CN116978996A - 用于光固化的紫外led外延结构及芯片、光固化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于光固化的紫外LED外延结构及芯片、光固化装置，其中，紫外LED外延结构，包括：依次堆叠于生长衬底表面的n型半导体层、有源区发光层及p型半导体层，其中，所述有源区发光层具有多重量子阱结构，以产生宽波段紫外光光谱，所述紫外光光谱具有在365nm～420nm范围内的第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的峰值较第一波峰的峰值大，且峰值相差10nm~45nm。基于该外延结构，单一芯片即能产生365nm～420nm波段范围内具备两个不同波峰峰值的宽波段紫外光光谱，光固化应用中不再需要通过不同芯片或灯珠搭配的方式进行封装，提高了封装效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种用于光固化的紫外LED外延结构及芯片、光固化装置。
背景技术
紫外光按波长分为UV-A（315-400nm）、UV-B（280-315nm）和UV-C（190-280nm），可应用于UV消毒、UV固化、UV医疗、光触媒环保、UV诱蚊灯等。传统的紫外光源主要是各种汞灯，这种光源存在汞污染、寿命短、能耗大等诸多缺点。随着LED照明技术的飞速发展，UV-A LED辐射效率已经很高，制造成本越来越低，很多的UVA应用领域的汞灯光源被LED取代。
目前LED UVA光固化应用领域包括粘胶固化、美甲、印刷、3D打印、各种有机涂层快速固化等，所用波长范围主要集中在365-420nm，为了兼顾多种油胶，同时兼顾表层和底层固化，一般需要用发不同波长的多个LED芯片组合灯珠或发不同波长的多个灯珠组合。封装过程中，需要对不同波长的LED芯片或灯珠进行搭配组合，但是由于不同LED芯片或灯珠的发光中心不同，在要求均匀精准配光的应用中，多颗芯片或多个灯珠的组合方式实现难度较大。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种用于光固化的紫外LED外延结构及芯片、光固化装置，单一芯片即能产生365nm～420nm波段范围内具备两个不同波峰峰值的宽波段紫外光光谱，光固化应用中不再需要通过不同芯片或灯珠搭配的方式进行封装，一定程度上提高了封装效率。
本发明提供的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种用于光固化的紫外LED外延结构，包括：依次堆叠于生长衬底表面的N型半导体层、有源区发光层及P型半导体层，其中，所述有源区发光层具有多重量子阱结构，以产生宽波段紫外光光谱，所述紫外光光谱具有在365nm～420nm范围内的第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的峰值较第一波峰的峰值大，且峰值相差10nm~45nm；
所述有源区发光层的多重量子阱结构由n个量子阱层和n+1个势垒层交替形成有第一阱层区和第二阱层区，且第一阱层区靠近N型半导体层，第二阱层区靠近P型半导体层，其中，所述第一阱层区包括铟浓度介于0～0.03的多个量子阱层，所述第二阱层区包括铟浓度介于0.03～0.11的多个量子阱层，且所述第二阱层区中量子阱层的铟浓度大于所述第一阱层区中量子阱层的铟浓度，差值在0.01～0.07之间；
所述第一阱层区为InaGa1-aN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0<a<0.03；所述第二阱层区为InbGa1-bN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0.03<b<0.07。
另一方面，本发明提供了一种用于光固化的紫外LED芯片，包括：
支撑衬底；
如上述紫外LED外延结构，键合于所述支撑衬底表面，包括依次堆叠于所述支撑衬底表面的P型半导体层、有源区发光层及N型半导体层；
配置于所述支撑衬底和紫外LED外延结构之间的金属反射结构；及
配置于所述紫外LED外延结构表面的n电极。
另一方面，本发明提供了一种用于光固化的紫外LED芯片，包括：
支撑衬底，表面划分为有发光区域和焊盘区域，其中，
所述发光区域表面设置有：
如上述紫外LED外延结构，键合于所述支撑衬底表面，包括依次堆叠于所述支撑衬底表面的P型半导体层、有源区发光层及N型半导体层；
配置于所述支撑衬底和紫外LED外延结构之间的金属反射结构；及
贯穿所述介电材料层、金属反射结构、P型半导体层及有源区发光层形成的通孔，所述通孔内部填充有导电材料将N型半导体层连接至支撑衬底，且所述导电材料的周围填充有介电材料；
