CN115810689A - 一种紫外led和紫外探测器集成器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种紫外LED和紫外探测器集成器件及其制作方法，包括衬底；位于衬底上表面、包括多层层叠的膜层的集成外延体，集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，集成外延体中各膜层的材料为基于同一族材料的化合物；分别与第一外延体和第二外延体接触的n型电极、p型电极。本申请中集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，集成外延体中的各个膜层的材料为基于同一族材料的化合物，所以一外延体、第二外延体属于同一材料体系，实现第一外延体第二外延体的同质集成，提升集成器件可靠性和稳定性，且第一外延体、第二外延体可以通过一次性的外延技术进行制备，缩短工艺时间，提升制作效率。

Description

一种紫外LED和紫外探测器集成器件及其制作方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种紫外LED和紫外探测器集成器件及其制作方法。

背景技术

紫外LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)具有稳定性高、尺寸小、无污染等特点，广泛应用于紫外固化、杀菌消毒、保密通讯等领域。紫外LED在大电流高功率下工作时，紫外LED的发光功率和效率衰减比较严重，因此对发光功率的实时监测非常重要。

目前，为了实时监测紫外LED的功率，将紫外探测器与紫外LED进行集成，但是目前的集成只是将紫外LED芯片和紫外探测器芯片集成封装在一个支架中，紫外LED芯片和紫外探测器芯片需单独制作，制作耗时长，并且由于紫外LED芯片和紫外探测器芯片并不是同质集成，可靠性和稳定性差。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件及其制作方法，以实现紫外LED和紫外探测器的同质集成，缩短制作时间。

为解决上述技术问题，本申请提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件，包括：

衬底；

位于所述衬底上表面、包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物；

分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

可选的，当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，所述集成外延体具有隔离所述紫外LED和所述紫外探测器的凹槽，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层、n型接触层、有源层、p型接触层，所述凹槽由所述p型接触层延伸至所述模板层；

其中，所述n型电极与所述n型接触层接触，所述p型电极与所述p型接触层接触。

可选的，当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层；

其中，所述p型电极与所述p型接触层接触，所述n型电极与所述紫外LED的n型接触层、所述紫外探测器的n型接触层接触。

可选的，所述吸收层为非掺杂的In_mGa_1-mN层或者Al_bGa_1-bN层，0≤m<1，0≤b<1。

可选的，所述有源层、所述发光层、所述吸收层包括基于In_sAl_yGa_1-s-yN/In_pAl_qGa_1-p-qN的多层量子阱结构，其中，多层量子阱结构中一种材料层的禁带宽度大于另一种材料层的禁带宽度。

可选的，所述n型接触层、所述紫外LED的n型接触层、所述紫外探测器的n型接触层为掺杂Si的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1。

可选的，所述衬底为下述任一种：

蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、IIIA族氮化物单晶衬底。

本申请还提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法，包括：

准备衬底；

在所述衬底的上表面形成包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物且在同一次生长中完成；

沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

可选的，当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，在所述衬底的上表面形成包括多层膜层的集成外延体包括：

在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、n型接触层、有源层、p型接触层；

刻蚀所述p型接触层、所述有源层、所述n型接触层、所述模板层，并暴露出所述n型接触层，形成凹槽；

相应的，沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极包括：

在所述p型接触层的上表面沉积p型电极；

在所述n型接触层暴露出的区域沉积n型电极。

可选的，当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，在所述衬底的上表面形成包括多层膜层的集成外延体包括：

在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层；

刻蚀所述紫外探测器的n型接触层、所述吸收层、所述p型接触层、所述发光层、所述紫外LED的n型接触层，暴露出所述p型接触层和所述紫外LED的n型接触层；

相应的，沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极包括：

在所述p型接触层的暴露区域沉积p型电极；

在所述紫外LED的n型接触层的暴露区域和所述紫外探测器的n型接触层的上表面沉积n型电极。

本申请所提供的一种紫外LED和紫外探测器集成器件，包括：衬底；位于所述衬底上表面、包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物；分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

