CN114267764A - 高出光效率的深紫外led及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高出光效率的深紫外LED及其制备方法，其中，高出光效率的深紫外LED包括深紫外倒装LED；设置在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面上的介质层，介质层采用硬度比蓝宝石低的材质制成，且介质层的出光面为经过粗化处理的出光面。本发明虽然在深紫外倒装LED上增设介质层，增加了深紫外倒装LED的厚度，但是，由于增设的介质层设在蓝宝石衬底的出光面上，且介质层的出光面经过粗化处理，使得深紫外倒装LED即使厚度增大，其出光效率也能够得到进一步提高；而且，由于介质层的硬度比蓝宝石低，其粗化难度和成本均得到降低。

Description

高出光效率的深紫外LED及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高出光效率的深紫外LED及其制备方法。

背景技术

由于在常用的深紫外倒装LED中，反射率高的金属欧姆接触特性较差，即出光效率高的金属欧姆接触特性较差，也即良好的欧姆接触和高出光效率通常难以兼得，这极大地限制了深紫外倒装LED的出光效率的提高。

为了解决良好的欧姆接触和高出光效率难以兼得的问题，本领域研发人员在实验研究过程中发现：通过对蓝宝石衬底进行图形化或去除蓝宝石衬底等技术手段可以实现在提升LED出光效率的同时不影响欧姆接触。例如，公布号为CN111969087A的发明专利申请就公开了一种基于透明衬底的LED芯片及其制备方法，其通过将透明衬底设置成具有多个锥状凸起的结构或设置成具有斜侧壁的结构，以达到提升LED芯片的出光效率的效果。可见，通过对蓝宝石衬底进行图形化的技术方案可以在一定程度上提高深紫外倒装LED的出光效率。

但是，由于蓝宝石的材质较为坚硬，导致无论是在蓝宝石衬底上进行精细的粗化处理，还是将蓝宝石衬底剥离，一般都需要使用激光技术，该技术不仅操作难度较大，且需要投入的成本也较大。

发明内容

发明人在对解决深紫外倒装LED能够同时获得出光效率高和良好的欧姆接触的技术问题进行研究的过程中发现：现有技术无论是通过对蓝宝石精细粗化的技术手段，还是通过将蓝宝石衬底剥离的技术手段，其原理都是通过尽可能减少深紫外倒装LED的结构层数和厚度的方式来提高出光效率。但是，这些方式都无可避免的需要对材质坚硬的蓝宝石衬底进行处理，都要面临操作难度大，投入成本高的问题。

发明人经过长期的研究和实验，提出了一种完全不同于现有技术的解决深紫外倒装LED能够同时获得出光效率高和良好的欧姆接触的技术问题的技术方案，通过增加深紫外倒装LED的厚度的方式，使得深紫外倒装LED即使在增加厚度的情况下仍然能够获得高出光效率和良好的欧姆接触，而且，无需对蓝宝石衬底进行处理，在提高出光效率的同时，降低了成本。

根据本发明的一方面，提供了一种高出光效率的深紫外LED，其包括深紫外倒装LED；和设置在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面上的介质层，介质层采用硬度比蓝宝石低的材质制成，且介质层的出光面为经过粗化处理的出光面。考虑到蓝宝石的莫氏硬度为9，示例性的，介质层的莫氏硬度的取值范围为5-7，以在降低介质层粗化处理的难度的同时，保证介质层的强度。

本发明通过在蓝宝石衬底的出光面增设的介质层，并且将介质层的出光面进行粗化处理，使得深紫外倒装LED在厚度增大的情况下，其出光效率仍然能够得到进一步提高；而且，由于介质层的硬度比蓝宝石低，即介质层的材质比蓝宝石的材质疏松，使得介质层较蓝宝石衬底在粗化的难度和成本上均得到降低；同时，由于硬度较低的介质层的粗化难度比蓝宝石的粗化难度低，可以更加方便地根据需要设计介质层的粗化的图形图案，以获取较高的出光效率。

在一些实施方式中，将介质层的厚度范围设置为0.1μm-1.5μm。以在保证介质层的粗化处理能够顺利进行的情况下，避免因介质层的厚度太厚导致出光效率降低。

在一些实施方式中，介质层采用对深紫外光的透光率在70％-98％的材质制成。以降低光在介质层中的损耗，进一步提高深紫外倒装LED的出光效率。优选的，采用SiO₂作为制作介质层的材质。以符合介质层对硬度和深紫外光透光率等特性的需求标准。

