CN207199657U - 一种紫外led倒装芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种紫外LED倒装芯片，包括：衬底；设置在所述衬底上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、重掺杂n型AlGaN层、轻掺杂n型AlGaN层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型导电层、反射层、电流扩展层、绝缘层以及导电薄膜层。其中，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层结构。该紫外LED倒装芯片具有防漏电、发光效率高、电压浪涌小、防静电释放危害、散热快及可靠性高等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体发光元器件技术领域，更具体地说，尤其涉及一种紫外LED倒装芯片。
背景技术
随着三族氮化物半导体材料以及外延工艺的不断发展，紫外LED的输出强度也在不断提高。与传统的紫外光源相比较，紫外LED具有节能、寿命长、工作电压低、效率高以及绿色环保等优点；在杀菌消毒、印刷光刻以及通信探测等领域中具有极为重要的地位。
但是，现有的紫外LED外延芯片在制备过程中，由于半导体材料掺杂效率低、外延质量较差以及载流子浓度不高等问题导致光效率低；并且，衬底、外延层等材料的生长过程中，本身存在表面裂纹、晶体质量差、结构材料设计难度大、工艺复杂、精度要求极高等缺陷；在后续的倒装焊、固晶以及封装过程中，也存在功率型芯片尺寸大、产热多、散热差、刻蚀面积大导致发光面积小、亮度不高以及静电放电危害等问题。
现有技术中，通过采用相容的制作过程，同时结合高质量的外延工艺，降低了LED芯片中低级缺陷的产生，还通过在LED封装的过程中引入二极管结构，使得LED芯片额外的形成浪涌电压或脉冲电流放电路径，在一定程度上减小了静电对LED芯片的危害。
但是，通过上述的改进方式，极大程度的增加了LED芯片的封装成本，且增大了工艺的实施难度以及降低了LED芯片的成品率。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种紫外LED倒装芯片，该紫外LED倒装芯片具有防漏电、发光效率高、电压浪涌小、防静电释放危害、散热快及可靠性高等优点。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种紫外LED倒装芯片，所述紫外LED倒装芯片包括：
衬底；
设置在所述衬底上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、重掺杂n型AlGaN层、轻掺杂n型AlGaN层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型导电层、反射层、电流扩展层、绝缘层以及导电薄膜层；
其中，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层结构。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述绝缘层设置于所述电流扩展层中间区域，且所述电流扩展层以及所述绝缘层分别与所述反射层接触。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述紫外LED倒装芯片还包括：
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述P型导电层、所述反射层、所述电流扩展层以及所述导电薄膜层的第一电极凹槽结构；
贯穿所述电流扩展层以及所述导电薄膜层的第二电极凹槽结构；
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述P型导电层、所述反射层、所述绝缘层以及所述导电薄膜层的设定形状的第三凹槽结构。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述紫外LED倒装芯片还包括：
分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁的隔离层；
分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁背离所述隔离层一侧的内部接触层。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述导电薄膜层表面上且与所述第一电极凹槽结构接触连接的n电极；
设置于所述导电薄膜层表面上且与所述第二电极凹槽结构接触连接的p电极。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述第三凹槽结构内部的SiO2层，且所述SiO2层的厚度小于所述第一方向上从所述重掺杂n型AlGaN层开始至所述绝缘层之间的距离；
设置于所述SiO2层上的金属环层，所述金属环层为未封闭结构的倒E结构，用于对所述n电极的外延层结构区域进行包裹，且与所述n电极不连接。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述紫外LED倒装芯片还包括：基板结构；