可见，本申请紫外LED和紫外探测器集成器件中包括衬底、集成外延体、n型电极、p型电极，集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，且集成外延体中的各个膜层的材料为基于同一族材料的化合物，所以紫外LED和紫外探测器的第一外延体、第二外延体属于同一材料体系，实现第一外延体第二外延体的同质集成，提升紫外LED和紫外探测器集成器件可靠性和稳定性，并且，第一外延体、第二外延体可以通过一次性的外延技术进行制备，缩短制备紫外LED和紫外探测器的工艺时间，提升紫外LED和紫外探测器集成器件制作效率。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供另一种紫外LED和紫外探测器集成器件的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法的流程图；

图4至图5为本申请实施例所提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件追踪工艺流程图；

图6至图7为本申请实施例所提供另一种紫外LED和紫外探测器集成器件追踪工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，为了实时监测紫外LED的功率，将紫外探测器与紫外LED进行集成，但是目前的集成只是将紫外LED芯片和紫外探测器芯片集成封装在一个支架中，紫外LED芯片和紫外探测器芯片需单独制作，制作耗时长，并且由于紫外LED芯片和紫外探测器芯片并不是同质集成，可靠性和稳定性差。

有鉴于此，本申请提供了一种紫外LED和紫外探测器集成器件，请参考图1和图2，图1为本申请实施例所提供一种紫外LED和紫外探测器集成器件的结构示意图，图2为本申请实施例所提供另一种紫外LED和紫外探测器集成器件的结构示意图，包括：

衬底1；

位于所述衬底1上表面、包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物；

分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

需要说明的是，本申请中对衬底1不做具体限定，可自行选择。

例如，所述衬底1为下述任一种：

蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、IIIA族氮化物单晶衬底。

n型电极、p型电极一般为金属电极，本申请中对n型电极、p型电极不做限定，例如，n型电极可以是Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ti/Au，Cr/Al/Ni/Au等，p型电极可以为Ni/Au，Ni/Al，Pt，Au等。

优选地，同一族材料的化合物为IIIA族氮化物，可以使得紫外LED和紫外探测器具有稳定性高、尺寸小、无污染等特点。

紫外LED和紫外探测器包括横向集成和纵向集成两种方式，下面根据这两种方式分别对集成外延体进行阐述。

当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，紫外LED和紫外探测器集成器件如图1所示，所述集成外延体具有隔离所述紫外LED和所述紫外探测器的凹槽，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层2、n型接触层3、有源层4、p型接触层5，所述凹槽由所述p型接触层5延伸至所述模板层2；

其中，所述n型电极7与所述n型接触层3接触，所述p型电极6与所述p型接触层5接触。

模板层2可以为AlN层，厚度在200nm～2μm之间。

作为一种具体实施方式，所述有源层4包括基于Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN的多层量子阱结构，其中，y＞z。但是本申请对此并不做具体限定，作为另一种具体实施方式，有源层4包括基于In_xGa_1-xN/GaN的多层量子阱结构，0≤x<1。

在紫外LED中，电子和空穴在多层量子阱中复合产生光子，在紫外探测器中，多层量子阱在光照条件下产生光生载流子，从而被n型接触层3和p型接触层5收集。

本申请中对n型接触层3不做限定，例如，所述n型接触层3可以为掺杂Si的Al_nGa_{1- n}N层，0≤n<1，或者，n型接触层3可以为掺杂Ge的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1。

p型接触层5可以为掺杂Mg的Al_aGa_1-aN，0≤a<1。

图1中虚线左侧为紫外LED，右侧为紫外探测器，紫外LED有源层4产生的光子向下照射至衬底1时发生反射，被紫外光电探测器的有源层4吸收，并转换为光生电流，或者，紫外LED的TM光模由于光子传输方向平行集成外延体结构，因此直接被紫外光电探测器的有源层4吸收。

当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，紫外LED和紫外探测器集成器件如图2所示，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层2、紫外LED的n型接触层8、发光层11、p型接触层5、吸收层9、紫外探测器的n型接触层10；

其中，所述p型电极6与所述p型接触层5接触，所述n型电极7与所述紫外LED的n型接触层8、所述紫外探测器的n型接触层10接触。

模板层2可以为AlN层，厚度在200nm～2μm之间。

作为一种具体实施方式，所述发光层11、吸收层9包括基于In_sAl_yGa_1-s-yN/In_pAl_qGa_1-p-qN的多层量子阱结构，其中，多层量子阱结构中一种材料层的禁带宽度大于另一种材料层的禁带宽度。在本实施方式中对s、y、p、q的大小不进行限定，只要保证一种材料层的禁带宽度大于另一种材料层的禁带宽度即可。但是本申请对此并不做具体限定，作为另一种具体实施方式，发光层11、吸收层9包括基于In_xGa_1-xN/GaN的多层量子阱结构，0≤x<1。