在一些实施方式中，将介质层的折射率的取值设置在蓝宝石的折射率和空气的折射率之间，减小了蓝宝石与介质层之间的折射率差，以及减小了介质层与空气之间的折射率差，进而降低了光线自蓝宝石衬底经过介质层进入空气的过程中出现全反射的概率，从而进一步提高了深紫外倒装LED的出光效率。优选的，介质层的折射率范围为1.2-1.7。更为优选的，介质层的折射率为1.4。以避免因介质层的折射率与蓝宝石的折射率的差值较大，或介质层的折射率与空气的折射率的差值较大，而在介质层与蓝宝石衬底界面或介质层与空气界面出现较大比例的全反射现象。

在一些实施方式中，示例性的，粗化处理得到的图形形状为三棱锥、四棱锥、六棱锥、圆锥、圆柱和半球形中的至少一种。以提高深紫外倒装LED的出光效率。

在一些实施方式中，相邻图形的底面紧密相连，且所有图形有序排布。以在提高深紫外倒装LED的出光效率的情况下，尽可能地保证出光的均匀性。

在一些实施方式中，该高出光效率的深紫外LED还包括设在深紫外倒装LED的p电极的背离蓝宝石衬底的表面的金属反射层。由此，通过金属反射层将p电极侧的光的反射回衬底侧出射，减少了自p电极侧出射的光线，提高深紫外倒装LED的出光效率。

根据本发明的另一方面，提供了一种前述高出光效率的深紫外LED的制备方法，其包括以下步骤：

通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面沉积介质层，并对介质层的表面进行粗化处理；

或包括以下步骤：

先通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在蓝宝石衬底的其中一个表面沉积介质层；

再对介质面的表面进行粗化处理，并在蓝宝石衬底的相对侧表面外延生长，制得深紫外倒装LED。

在一些实施方式中，粗化处理采用的工艺为光刻和刻蚀工艺。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的结构示意图；

图2为本发明第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED的结构示意图；

图3为本发明第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的制备方法的流程示意图；

图4为图3所示高出光效率的深紫外LED的制备方法的第一种实施例的处理方法示意图；

图5为图3所示高出光效率的深紫外LED的制备方法的第二种实施例的处理方法示意图；

图6为本发明第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED的制备方法的流程示意图；

图7为图6所示高出光效率的深紫外LED的制备方法制备第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的其中一种处理方法示意图；

图8为图6所示高出光效率的深紫外LED的制备方法制备第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的另一种处理方法示意图；

图9为图6所示高出光效率的深紫外LED的制备方法制备第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED的其中一种处理方法示意图；

图10为图6所示高出光效率的深紫外LED的制备方法制备第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED的另一种处理方法示意图；

附图标记：20、深紫外倒装LED；21、蓝宝石衬底；22、缓冲层；23、n-AlGaN层；24、多量子阱层；25、n电极；26、p-AlGaN层；27、p-GaN层；28、p电极；29、金属反射层；30、介质层；31、图形层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本文中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本文中的术语为准。

在本文中，“深紫外”是指波长范围在200nm-300nm的光线。

在本文中，术语“透光率”是指介质透过光的效率，是透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分率。

在本文中，术语“折射率”是指光在真空(因为在空气中与在真空中的传播速度差不多，所以一般用在空气的传播速度)中的速度与光在该材料中的速度之比率。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。

在本文中，术语“多量子阱”是指多个量子阱组合在一起的系统。量子阱又称有源层，是指LED芯片中设置在P型半导体层与N型半导体层之间的半导体层，P型半导体层提供的空穴和N型半导体层提供的电子在这里结合，释放出光子，从而实现LED的发光。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示意性地显示了根据本发明的第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED。

如图所示，该高出光效率的深紫外LED包括深紫外倒装LED；和设置在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面上的介质层，介质层采用硬度比蓝宝石低的材质制成，且介质层的出光面为经过粗化处理的出光面，其中，蓝宝石衬底的出光面指蓝宝石衬底的背离p电极的表面，介质层的出光面指介质层的背离p电极的表面。考虑到蓝宝石的莫氏硬度为9，示例性的，介质层的莫氏硬度的取值范围为5-7，以在降低介质层粗化处理的难度的同时，保证介质层的强度。

