金属阻挡层260覆盖，或者说在此步骤中，通孔202与凹槽203的开口延伸到金属阻挡层260。
在本实施例中，金属阻挡层260的厚度为500nm，材料包括Ti、W、Pt、Au中的至少一种。该金属阻挡层260的作用为防止金属反射层250被氧化，并且防止金属之间的扩散，同时还起到电流扩展的作用。
进一步的，在金属阻挡层260上形成绝缘层270，如图14所示。
在该步骤中，例如采用化学气相沉积工艺形成覆盖半导体结构的绝缘层270，该绝缘层270的部分位于金属阻挡层260上，部分填充在通孔202与凹槽203中，其中，填充在通孔202中的绝缘层270覆盖导电部220。
在本实施例中，绝缘层270的沉积为厚度范围在400nm到2um之间，材料包括高导热介质材料为BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的一种或多种组合。
进一步的，形成穿过绝缘层270的P导电通道206与N导电通道205，如图14所示。
在该步骤中，例如采用光刻与干法刻蚀工艺形成P导电通道206与N导电通道205，其中，P导电通道206暴露部分金属阻挡层260的表面，N导电通道205暴露各导电部220的表面。
进一步的，在绝缘层270上分别形成P电极282与N电极281，如图15所示。
在本实施例中，P电极282经P导电通道206与金属阻挡层260相连，N电极281经N导电通道205与各导电部220相连。
在一些具体的实施例中，N电极281、P电极282均包括Ti、W、Pt、Au中的至少一种材料。
沿外延结构210的第二表面向第一表面的方向，N电极281、P电极282均包括依次堆叠的Ti粘附层以及Au、Sn二元合金层。其中，Ti粘附层的厚度为200nm，Au、Sn二元合金层的厚度分别为600nm、200nm。
根据本发明第二实施例的制造方法，形成的深紫外LED芯片为倒装通孔结构，第二实施例的深紫外LED芯片具体结构参照图10至图15的描述，此处不再赘述。
根据本发明实施例提供的深紫外LED芯片及其制造方法，通过金属纳米线层作为P型半导体层的欧姆接触层，由于金属纳米线之间具有较大比例的间隔空隙，使得深紫外光能够高效透过，从而在保证P型半导体层具有良好的欧姆接触效果的同时，深紫外光可以通过纳米线之间的空隙传播，减少对深紫外光的吸收。
采用高功函数的金属包覆层包裹纳米线的芯部，降低了金属反射层与P型半导体层的接触势垒，改善金属-半导体接触电阻率从而实现降低深紫外LED芯片电压的效果，提高深紫外LED芯片的电光转化效率。
采用布拉格反射镜与金属反射层形成全方位反射镜结构，配合具有高透射率的金属纳米线层，使得出射的紫外光被反射向透明衬底，由于全方位反射镜结构对于水平方向与垂直方向均有较高的反射比例，从而实现了增加深紫外LED芯片整体出光效率的效果。
通过在全方位反射镜结构的介质层中设置多个暴露金属纳米线层的接触孔，使得全方位反射镜结构中的金属反射层通过接触孔与金属纳米线层相连，实现电流均匀扩展分布的作用。
通过在外延结构中设置阵列分布的通孔，增加了外延结构侧壁的面积，从而增加了水平方向的光提取效率。
通过在金属纳米线层上形成石墨烯电流扩展层，进一步增强了深紫外LED芯片横向电流的扩展能力。
通过将绝缘层设置为高导热材料，增强了深紫外LED芯片的导热能力，进而增强了深紫外LED芯片的可靠性。
因此，本发明实施例提供的深紫外LED芯片利用金属纳米层在保证P型半导体层获得较好的欧姆接触效果的同时也减少了深紫外LED外延结构对深紫外光的吸收，并配合全方位反射镜结构，增加深紫外LED芯片的内量子效率和电光转化效率，最终使深紫外LED芯片的性能获得增强。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (25)

1.一种深紫外LED芯片，包括：
衬底；
外延结构，位于所述衬底上，从下到上依次包括N型半导体层、多量子阱层以及P型半导体层；
金属纳米线层，位于所述P型半导体层上；
介质层，位于所述金属纳米线层上；以及
金属反射层，位于所述介质层上，所述介质层和所述金属反射层构成全方位反射镜结构，
其中，所述介质层中还包括多个接触孔，所述多个接触孔穿过所述介质层并露出所述金属纳米线层，部分所述金属反射层经所述接触孔与所述金属纳米线层电连接，所述金属纳米线层作为所述P型半导体层的欧姆接触层，
所述金属纳米线层由金属纳米线构成，所述金属纳米线包括芯部与包裹所述芯部的包覆层，所述包覆层的材料包括高功函数的金属Ni和/或Pt，
所述金属纳米线之间具有空隙，所述金属纳米线层为不连续的薄膜，所述介质层填充所述空隙，与所述P型半导体层接触。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其中，所述P型半导体层的材料为P型掺杂的AlGaN、BAlN材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其中，所述芯部的材料包括Cu或Ag。
4.根据权利要求3所述的深紫外LED芯片，其中，所述金属纳米线层的透射率范围在70％至95％之间。
5.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其中，所述介质层的材料包括MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5中的至少一种或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其中，所述多个接触孔呈阵列分布，所述阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其中，各所述接触孔的直径范围在5～10um之间，相邻所述接触孔的间距范围在30～60um之间。