需要指出的是，本申请中对吸收层9不做限定，可自行设置。例如，所述吸收层9为非掺杂的In_mGa_1-mN层，0≤m<1，或者，吸收层9为非掺杂的Al_bGa_1-bN层，0≤b<1，等等。吸收层9厚度在50nm～500nm之间。

可选的，所述紫外LED的n型接触层8可以为掺杂Si的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1，或者，紫外LED的n型接触层8可以为掺杂Ge的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1。

可选的，所述紫外探测器的n型接触层10为掺杂Si的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1，或者，紫外探测器的n型接触层10可以为掺杂Ge的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1。

p型接触层5可以为掺杂Mg的Al_aGa_1-aN，0≤a<1。

在图2所示的紫外LED和紫外探测器集成器件中，紫外LED包括模板层2、紫外LED的n型接触层8、发光层11、p型接触层5，紫外探测器包括p型接触层5、吸收层9、紫外探测器的n型接触层10，紫外LED发光层11产生的光子向上照射至紫外光电探测器的吸收层9时，转换为光生电流，从而有效标定紫外LED的光功率。

本申请紫外LED和紫外探测器集成器件中包括衬底1、集成外延体、n型电极7、p型电极6，集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，且集成外延体中的各个膜层的材料为基于同一族材料的化合物，所以紫外LED和紫外探测器的第一外延体、第二外延体属于同一材料体系，实现第一外延体第二外延体的同质集成，提升紫外LED和紫外探测器集成器件可靠性和稳定性，并且，第一外延体、第二外延体可以通过一次性的外延技术进行制备，缩短制备紫外LED和紫外探测器的工艺时间，提升紫外LED和紫外探测器集成器件制作效率。通过紫外LED与紫外光电探测器的集成，能够对紫外LED的输出功率进行实时监测，了解紫外LED的衰减情况，从而为紫外LED在杀菌消毒、紫外固化或保密通讯等领域的应用提供支持。同时紫外LED与紫外探测器可同时工作互不影响。

请参考图3，图3为本申请实施例所提供的一种紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法的流程图，包括：

步骤S101：准备衬底；

步骤S102：在所述衬底的上表面形成包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物，且在同一次生长中完成；

步骤S103：沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

紫外LED和紫外探测器包括横向集成和纵向集成两种方式，下面根据这两种方式分别对制作紫外LED和紫外探测器集成器件的过程进行阐述。

当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，该方法包括：

步骤S201：准备衬底。

步骤S202：在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、n型接触层、有源层、p型接触层。

本步骤请参考图4，衬底1表面依次层叠有模板层2、n型接触层3、有源层4、p型接触层5。

本申请中对沉积模板层、n型接触层、有源层、p型接触层的方式不做限定，例如，可以采用金属有机气相外延(MOCVD)方式或分子束外延(MBE)方式等。

步骤S203：刻蚀所述p型接触层、所述有源层、所述n型接触层、所述模板层，并暴露出所述n型接触层，形成凹槽。

本步骤刻蚀完凹槽后如图5所示。

可以采用等离子刻蚀的方式刻蚀出凹槽，实现紫外LED与紫外探测器之间的电学隔离。

步骤S204：在所述p型接触层的上表面沉积p型电极。

步骤S205：在所述n型接触层暴露出的区域沉积n型电极。

n型电极和p型电极的沉积方式包括但不限于电子束蒸镀法，热蒸镀法，磁控溅射法。n型电极和p型电极为欧姆电极。

需要指出的是，本申请中对步骤S204和步骤S205的顺序不做限定，可以相互调换。

n型电极和p型电极的沉积完成后得到如图1所示的紫外LED和紫外探测器集成器件。

当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，该方法包括：

步骤S301：准备衬底。

步骤S302：在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层。

本步骤请参考图6，衬底1表面依次层叠有模板层2、紫外LED的n型接触层8、发光层11、p型接触层5、吸收层9、紫外探测器的n型接触层10。

模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层的沉积方法包括不限于金属有机气相外延(MOCVD)方式或分子束外延(MBE)方式。

