CN210692570U - 一种倒装结构深紫外发光二极管 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种倒装结构深紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括：衬底层，N型半导体材料层，量子阱层，P型半导体材料层，所述发光二极管还包括增透层，通过在衬底背面镀一层增透膜，极大的改善倒装结构的深紫外LED芯片出光效率。

Description

一种倒装结构深紫外发光二极管

技术领域

本发明的技术方案涉及半导体器件，具体来说是一种倒装结构深紫外发光二极管。

背景技术

半导体深紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。以AlGaN材料为发光区的深紫外LED的发光波长能够覆盖210-365nm的紫外波段，是实现该波段深紫外LED器件产品的理想材料，具有其它传统紫外光源无法比拟的优势。

目前深紫外LED最大的瓶颈是发光效率，其主要受限于三个方面：(1)注入效率，有效注入到发光区域的载流子的比例；(2)内量子效率，发光区域电子和空穴复合产生光子的比例；(3)出光效率，发光区域中产生的光子，从芯片中提取出来可利用的光子的比例。而在深紫外波段，上述三个方面的效率都比较低。由于透明导电电极对深紫外光有较强的吸收，因此目前深紫外LED绝大部分采用倒装封装由衬底面出光的方式，衬底与空气的界面成为影响出光效率的关键之一。现有倒装芯片的结构如图1所示。其包括衬底101，在衬底下依次形成的N型半导体层102，量子阱层103，P型半导体层104；N电极106与所述N型半导体层102直接相连，P电极105与所述P型半导体层104直接相连。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种倒装结构深紫外发光二极管，旨在用于解决倒装深紫外LED芯片出光效率较低的问题。

为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：

一种倒装结构深紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括：

衬底层，所述衬底形成在所述倒装结构深紫外发光二极管的顶部；

N型半导体材料层，形成在所述衬底层的下表面；

量子阱层，形成在所述N型半导体材料层的下表面；

P型半导体材料层，形成在所述P型半导体材料层的下表面；

N电极，与所述N型半导体材料层直接通电连接，P电极与所述P型半导体材料层直接通电连接

其特征在于，

所述发光二极管还包括增透层，所述增透层207设置在衬底的上表面之上在，增透层的厚度d＝(2k+1)λ/4，其中k为自然数、λ为光在增透膜中的波长；光在增透膜中的折射率为

其中光在衬底中的折射率为n1，在空气中的折射率为n2。

优选地，增透层包括氟化镁增透膜。

优选地，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、或者是氮化铝衬底。

本专利通过在衬底背面镀一层增透膜，极大的改善倒装结构的深紫外LED芯片出光效率，同时，相较于现有工艺中相关衬底粗化等提高出光效率的工艺，增透膜的工序相对简单高效了许多。

附图说明

图1为现有技术中倒装芯片结构示意图；

图2为增透膜深紫外倒装芯片结构示意图。

具体实施方式

本专利所描述的技术方案包括各种具体的实施例，以及在各种具体实施例上所进行的修改。在本具体实施方式中，对这些技术方案通过结合附图的方式进行示例性的阐述，以使得本专利的发明构思、技术特征、技术特征的效果，等，通过对这些具体实施方式的描述变得更加明显。但是需要指出的是，本专利的保护范围显然不应当仅限于这些实施例所描述的内容，而是可以通过在本专利发明构思下的多种方式来实施。

在本具体实施方式的描述中，需要注意以下一些阅读参考，以便于能够准确理解本具体实施方式中文字所表达的含义：

首先，对于本专利的附图中，相同或者相对应的元件\要素\层等，将以相同的附图标记来表示。因此对于此前已经出现过的附图标记或者是元件\要素\层等的名称，在之后可能不会再重复解释。并且，在本具体实施方式中，可如果使用了术语“第一”、“第二”等词汇来修饰各种元件或要素，那么在非特指的情况下“第一”、“第二”并不代表着顺序，而是仅仅区分这些元件或要素彼此不同而已。此外，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一个”、“一”和“该/所述”也不仅仅指代单数还指代复数形式。

更进一步地，包含或包括，应当理解为开放式的描述，其并不排斥在已经描述的组件的基础上还存在其它的组件；而且，当层、区域或组件被称为“形成在”、“设置在”另一层、区域或组件“上”时，该层、区域或组件可以直接地或间接地形成在所述另一层、区域或组件上，与之相似的，当使用相连、连接等类似术语来表述两个元件之间的关系时，在没有特别限定的情况下，既可以是直接相连也可以是间接相连。术语“和/或”连接的两个要素之间可以是和的关系，也可以是或的关系。