8.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，还包括金属阻挡层，所述金属阻挡层位于所述金属反射层上。
9.根据权利要求8所述的深紫外LED芯片，还包括：
至少一个通孔，自所述金属阻挡层延伸至所述N型半导体层上并露出所述N型半导体层；
至少一个导电部，位于相应所述通孔中并与暴露出的所述N型半导体层接触，各所述导电部分别与所述P型半导体层、所述多量子阱层、所述金属纳米线层、所述介质层、所述全方位反射镜结构和所述金属阻挡层隔开；
绝缘层，位于所述金属阻挡层上，并填充在各所述通孔中，所述绝缘层具有露出所述导电部表面的N导电通道和露出所述金属阻挡层表面的P导电通道；
N电极，位于所述绝缘层上，部分所述N电极穿过所述N导电通道与所述导电部相连；以及
P电极，位于所述绝缘层上，部分所述P电极穿过所述P导电通道与所述阻挡层相连，
其中，所述N电极与所述P电极分隔。
10.根据权利要求9所述的深紫外LED芯片，其中，所述绝缘层为高导热介质材料，所述高导热介质材料包括BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的深紫外LED芯片，还包括石墨烯电流扩展层，位于所述介质层与所述金属纳米线层之间，并与所述P型半导体层接触，
其中，所述导电部还与所述石墨烯电流扩展层分隔。
12.根据权利要求11所述的深紫外LED芯片，其中，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层均为多层，在所述P型半导体层与所述介质层之间，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层交替堆叠。
13.一种深紫外LED芯片的制造方法，包括：
在衬底上形成外延结构，所述外延结构从下到上依次包括N型半导体层、多量子阱层以及P型半导体层；
在所述P型半导体层上形成金属纳米线层；
在所述金属纳米线层上形成介质层；
在所述介质层中形成多个接触孔，所述多个接触孔穿过所述介质层并露出所述金属纳米线层；以及
在所述介质层上形成金属反射层，
其中，部分所述金属反射层经所述接触孔与所述金属纳米线层电连接，所述介质层与所述金属反射层构成全方位反射镜结构，所述金属纳米线层作为所述P型半导体层的欧姆接触层，
所述金属纳米线层由金属纳米线构成，所述金属纳米线包括芯部与包裹所述芯部的包覆层，所述包覆层的材料包括高功函数的金属Ni和/或Pt，
所述金属纳米线之间具有空隙，所述金属纳米线层为不连续的薄膜，所述介质层填充所述空隙，与所述P型半导体层接触。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述P型半导体层的材料为P型掺杂的AlGaN、BAlN材料中的一种。
15.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述芯部的材料包括Cu或Ag。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其中，所述金属纳米线层的透射率范围在70％至95％之间。
17.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述介质层的材料包括MgF2、SiO2、TiO2、Ta2O5中的至少一种或AlN、AlGaN、BAlN、AlInN中的至少一种。
18.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述多个接触孔呈阵列分布，所述阵列包括四方阵列、菱形阵列、六角阵列中的至少一种。
19.根据权利要求13所述的制造方法，其中，各所述接触孔的直径范围在5～10um之间，相邻所述接触孔的间距范围在30～60um之间。
20.根据权利要求13所述的制造方法，还包括在所述金属反射层上形成金属阻挡层。
21.根据权利要求20所述的制造方法，在形成所述金属纳米线层之前，所述制造方法还包括：
在所述外延结构中形成至少一个通孔，各所述通孔自所述外延结构的第一表面延伸至所述N型半导体层上；以及
在各所述通孔中形成导电部，各所述导电部与暴露出的所述N型半导体层接触，
其中，在形成所述金属阻挡层之后，各所述通孔的开口延伸至所述金属阻挡层，
各所述导电部分别与所述P型半导体层、所述多量子阱层、所述金属纳米线层、所述介质层、所述全方位反射镜结构和所述金属阻挡层隔开。
22.根据权利要求21所述的制造方法，还包括：
在所述金属阻挡层上形成绝缘层，部分所述绝缘层填充在各所述通孔中，并覆盖所述导电部；
形成穿过所述绝缘层的P导电通道与N导电通道，所述P导电通道暴露部分所述金属阻挡层，所述N导电通道暴露所述导电部；以及
在所述绝缘层上形成P电极与N电极，所述P电极经所述P导电通道与所述金属阻挡层相连，所述N电极经所述N导电通道与所述导电部相连，
其中，所述N电极与所述P电极分隔。
23.根据权利要求22所述的制造方法，其中，所述绝缘层为高导热介质材料，所述高导热介质材料包括BN、AlN、BeO、金刚石薄膜中的至少一种。
24.根据权利要求21所述的制造方法，还包括在所述介质层与所述金属纳米线层之间形成石墨烯电流扩展层，所述石墨烯电流扩展层与所述P型半导体层接触，
其中，所述导电部还与所述石墨烯电流扩展层分隔。
25.根据权利要求24所述的制造方法，其中，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层均为多层，在所述P型半导体层与所述介质层之间，所述金属纳米线层与所述石墨烯电流扩展层交替堆叠。
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