步骤S303：刻蚀所述紫外探测器的n型接触层、所述吸收层、所述p型接触层、所述发光层、所述紫外LED的n型接触层，暴露出所述p型接触层和所述紫外LED的n型接触层。

可以采用等离子刻蚀的方式刻蚀，刻蚀后的示意图如图7所示。

步骤S304：在所述p型接触层的暴露区域沉积p型电极。

步骤S305：在所述紫外LED的n型接触层的暴露区域和所述紫外探测器的n型接触层的上表面沉积n型电极。

n型电极和p型电极的沉积方式包括但不限于电子束蒸镀法，热蒸镀法，磁控溅射法。n型电极和p型电极为欧姆电极。

需要指出的是，本申请中对步骤S304和步骤S305的顺序不做限定，可以相互调换。

n型电极和p型电极的沉积完成后得到如图2所示的紫外LED和紫外探测器集成器件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的紫外LED和紫外探测器集成器件及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上表面、包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物；

分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

2.如权利要求1所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，所述集成外延体具有隔离所述紫外LED和所述紫外探测器的凹槽，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层、n型接触层、有源层、p型接触层，所述凹槽由所述p型接触层延伸至所述模板层；

其中，所述n型电极与所述n型接触层接触，所述p型电极与所述p型接触层接触。

3.如权利要求1所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，所述集成外延体包括由下至上依次层叠的模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层；

其中，所述p型电极与所述p型接触层接触，所述n型电极与所述紫外LED的n型接触层、所述紫外探测器的n型接触层接触。

4.如权利要求3所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，所述吸收层为非掺杂的In_mGa_1-mN层或者Al_bGa_1-bN层，0≤m<1，0≤b<1。

5.如权利要求2至4任一项所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，所述有源层、所述发光层、所述吸收层包括基于In_sAl_yGa_1-s-yN/In_pAl_qGa_1-p-qN的多层量子阱结构，其中，多层量子阱结构中一种材料层的禁带宽度大于另一种材料层的禁带宽度。

6.如权利要求2至4任一项所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，所述n型接触层、所述紫外LED的n型接触层、所述紫外探测器的n型接触层为掺杂Si的Al_nGa_1-nN层，0≤n<1。

7.如权利要求1所述的紫外LED和紫外探测器集成器件，其特征在于，所述衬底为下述任一种：

蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、IIIA族氮化物单晶衬底。

8.一种紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法，其特征在于，包括：

准备衬底；

在所述衬底的上表面形成包括多层层叠的膜层的集成外延体，所述集成外延体包括紫外LED的第一外延体和紫外探测器的第二外延体，所述集成外延体中各所述膜层的材料为基于同一族材料的化合物，且在同一次生长中完成；

沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极。

9.如权利要求8所述的紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法，其特征在于，当所述紫外LED和所述紫外探测器横向集成时，在所述衬底的上表面形成包括多层膜层的集成外延体包括：

在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、n型接触层、有源层、p型接触层；

刻蚀所述p型接触层、所述有源层、所述n型接触层、所述模板层，并暴露出所述n型接触层，形成凹槽；

相应的，沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极包括：

在所述p型接触层的上表面沉积p型电极；

在所述n型接触层暴露出的区域沉积n型电极。

10.如权利要求8所述的紫外LED和紫外探测器集成器件的制作方法，其特征在于，当所述紫外LED和所述紫外探测器纵向集成时，在所述衬底的上表面形成包括多层膜层的集成外延体包括：

在所述衬底的上表面依次层叠沉积模板层、紫外LED的n型接触层、发光层、p型接触层、吸收层、紫外探测器的n型接触层；

刻蚀所述紫外探测器的n型接触层、所述吸收层、所述p型接触层、所述发光层、所述紫外LED的n型接触层，暴露出所述p型接触层和所述紫外LED的n型接触层；

相应的，沉积分别与所述第一外延体和所述第二外延体接触的n型电极、p型电极包括：

在所述p型接触层的暴露区域沉积p型电极；

在所述紫外LED的n型接触层的暴露区域和所述紫外探测器的n型接触层的上表面沉积n型电极。

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