另外，为了说明本专利的技术方案，本专利的附图中所描述的要素的尺寸并不代表实际要素的尺寸比例关系，尤其是在本专利涉及的较为微观的结构下，尺寸、厚度、比例等出于便于表达的考虑会被放大或者缩小。

实施例一

本具体实施例提供了一种倒装结构深紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括：衬底层201、N型半导体材料层202、量子阱层203、P型半导体材料层204、N电极205、P电极206，以及增透层207。

衬底201，所述衬底形成在所述倒装结构深紫外发光二极管的顶部，衬底可以是蓝宝石衬底,即主要成分为Al₂O₃，也可以是Si衬底或者是SiC衬底。衬底的作用主要是在其上形成其它芯片层的结构。

N型半导体材料层202，在本层中主要材料为N型AlGaN，所述Al GaN起到了负极的作用，也就是说通电后所述AlGaN能够形成大量的自由电子，向正极流动。

量子阱层203，在所述N型半导体材料层下形成有多量子阱MQW层，所述多量子阱层多量子阱层。量子阱是指由2种不同的的半导体材料间隔排列形成具有量子限制效应的电子或者空穴的势阱。量子阱中如果势垒层足够厚，以至于相邻的势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称之为多量子阱。在本具体实施方式中，所述多量子阱MQW层用作发光层使用，也就是说当N型半导体层和P型半导体层之间形成电流通过所述多量子阱MQW层后，多量子阱MQW层发光。

P型半导体材料层204，在所述多量子阱层下形成有P型半导体材料层，在本具体实施方式中，所述P型半导体材料层优选采用P-GaN层以便于发射紫外光线。

N电极205、P电极206分别与N型半导体材料层202、P型半导体材料层204接触，提供负极和正极。

增透层207

除了上述各层之外，在本实施例中，所述衬底的顶部还设置有一层增透层207。增透膜的作用使得衬底反射光与透射光能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小，这样就可以通过减小反射区的光强来增大衬底透射光的光强，以此来改善倒装结构的深紫外LED芯片出光效率，实现高出光效率的深紫外LED高效制备。

增透膜的工作原理如下：一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。

在本实施例中，所述增透层的具体结构设计如下：

所述增透层207设置在衬底的上表面之上在，一种形成方式包括衬底表面镀一层增透膜。

所述增透膜的厚度可以通过如下方式计算得出：设光在增透膜中的波长为λ，增透膜的厚度d可控制在d＝(2k+1)λ/4，其中k为自然数。

所述增透膜的材质，需要选择可以透过深紫外光的材质，然后需要对折射率进行选择，选择方式为：设光在增透膜中的折射率为n，在衬底中的折射率为n1，在空气中的折射率为n2，该透光材质的折射率需符合如下要求：

因找到折射率与计算结果一致的材质比较困难，可以适当的将该折射率的范围扩大为n±0.1；在通常情况下，符合上述材质的增透膜可以包括氟化镁。氟化镁材质的增透膜的制作工艺有以下四种：溶胶-凝胶法、脉冲激光沉淀法、磁控溅射法和真空蒸镀法。

更为具体的，例如，在蓝宝石衬底上生长深紫外外延层；然后倒装工艺制取LED芯片；根据光在蓝宝石衬底中的折射率n1＝1.78和光在空气中的折射率n2＝1进行折射率为n的增透膜材质选择：n＝＝＝1.33±0.1。根据计算除的值，选择了更接近该折射率的氟化镁，折射率为1.38。采用蒸镀的方式再衬底背部镀上一层氟化镁，厚度d＝λ/4(λ为光在氟化镁材质中的波长)。

对蒸镀完的氟化镁的圆片进行测试，结果显示出光率有明显的提高。

Claims (3)

1.一种倒装结构深紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括：

衬底层，所述衬底形成在所述倒装结构深紫外发光二极管的顶部；

N型半导体材料层，形成在所述衬底层的下表面；

量子阱层，形成在所述N型半导体材料层的下表面；

P型半导体材料层，形成在所述P型半导体材料层的下表面；

N电极，与所述N型半导体材料层直接通电连接，P电极与所述P型半导体材料层直接通电连接

其特征在于，

所述发光二极管还包括增透层，所述增透层207设置在衬底的上表面之上在，增透层的厚度d＝(2k+1)λ/4，其中k为自然数、λ为光在增透膜中的波长；光在增透膜中的折射率为

其中光在衬底中的折射率为n1，在空气中的折射率为n2。

2.根据权利要求1所述的一种倒装结构深紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、或者是氮化铝衬底。

3.根据权利要求1或2所述的一种倒装结构深紫外发光二极管，增透层包括氟化镁增透膜。

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