所述焊盘区域表面依次设置有介电材料层、部分金属反射层及p电极。
另一方面，本发明提供了一种光固化装置，包括上述紫外LED芯片。
本发明提供的用于光固化的紫外LED外延结构及芯片、光固化装置，通过在紫外LED外延结构中配置多重量子阱结构，使其能够产生365nm～420nm波段范围内具备两个不同波峰峰值的宽波段紫外光光谱，同一芯片具备两个波峰且只有一个发光中心，大大降低了应用中的配光难度，无需将多颗芯片或多颗灯珠封装在一起就能够直接应用于光固化领域，提高固化效率的同时提高封装效率。
附图说明
图1为本发明中紫外LED外延结构示意图；
图2为本发明中有源区发光层结构示意图；
图3为本发明中紫外LED芯片一实施例结构示意图；
图4为本发明中紫外LED芯片另一实施例结构示意图。
附图标记：
10-生长衬底，14-通孔，20-半导体发光结构，21-N型半导体层，22-有源区发光层，221-量子阱层，222-势垒层，23-P型半导体层，24-第一阱层区，25-第二阱层区，30-支撑衬底，40-金属反射结构，50-n电极，60-介电材料层，70-p电极，80-发光区域，90-焊盘区域。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。
本发明的一种实施例，一种用于光固化的紫外LED外延结构，如图1所示，包括堆叠于生长衬底10表面的半导体发光结构20，该半导体发光结构20中进一步包括N型半导体层21、有源区发光层22及P型半导体层23，其中，有源区发光层22具有多重量子阱结构，以产生宽波段紫外光光谱，紫外光光谱具有在365nm～420nm范围内的第一波峰和第二波峰，第二波峰的峰值较第一波峰的峰值大，且峰值相差10nm~45nm。
本实施例中，N型半导体层21为用于提供电子的电子提供层，P型半导体层23为用于空穴的空穴提供层，N型半导体层21的材料可以为具有直接能隙的化合物半导体材料，如Si掺杂的GaN、Si掺杂的AlGaN层等；P型半导体层23的材料可以为Mg掺杂的GaN、Mg掺杂的AlGaN层等。生长衬底10可以为Si衬底、Cu衬底等衬底。
有源区发光层22配置于N型半导体层21和P型半导体层23之间，用以产生宽波段紫外光光谱。通过配置多重量子阱结构，使其产生的紫外光光谱在365nm～420nm范围内的第一波峰和第二波峰，且两个波峰峰值相差10nm~45nm。较佳地，第一波峰的峰值在365nm～375nm范围内，第二波峰的峰值在380nm～420nm范围内。以此后续在应用于光固化中，能够兼顾不同深度待固化物的固化，提高固化效率。
基于该紫外LED外延结构后续应用，考虑于光固化中待固化目标，如油胶对吸收光谱的波长和强度分布，进一步限定第一波峰的功率强度与第二波峰的功率强度比值在20％～130％之间。
如图2所示为本实施例中有源区发光层22结构示意图，如图示，有源区发光层22的多重量子阱结构由n个量子阱层221和n+1个势垒层222交替形成有第一阱层区24和第二阱层区25，即靠近N型半导体层21和P型半导体层23的均为势垒层222，且第一阱层区24靠近N型半导体层21，第二阱层区25靠近P型半导体层23，其中，第一阱层区24包括铟浓度介于0～0.03的多个量子阱层，第二阱层区25包括铟浓度介于0.03～0.11的多个量子阱层，且第二阱层区25中量子阱层的铟浓度大于第一阱层区24中量子阱层的铟浓度，差值在0.01～0.07之间。更具体来说，第一阱层区24为InaGa1-aN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0<a<0.03；第二阱层区25为InbGa1-bN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0.03<b<0.07。更进一步来说，AlGaN势垒层由多层AlGaN组成。InGaN量子阱层的厚度为1～5nm，AlGaN势垒层的厚度为10～20nm。
上述实施例中，仅对堆叠于生长衬底10表面的半导体发光结构20进行了说明，实际应用中，外延结构中往往还会包含其他结构层，如应力控制层、电流扩展层、欧姆接触层等，这里不做具体限定。
一实例中，使用MOCVD生长设备、选用Si(111)衬底为生长衬底层、非掺杂AlN/AlGaN层为应力控制层，Si掺杂的AlGaN层作为N型半导体层，第一阱层区和第二阱层组成的多重量子阱结构作为有源区发光层，Mg掺杂的AlGaN层作为P型半导体层。生长过程如下：
首先，将硅衬底层放置到MOCVD反应室中，升温到1100℃，并通入H2进行高温表面清洁处理。