本发明虽然在深紫外倒装LED上增设介质层，增加了深紫外倒装LED的厚度，但是，由于增设的介质层设在蓝宝石衬底的出光面上，且介质层的出光面经过粗化处理，使得深紫外倒装LED即使厚度增大，其出光效率也能够出乎预测地得到进一步提高；而且，由于介质层的硬度比蓝宝石低，即介质层的材质比蓝宝石的材质疏松，也即介质层的密度比蓝宝石的低，使得介质层在粗化处理的难度和成本上与蓝宝石相比均得到降低；同时，由于介质层的粗化难度比蓝宝石的粗化难度低，可以更加方便地根据需要设计介质层的粗化的图形图案，且可以获得的图形的精密度更高，以保证出光效率的提高。

在一些实施例中，为了使介质层能够进行粗化处理，需要设置一定厚度的介质层；同时，为了避免因介质层的厚度太厚，导致出光效率降低，也需要将介质层的厚度设置得尽可能低，综合考虑将介质层的厚度范围设置为0.1μm-1.5μm。

在一些实施例中，为了降低光在介质层中的损耗，进一步提高深紫外倒装LED的出光效率，选取对深紫外光的透光率在70％-98％的材质作为制备介质层的材质。综合硬度和深紫外光透光率等特性，优选的，采用SiO₂作为制作介质层的材质。

进一步的，发明人在研发过程中还发现，无论是通过对未设置介质层的蓝宝石衬底进行粗化处理的方式来提高深紫外倒装LED的出光效率，还是通过对设在蓝宝石衬底的出光面的介质层的方式来提高深紫外倒装LED的出光效率，其提高出光效率的能力都是有限的。这是主要是因为蓝宝石衬底相较于空气的折射率较高，其折射率为1.762-1.770，当光线蓝宝石衬底进入到空气中时(也即光线从较高折射率的介质进入到折射率较低的介质中时)，如果入射角大于某一临界角θ_c(即光线远离法线)时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不仅进入空气中，即发生了全反射，导致深紫外倒装LED的出光效率无法有很大程度的提高。

基于该发现，同时结合临界角θ_c＝arcsin(n₂/n₁)，其中，n₂为出射介质的折射率，n₁为入射介质的折射率(当光线从蓝宝石衬底进入空气中时，n₂为空气的折射率，n₁为蓝宝石的折射率；当光线从介质层进入空气中时，n₂为空气的折射率，n₁为介质层的折射率)，可知，随着n₁的折射率的升高，临界角θ_c的取值会变小，使得出光范围变小。由此，发明人想到了将介质层的折射率的取值在蓝宝石的折射率和空气的折射率之间选取，通过介质层对蓝宝石和空气的折射率进行过渡，减小了蓝宝石与介质层之间的折射率差，以及减小了介质层与空气之间的折射率差，进而降低了该深紫外LED发出的光线在蓝宝石衬底与介质层界面的全反射出现的概率，以及在介质层与空气界面的全反射出现的概率，进一步提高了深紫外倒装LED的出光效率。考虑到一般情况下空气的折射率为1左右，为了使介质层的折射率与蓝宝石和空气的折射率都有一定的差值，以避免介质层的折射率与蓝宝石的折射率的差值较大，或介质层的折射率与空气的折射率的差值较大，优选的，介质层的折射率范围为1.2-1.7。更为优选的，介质层的折射率为1.4。

在一些实施例中，示例性的，粗化处理得到的的图形形状为三棱锥、四棱锥、六棱锥、圆锥、圆柱和半球形中的至少一种。以提高深紫外倒装LED的出光效率，例如图1就示例性地显示了将介质层的出光面的粗化处理的图案设置半球形的深紫外倒装LED的结构。无论采取上述何种图形图案，或是采取现有技术中其他常用的图形图案，都将相邻图形的底面紧密相连设置，且将所有图形有序排布设置。以在提高深紫外倒装LED的出光效率的情况下，尽可能地保证出光的均匀性。