其中，所述基板结构包括：在所述第一方向上依次设置的金属布线层、AlN层、导电银浆层以及基板。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述P型导电层包括：P型AlGaN层以及P型GaN层；
其中，所述P型AlGaN层以及P型GaN层在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层与所述反射层之间。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述重掺杂n型AlGaN层的厚度为1.7um-1.9um，包括端点值。
优选的，在上述紫外LED倒装芯片中，所述轻掺杂n型AlGaN层的厚度为0.1um-0.3um，包括端点值。
通过上述描述可知，本实用新型提供的紫外LED倒装芯片通过依次设置重掺杂n型AlGaN层和轻掺杂n型AlGaN层，代替了厚度相同的传统的n型AlGaN层，并且通过优化轻掺杂n型AlGaN层的厚度，可直接增加了LED芯片外延结构中第一方向上的等效串联电阻，使得LED芯片外延结构在垂直第一方向上的电流扩展更加有效。
并且，在P型导电层的两侧分别设置电子阻挡层以及反射层，极大程度的提高了紫外LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种紫外LED倒装芯片的截面示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种紫外LED倒装芯片的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本实用新型实施例提供的一种紫外LED倒装芯片的截面示意图。
在本实用新型实施例中，如图1所示，所述紫外LED倒装芯片包括：
衬底1。
设置在所述衬底1上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层2、超晶格结构3、重掺杂n型AlGaN层4、轻掺杂n型AlGaN层5、量子阱有源区6、电子阻挡层7、P型导电层8、反射层9、电流扩展层10、绝缘层11以及导电薄膜层12。
其中，所述第一方向垂直于所述衬底1，且由所述衬底1指向所述外延层结构。
进一步的，所述P型导电层8包括：P型AlGaN层81以及P型GaN层82。
其中，所述P型AlGaN层81以及P型GaN层82在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层7与所述反射层9之间。
具体的，该衬底1包括但不限定于蓝宝石衬底，因为蓝宝石衬底具有相对较低的反射系数，并且采用图形优化设计的蓝宝石衬底作为模板，结合刻蚀以及腐蚀等工艺处理形成一种横截面为六角星的类圆柱体图形，以及采用非极性面蓝宝石。
其中，该衬底1的厚度可选为150um，缓冲及成核层2的厚度可选为0.1um，超晶格结构3的厚度可选为0.2um，重掺杂n型AlGaN层4的厚度可选为1.7um-1.9um，轻掺杂n型AlGaN层5的厚度可选为0.1um-0.3um，量子阱有源区6的厚度可选为1um，电子阻挡层7的厚度可选为0.1um，P型AlGaN层81的厚度可选为50nm，P型GaN层82的厚度可选为0.1um，反射层9的厚度可选为50nm，电流扩展层10的厚度可选为0.2um，绝缘层11的厚度可选为0.2um，导电薄膜层12的厚度可选为0.1um。
基于本实用新型上述外延层结构，所述绝缘层11设置于所述电流扩展层10中间区域，且所述电流扩展层10以及所述绝缘层11分别与所述反射层9接触。也就是说，在所述第一方向上，当生长完所述电流扩展层10后，对所述电流扩展层10的中间区域进行刻蚀处理，直至暴露出所述反射层9，在该刻蚀区域沉积所述绝缘层11。
需要说明的是，所述绝缘层11与所述电流扩展层10可以接触设置，也可以不接触设置；且所述绝缘层11与所述电流扩展层10的厚度可以相同，也可以不同，通过光刻等工艺处理后形成连续膜结构或非连续膜结构，确保电流扩展层10与绝缘层11位于同一表面。其中，电流扩展层10的材料包括但不限定于ITO材料，绝缘层11的材料包括但不限定于Si3N4材料。
该电流扩展层10与绝缘层11的结构设置，当在LED芯片上施加电压时，位于n电极区域位置处，与绝缘层11相对应的导电薄膜层12也会同时被施加了负电压，使得位于绝缘层11上面的LED芯片外延层结构中的局部载流子的浓度得以增强，电流扩展更加均匀，发光效率也极大程度得以提高。
其中，具体的外延层结构生长过程如下：
采用MOCVD设备在LED芯片外延层生长之前，将氢气作为保护气体充入至反映设备中，将衬底1在1000℃高温环境下进行烘烤等预处理，用于除去衬底1表面的污染物；在低温条件下生长AlN成核层，再将反应炉中的温度迅速升温至1200℃，在高温环境下生长AlN缓冲层；之后在其表面外延五个周期的AlN/AlGaN超晶格结构3，其中，每个周期的AlN/AlGaN超晶格结构中又包含了15nm厚度的AlN层和25nm厚度的AlGaN层；再依次生长重掺杂n型AlGaN层4和轻掺杂n型AlGaN层5；将温度缓慢降低至600℃，外延生长20个周期的AlGaN量子阱有源区6，其中，每个周期的量子阱有源区中又包括了35nm厚度的AlGaN阱层和15nm厚度的势垒层；继续依次外延生长电子阻挡层7、p型AlGaN层81、p型GaN层82以及反射层9；采用磁控溅射设备，沉积电流扩展层10以及绝缘层11；再次生长导电薄膜层12。