随后，将反应室温度设定在800～1200℃，往反应室中通入三甲基铝(TMAl)、氨气(NH3)，在H2作为载气的条件下生长一层AlN，相同条件下在AlN上通过三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、氨气(NH3)生长一层AlGaN，形成应力控制层。
紧接着，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，掺杂浓度为8×1018cm-3，生长温度在900～1100℃，实现N型半导体层的生长，生长出来的N型半导体层21为Al组分7％的n型Al0.07Ga0.93N层，厚度3000nm。
之后，反应室温度为750℃，以氮气(N2)作为载气，通入三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)、氨气(NH3)生长厚度为3nm的In0.02Ga0.98N量子阱层；接着将反应室温度升高到850℃，通入三甲基铝(TMAl)、三乙基镓(TEGa)、氨气(NH3)生长厚度为12nm的AlGaN势垒层，同时通入硅烷(SiH4)进行掺杂，掺杂浓度2×1018cm-3，完成一个周期的生长。之后，将3nm的In0.02Ga0.98N量子阱层和12nm的AlGaN势垒层形成的结构重复生长4对得到所述第一阱层区。
之后，反应室温度为750℃，以氮气(N2)作为载气，通入三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)、氨气(NH3)生长厚度为3nm的In0.05Ga0.95N量子阱层；接着将反应室温度升高到850℃，通入三甲基铝(TMAl)、三乙基镓(TEGa)、氨气(NH3)生长厚度为12nm的AlGaN势垒层，同时通入硅烷(SiH4)进行掺杂，掺杂浓度2×1018cm-3，完成一个周期的生长。之后，将3nm的In0.05Ga0.95N量子阱层和12nm的AlGaN势垒层形成的结构重复生长4对得到所述第二阱层区。
最后，以H2或者N2作为载气，通入TMAl、TMGa及NH3，且以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂在外延生长温度为900℃～1000℃的条件下生长P型半导体层，厚度为80nm，得到紫外LED外延结构。
为得到强度较高的365nm～375nm范围内的第一波峰，减少半导体材料对第一波峰强度的吸收，本发明还提供用于光固化的紫外LED芯片的两种实施例：
一实施例，如图3所示，紫外LED芯片包括：支撑衬底30；如前述实施例中的紫外LED外延结构，键合于支撑衬底30表面，包括依次堆叠于支撑衬底30表面的P型半导体层23、有源区发光层22及N型半导体层21；配置于支撑衬底30和紫外LED外延结构之间的金属反射结构40；及配置于紫外LED外延结构表面的n电极50。
本实施例中，支撑衬底30可以为Si衬底、Cu衬底等导电衬底，金属反射结构40可以为任意形式具备高反射率的反射结构，如配置Ag反射层、Al反射层、申请号为202120117254.7的中国专利公开的反射结构、申请号为201811636723.5的中国专利公开的全反射镜结构等。由于该紫外LED芯片为垂直结构LED芯片，制备过程中，在生长衬底上外延生长紫外LED外延结构后，翻转180°将其键合至支撑衬底30上，去除生长衬底后露出N型半导体层21，若在N型半导体层21之前生长有应力控制层等结构，则露出的是这些结构层；之后在对N型半导体层21进行处理后形成n电极50。由于在形成n电极50之前，需要对表面结构进行处理，甚至大部分N型半导体层21被去除（外延生长过程中，尤其生长衬底为硅衬底时，通常要在生长表面生长一定厚度的缓冲层等结构，在之后的芯片制程中，需要将其去除才能较好的形成电极等结构），以此可以大幅减少N型半导体层21对紫外光特别是第一波峰短波的吸收。
应当理解，以上仅示出了紫外LED芯片部分结构层，实际应用中，往往还会包括其他结构层，例如钝化层等，这里不做具体限定。
另一实施例，如图4所示，紫外LED芯片包括：支撑衬底30，表面划分为有发光区域80和焊盘区域90，其中，发光区域80表面设置有：如前述的紫外LED外延结构，键合于支撑衬底30表面，包括依次堆叠于支撑衬底30表面的P型半导体层23、有源区发光层22及N型半导体层21；配置于支撑衬底30和紫外LED外延结构之间的金属反射结构40，该金属反射结构40通过一介电材料层60设置于所述支撑衬底30表面；及贯穿介电材料层60、金属反射结构40、P型半导体层23及有源区发光层22形成的通孔14，通孔14内部填充有导电材料将N型半导体层21连接至支撑衬底30，且导电材料的周围填充有介电材料；焊盘区域90表面依次设置有介电材料层60、部分金属反射层及p电极70。