由于每个图形的侧壁到中心的距离对深紫外LED的出光效率有影响，尤其是可以通过调整图形侧壁的弧度改善出光效率，且由于本发明的深紫外LED在蓝宝石衬底上设置硬度低于蓝宝石的介质层，使得对本发明的深紫外LED进行精度较高的粗化处理更易进行，从而经过粗化处理得到的图形侧壁的弧度能够更加接近设计的弧度，以更加精确地改善出光效率。

图2示意性地显示了根据本发明的第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED。

本实施方式的高出光效率的深紫外LED与第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的区别点在于：本实施方式的高出光效率的深紫外LED还包括设在深紫外倒装LED的p电极的背离蓝宝石衬底的表面的金属反射层。由此，可以通过金属反射层将p电极侧的光的反射回衬底侧出射，以减少光线自p电极侧出射的情况，提高深紫外倒装LED的出光效率。为了提高金属反射层对光的反射率，采用具有高反射率的金属制作金属反射层，示例性的，金属反射层采用Ag、Al、Rh和Ni中的至少一种制成。

由于本发明的高出光效率的深紫外LED与一般的深紫外LED相比，出光效率得到大大提高，可广泛应用于医用杀菌消毒、电子半导体、深紫外探测器和紫外光固化等领域。

图3至图10示例性的显示了本发明制备前述高出光效率的深紫外LED的制备方法。其包括以下步骤：

通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或低压力化学气相沉积(LowPressure Chemical Vapor Deposition简称LPCVD)技术在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面沉积介质层，并对介质层的表面进行粗化处理；

或包括以下步骤：

先通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在蓝宝石衬底的其中一个表面沉积介质层；

再在蓝宝石衬底的相对侧表面外延生长，制得深紫外倒装LED。

优选的，采用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积介质层，以获得致密性、均匀性和附着力均较好的、质量较高的介质层。

在优选实施例中，粗化处理采用的工艺为光刻和刻蚀工艺。由于等离子体与蓝宝石的相互作用过程是刻蚀作用与沉积作用二者相互竞争的关系，增加刻蚀气体占比会加重蓝宝石在刻蚀中残余物的重沉积，降低刻蚀速率，即增加刻蚀气体占比并不能有效地加快蓝宝石的刻蚀速率，而且，重沉积现象的出现也会导致刻蚀得到的蓝宝石图案表面粗糙，图形精度低，最终导致即使对蓝宝石衬底进行粗化处理也无法有效地提高出光效率。本发明在蓝宝石衬底的出光面沉积了材质不同于蓝宝石的介质层，使得采用光刻和刻蚀工艺对介质层进行粗化处理时，通过增加刻蚀气体的占比的方式就可以显著地提高刻蚀速率；而且，由于介质层在刻蚀过程不会发生重沉积，可以通过刻蚀的方式对介质层的出光面进行精度较高的粗化处理，得到表面光滑的图案，大大提高了该高出光效率的深紫外LED的出光效率。

图3至图5示例性的显示了高出光效率的深紫外LED的制备方法的第一种实施方式。

如图3所示，该高出光效率的深紫外LED的制备方法包括以下步骤：

S10：通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面沉积介质层；

S20：对介质层的表面进行粗化处理。

示例性的，该高出光效率的深紫外LED的制备方法包括以下步骤：先采用磁控溅射技术在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面沉积SiO₂，作为介质层；再采用光刻和刻蚀技术对经过粗化处理的介质层的出光面进行粗化处理。

图4和图5分别示例性的显示了本实施方式的高出光效率的深紫外LED的制备方法制备本发明第一种实施方式和第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED处理方法。

图6至图10示例性的显示了高出光效率的深紫外LED的制备方法的第二种实施方式。

如图6所示，该高出光效率的深紫外LED的制备方法包括以下步骤：

S100：先通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在蓝宝石衬底的其中一个表面沉积介质层；

S200：再对介质面的表面进行粗化处理，并在蓝宝石衬底的相对侧表面外延生长，制得深紫外倒装LED。

图7和图8分别示例性的显示了本实施方式的高出光效率的深紫外LED的制备方法制备本发明第一种实施方式的高出光效率的深紫外LED的两种不同的处理方法。

图9和图10分别示例性的显示了本实施方式的高出光效率的深紫外LED的制备方法制备本发明第二种实施方式的高出光效率的深紫外LED的两种不同的处理方法。

以图10所示的高出光效率的深紫外LED的制备方法的处理方法为例，对本实施方式的制备方法进行详细说明：

首先，在蓝宝石衬底的其中一个侧面上依次外延生长缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层，构成原始衬底；