相比较现有技术而言，本实用新型提供的紫外LED倒装芯片对传统的LED外延层结构中的n型AlGaN层进行了改进，具体改进如下：
确保n型AlGaN层的厚度不变的情况下，在超晶格结构3与量子阱有源区6之间先生长厚度为1.8um的重掺杂n型AlGaN层4，再在重掺杂n型AlGaN层4与量子阱有源区6之间生长厚度为0.2um的轻掺杂n型AlGaN层5；并且保证重掺杂n型AlGaN层4中的载流子浓度高达至3*1019cm-3的同时，将轻掺杂n型AlGaN层5中的载流子浓度维持在1017数量级范围左右。
由于考虑到LED芯片本身材料存在对光线的反射和吸收，还通过结合外延层厚度减薄处理技术的同时，对轻掺杂n型AlGaN层5的厚度进行优化加厚处理，这就直接增大了LED芯片外延层结构中在第一方向上的等效串联电阻，进而使得LED外延层在垂直第一方向上的电流扩展更加有效，不仅提高了LED芯片的输出强度，还增强了LED芯片抗静电放电电压打击、抗浪涌电流冲击的能力，避免了过大电流对LED芯片结构内的pn结造成损害。
同时，通过在所述p型GaN层82背离所述p型AlGaN层81一侧沉积反射层9，并且对该反射层9进行表面粗化等特殊工艺处理，使得光线能够最大程度的被反射，再次进行输出，有效的提高了光线的反射效果，显而易见的增强了LED芯片的光通量。其中，反射层的材料包括但不限定于金属银或Ni/Ag/Al合金材料结构。
基于本实用新型上述实施例，如图1所示，所述紫外LED倒装芯片还包括：
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层5、所述量子阱有源区6、所述电子阻挡层7、所述P型导电层8、所述反射层9、所述电流扩展层10以及所述导电薄膜层12的第一电极凹槽结构。
贯穿所述电流扩展层10以及所述导电薄膜层12的第二电极凹槽结构。
需要说明的是，在本实用新型实施例中，设置有多个第一电极凹槽结构和第二电极凹槽结构，且在刻蚀的过程中，严格控制刻蚀速率，确保只是对极小部分进行刻蚀，减小刻蚀对外延层发光区域的损坏，进而提高LED芯片的光输出强度。
进一步的，所述紫外LED倒装芯片还包括：分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁的隔离层13。
分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁背离所述隔离层一侧的内部接触层14。
具体的，在第一电极凹槽结构内部侧壁以及第二电极凹槽结构内部侧壁设置有隔离层13，该隔离层13较好的解决了漏电流的形成，防止金属电极接触层结构的侧壁表面与LED芯片内部接触层14直接形成电流回路而造成的短路，其中隔离层13的厚度可选为10nm。
并且，在第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁背离所述隔离层13一侧形成内部接触层14的过程中，可选的使用Ti/Al金属合金作为电极接触材料，使得电极面的铝增强了光线的反射效果，降低了电极边缘对部分光线的吸收以及增加了蓝宝石衬底对边光的提取。
也就是说，当对LED芯片施加较大的外部电压时，所形成的大脉冲电流在流过LED芯片外延层结构的同时，还可以更快的流过该内部接触层14，起到较好的分流作用，避免了LED芯片外延层受到大脉冲电流的影响。
需要说明的是，在图1中，并未对第二电极凹槽结构中的隔离层以及内部接触层进行标号。
进一步的，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述导电薄膜层12表面上且与所述第一电极凹槽结构接触连接的n电极15；
设置于所述导电薄膜层12表面上且与所述第二电极凹槽结构接触连接的p电极16。
基于本实用新型上述实施例，如图1所示，所述紫外LED倒装芯片还包括：
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层5、所述量子阱有源区6、所述电子阻挡层7、所述P型导电层8、所述反射层9、所述绝缘层11以及所述导电薄膜层12的设定形状的第三凹槽结构。
参考图2，图2为本实用新型实施例提供的一种紫外LED倒装芯片的俯视图。
在本实用新型实施例中，所述设定形状的第三凹槽结构为倒E形状的结构，其中，第三凹槽结构的宽度可选为20.2um。
进一步的，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述第三凹槽结构内部的SiO2层17，且所述SiO2层17的厚度小于所述第一方向上从所述重掺杂n型AlGaN层4开始至所述绝缘层11之间的距离；
设置于所述SiO2层17上的金属环层18，所述金属环层18为未封闭结构的倒E结构，用于对所述n电极15的外延层结构区域进行包裹，且与所述n电极15不连接。
可选的，所述金属环层18位于所述SiO2层17的居中位置，且材料可选为Cr/Au材料，是一种浮动的、未封闭的环状扩展层结构。
如图2所示，所述金属环层18围绕着n电极区域，对n电极15的外延层结构区域进行环形包裹，且与n电极15不连接。
具体的，由于在靠近n电极15的pn结内部的电场强度相对于其他半导体区域更强，通过设置这一种浮动的、未封闭的金属环层结构18，与n电极15之间存在着静电感应和金属环层18的电荷屏蔽效应，有效降低了靠近n电极15pn结区域的峰值电场强度，增加了空气中的静电电容，避免了电场强度达到最大时而引起的反向电流的剧烈增加，减小了对LED芯片的损坏，明显提高了LED芯片的抗静电打击的强度。