本实施例中，支撑衬底30可以为Si衬底、Cu衬底等。在支撑衬底30形成N型半导体层21、有源区发光层22及P型半导体层23之后，根据芯片的出光需求划分发光区域80和焊盘区域90（对应p电极70），发光区域80表面用于形成芯片的发光结构，焊盘区域90形成p电极70结构。一般来说，焊盘区域90配置于芯片的侧边或顶角区域，配置的焊盘数量和面积均可根据实际需求进行设计，如配置1个、2个等焊盘。介电材料可以为SiO2等。
通孔内部填充有导电材料，以将N型半导体层21导电连接至支撑衬底30。导电材料、通孔的数量越少、开孔位置、尺寸越小等参数同样可以根据实际情况进行设定，这里不做具体限定，只要能够实现本实施例的目的，将N型半导体层21导电连接至支撑衬底30，均包括在本实施例的范围内。金属反射结构40可以为任意形式具备高反射率的反射结构，如配置Ag反射层、Al反射层、申请号为202120117254.7的中国专利公开的反射结构、申请号为201811636723.5的中国专利公开的全反射镜结构等。
本发明的另一实施例，一种光固化装置，包括上述紫外LED芯片。
本实施例中，为了便于应用，光固化装置中还可以配置凸透镜、全反射透镜、抛物面反射杯等对紫外LED芯片出射的光进行汇聚。应用中，将待固化物（如指甲油等）置于光汇聚处即可。例如，若在紫外LED芯片表面配置了凸透镜，则将待固化物置于凸透镜所在位置的下方；若在紫外LED芯片的周围配置了全反射透镜或抛物面反射杯，则将待固化物置于全反射透镜或抛物面反射杯开口处所在的位置。对于凸透镜、全反射透镜、抛物面反射杯等结构配置的方式可以根据应用需求进行确定，如在紫外LED芯片表面形成半球形硅胶透镜作为凸透镜、将抛物面反射杯配置于紫外LED芯片的四周等，这里不做具体限定。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于光固化的紫外LED外延结构，其特征在于，包括：依次堆叠于生长衬底表面的N型半导体层、有源区发光层及P型半导体层，其中，所述有源区发光层具有多重量子阱结构，以产生宽波段紫外光光谱，所述紫外光光谱具有在365nm～420nm范围内的第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的峰值较第一波峰的峰值大，且峰值相差10nm~45nm；
所述有源区发光层的多重量子阱结构由n个量子阱层和n+1个势垒层交替形成有第一阱层区和第二阱层区，且第一阱层区靠近N型半导体层，第二阱层区靠近P型半导体层，其中，所述第一阱层区包括铟浓度介于0～0.03的多个量子阱层，所述第二阱层区包括铟浓度介于0.03～0.11的多个量子阱层，且所述第二阱层区中量子阱层的铟浓度大于所述第一阱层区中量子阱层的铟浓度，差值在0.01～0.07之间；
所述第一阱层区为InaGa1-aN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0<a<0.03；所述第二阱层区为InbGa1-bN量子阱层和AlGaN势垒层形成的周期性结构，周期为2~5，0.03<b<0.07。
2.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一波峰的峰值在365nm～375nm之间，第二波峰的峰值在380nm～420nm之间；和/或
所述第一波峰的功率强度与所述第二波峰的功率强度比值在20％～130％之间。
3.一种用于光固化的紫外LED芯片，其特征在于，包括：
支撑衬底；
如权利要求1或2所述的紫外LED外延结构，键合于所述支撑衬底表面，包括依次堆叠于所述支撑衬底表面的P型半导体层、有源区发光层及N型半导体层；
配置于所述支撑衬底和紫外LED外延结构之间的金属反射结构；及
配置于所述紫外LED外延结构表面的n电极。
4.一种用于光固化的紫外LED芯片，其特征在于，包括：
支撑衬底，表面划分为有发光区域和焊盘区域，其中，
所述发光区域表面设置有：
如权利要求1或2所述的紫外LED外延结构，键合于所述支撑衬底表面，包括依次堆叠于所述支撑衬底表面的P型半导体层、有源区发光层及N型半导体层；
配置于所述支撑衬底和紫外LED外延结构之间的金属反射结构，所述金属反射结构通过一介电材料层设置于所述支撑衬底表面；及
贯穿所述介电材料层、金属反射结构、P型半导体层及有源区发光层形成的通孔，所述通孔内部填充有导电材料将N型半导体层连接至支撑衬底，且所述导电材料的周围填充有介电材料；
所述焊盘区域表面依次设置有介电材料层、部分金属反射层及p电极。
5.一种光固化装置，其特征在于，包括如权利要求3或4所述的紫外LED芯片。
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