接着，对n-AlGaN层进行局部刻蚀制得MESA台面，并对多量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层进行局部刻蚀制得n电极台面和p电极台面；

然后，在蓝宝石衬底的背离多量子阱层的侧面上通过磁控溅射技术沉积SiO₂，作为介质层；

再采用光刻和刻蚀技术对经过粗化处理的介质层的出光面进行粗化处理，得到由图形图案构成的图形层；

接着，在n电极台面上蒸镀n电极；

然后，在p电极台面上蒸镀p电极，再在p电极的表面上蒸镀金属反射层；

最后，对n电极和p电极进行退火处理，以在n电极与n-AlGaN层之间，和p电极与p-GaN层之间形成较好的欧姆接触。

其中，n-AlGaN层、多量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层的刻蚀可以采用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，简称ICP)刻蚀方法得到；n电极采用常规的金属组合，只要其能够通过退火处理能够与n-AlGaN层之间形成较好的欧姆接触即可；p电极可以为Ni、Ag、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Mg和W中的一种或几种的组合，且能够使得p电极与p-GaN层通过退火形成较好的欧姆接触。

本发明的高出光效率的深紫外LED的制备方法的第二种实施方式并不局限于图7至图10所示的处理方法，只要是在制备n电极和p电极之前就在蓝宝石衬底的出光面(也即蓝宝石衬底的背离n-AlGaN层的表面)沉积硬度低于蓝宝石的介质层的技术方案，均属于本发明要保护的技术方案。本实施方式采用先制备介质层，再制备n电极和p电极的技术方案，主要是避免因介质层沉积时温度过高，导致电极的欧姆接触变差。

由于介质层的材质的硬度低于蓝宝石的硬度，且可以通过调控刻蚀气体流量比，控制介质层的出光面图刻蚀的速率；而且，由于刻蚀过程介质层不会发生重沉积，制得的图形精密度较高。由此，可以根据设计需要通过调控刻蚀气体流量比改变图形侧壁形状或倾角，调整图形微结构侧壁中心到图形侧壁中心的距离来提高出光效率。

在本发明的制备方法中，外延生长技术、光刻和刻蚀技术、磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术、LPCVD技术、蒸镀基础、退火技术、粗化处理技术的具体实现方法均可以采用现有技术常用的方法，本发明对这些处理方法的具体实现方式不作限定。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高出光效率的深紫外LED，其特征在于，包括：

深紫外倒装LED；

设置在所述深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面上的介质层，所述介质层采用硬度比蓝宝石低的材质制成，且所述介质层的出光面为经过粗化处理的出光面。

2.根据权利要求1所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，所述介质层的莫氏硬度的取值范围为5-7。

3.根据权利要求1所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，所述介质层的厚度范围为0.1μm-1.5μm。

4.根据权利要求1所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，所述介质层采用对深紫外光的透光率在70％-98％的材质制成。

5.根据权利要求1所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，所述介质层采用折射率介于蓝宝石的折射率和空气的折射率之间。

6.根据权利要求1所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，所述粗化处理得到的图形形状为三棱锥、四棱锥、六棱锥、圆锥、圆柱和半球形中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，相邻图形的底面紧密相连，且所有图形有序排布。

8.根据权利要求1至7任一项所述的高出光效率的深紫外LED，其特征在于，还包括设在所述深紫外倒装LED的p电极的背离所述蓝宝石衬底的表面的金属反射层。

9.权利要求1至8任一项高出光效率的深紫外LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在深紫外倒装LED的蓝宝石衬底的出光面沉积介质层，并对所述介质层的表面进行粗化处理；

或包括以下步骤：

先通过磁控溅射技术、电子束蒸发技术、键合技术或LPCVD技术在蓝宝石衬底的其中一个表面沉积介质层；

再对介质面的表面进行粗化处理，并在蓝宝石衬底的相对侧表面外延生长，制得深紫外倒装LED。

10.根据权利要求9所述的高出光效率的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述粗化处理采用的工艺为光刻和刻蚀工艺。

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