基于本实用新型上述实施例，如图1所示，所述紫外LED倒装芯片还包括：钝化层19。
其中，所述钝化层19包围所述外延层结构，以减小漏电流对LED芯片的影响，且防止外界环境对LED芯片的腐蚀影响，改进了LED芯片外延层中有源区的电流扩展问题，降低了电流堆积效应，提高了LED芯片的光输出功率。
基于本实用新型上述实施例，如图1所示，所述紫外LED倒装芯片还包括：基板结构。
其中，其中，所述基板结构包括：在所述第一方向上依次设置的金属布线层20、AlN层21、导电银浆层22以及基板23；金属布线层20的厚度可选为20um，AlN层21的厚度可选为0.5mm，导电银浆层22的厚度可选为10um以及基板23的厚度可选为1mm。
具体的，采用晶圆表面键合技术进行LED芯片后期的固晶、倒焊装以及封装等过程，通过n电极15以及p电极16结构将LED芯片外延层结构倒装共晶焊接在设置有金属布线层20的基板23上，进而完成对LED芯片的初步封装。
其中，基板23优选采用SiC材料的基板，结合高密度的金属布线层20，使得LED芯片倒装结构中的量子阱有源区6与基板23之间的热路径更短，散热更快；并且需要将金属布线层20的中间位置进行刻蚀断开，以分割开p电极区域和n电极区域，以防止LED芯片中出现短路现象。
基于本实用新型上述全部实施例，本实用新型提供的一种紫外LED倒装芯片具有防漏电、发光效率高、电压浪涌小、防静电释放危害、散热快及可靠性高等优点。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片包括：
衬底；
设置在所述衬底上的外延层结构；所述外延层结构包括：在第一方向上依次设置的缓冲及成核层、超晶格结构、重掺杂n型AlGaN层、轻掺杂n型AlGaN层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型导电层、反射层、电流扩展层、绝缘层以及导电薄膜层；
其中，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层结构。
2.根据权利要求1所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述绝缘层设置于所述电流扩展层中间区域，且所述电流扩展层以及所述绝缘层分别与所述反射层接触。
3.根据权利要求2所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片还包括：
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述P型导电层、所述反射层、所述电流扩展层以及所述导电薄膜层的第一电极凹槽结构；
贯穿所述电流扩展层以及所述导电薄膜层的第二电极凹槽结构；
贯穿所述轻掺杂n型AlGaN层、所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述P型导电层、所述反射层、所述绝缘层以及所述导电薄膜层的设定形状的第三凹槽结构。
4.根据权利要求3所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片还包括：
分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁的隔离层；
分别设置于所述第一电极凹槽结构内部侧壁以及所述第二电极凹槽结构内部侧壁背离所述隔离层一侧的内部接触层。
5.根据权利要求3所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述导电薄膜层表面上且与所述第一电极凹槽结构接触连接的n电极；
设置于所述导电薄膜层表面上且与所述第二电极凹槽结构接触连接的p电极。
6.根据权利要求5所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片还包括：
设置于所述第三凹槽结构内部的SiO2层，且所述SiO2层的厚度小于所述第一方向上从所述重掺杂n型AlGaN层开始至所述绝缘层之间的距离；
设置于所述SiO2层上的金属环层，所述金属环层为未封闭结构的倒E结构，用于对所述n电极的外延层结构区域进行包裹，且与所述n电极不连接。
7.根据权利要求5所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述紫外LED倒装芯片还包括：基板结构；
其中，所述基板结构包括：在所述第一方向上依次设置的金属布线层、AlN层、导电银浆层以及基板。
8.根据权利要求1所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述P型导电层包括：P型AlGaN层以及P型GaN层；
其中，所述P型AlGaN层以及P型GaN层在所述第一方向上依次设置于所述电子阻挡层与所述反射层之间。
9.根据权利要求1所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述重掺杂n型AlGaN层的厚度为1.7um-1.9um，包括端点值。
10.根据权利要求1所述的紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述轻掺杂n型AlGaN层的厚度为0.1um-0.3um，包括端点值。
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