CN211182231U - 一种紫外发光二极管 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种紫外发光二极管，其包括：外延结构；微孔结构层，设置在所述外延结构的P型半导体材料侧，所述微孔结构层包括微孔区域和电极匹配区域；所述微孔区域中形成有空心孔洞；所述电极匹配区域与紫外发光二极管芯片的负极电极的形状相匹配，所述电极匹配区域为实心区域；P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层为金属材料层，其一侧形成在所述微孔结构层上。通过上述方案由P型半导体材料层、薄型化微孔结构层、P型欧姆接触层组成全方位反射镜。发光层发出的光经过ODR的反射从N电极发出，利用微孔结构和空气界面的全反射及菲涅耳散射，从而最大化地减少现有技术存在的金属反射镜的金属对紫光的吸收，提高了光的提取效率。

Description

一种紫外发光二极管

技术领域

本专利属于半导体技术领域，具体而言涉及一种紫外发光二极管。

背景技术

现有技术中，垂直结构紫外发光二极管的外延结构如图1，包括衬底100上依次外延成核层、非掺杂氮化铝层101、n型氮化铝镓层102、有源层103、电子阻挡层104和P型空穴传导层105，在制作芯片时，在此外延结构上做反射层及P、N电极，及电极转移等。

为了提高LED的光提取效率，一种方法是设置布拉格反射层DBR，布拉格反射层DBR是由不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期性结构，每层材料的光学厚度为中心发射波长的1/4，这样形成一个具有多层并具有高达99％以上反射率的反射镜。虽然DBR反射镜的反射效率高，但缺点是制备工艺复杂，成本较高，必须为多层结构。现有技术中出现的另一种方案是设置金属反射层200，如图2所示，这种方案中光线在被芯片多层材料反射的过程中，会造成全反射损失。

另外，现有技术中的紫外发光二极管均采用垂直结构一次电极与单次粗化工艺，很大程度上造成电极剥离(Peeling)。

发明内容

本专利正是基于现有技术的上述需求而提出的，本专利要解决的技术问题是，提供一种新型垂直结构紫外半导体发光二极管，该半导体发光二极管具有薄型化结构的ODR反射镜结构及相匹配的两次电极。

为了解决上述技术问题，本专利提供的技术方案包括：

一种紫外发光二极管，其特征在于，其包括：紫外发光二极管的外延结构，所述紫外发光二极管的外延结构包括N型半导体材料层、量子阱和P型半导体材料层；微孔结构层，设置在所述外延结构的P型半导体材料侧，所述微孔结构层包括微孔区域和电极匹配区域；所述微孔区域中形成有空心孔洞；所述电极匹配区域与紫外发光二极管芯片的负极电极的形状相匹配，所述电极匹配区域为实心区域；P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层为金属材料层，其一侧形成在所述微孔结构层上；键合层，键合层设置在P型欧姆接触层与所述微孔结构层接触侧的相对一侧，所述键合层由金属制成；键合衬底，所述键合衬底设置在键合层与所述P型欧姆接触层接触侧的相对一侧。

以及，一种紫外发光二极管芯片的制备方法，其特在于，包括如下步骤：步骤一、制备紫外发光二极管外延结构；在衬底上依次外形成紫外发光半导体的外延结构；步骤二、制备薄型化的微孔结构，沉积一层SiO2，厚度250nm；并通过光刻技术在使用SiO2制成薄型化微孔的掩膜阵列，其所对应N电极部位无微孔；步骤三、蒸镀NiAu层；步骤四、蒸镀键合层Au；步骤五、制作键合衬底；步骤六、一次电极制作；先用一次粗化液，包括双氧水、柠檬酸、水，进行泡制，制作N型欧姆接触层；制作欧姆接触电极Al/Cr；形成N面欧姆接触；步骤七、二次电极制作，用KOH溶液进行除一次电极区域之外的其它区域的N面AlGaN粗化，并在所述一次电极上形成二次电极。

通过上述方案由薄型化微孔结构层、P型欧姆接触层、键合层组成全方位反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)。发光层发出的光经过ODR的反射从N电极发出，利用微孔结构和空气界面的全反射及菲涅耳散射，从而最大化地减少现有技术存在的金属反射镜的金属对紫光的吸收，提高了光的提取效率。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明显和更容易理解，在附图中：

图1是现有技术中垂直结构紫外发光二极管的外延结构图；

图2是现有技术中另外一种垂直结构紫外发光二极管的外延结构图；

图3是薄型化微孔结构垂直紫外芯片整体结构图；

图4是薄型化的微孔结构示意图；

图5是N电极与薄型化微孔结构平面匹配图。

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

本实施例提供了一种紫外发光二极管。

随着LED技术的发展，为了不同的需要，LED光源的种类有了各种各样的改变。例如，现有技术中出现了紫外发光二极管，以满足各种对紫外光线环境的需求。

紫外发光二极管一般指发光中心波长在400nm以下的LED，但有时将发光中心发光波长大于380nm时称为近紫外LED，而发光中心波长短于300nm时称为深紫外LED，但是这都在本具体实施方式中所称的紫外发光二极管的范畴。

现有技术中，紫外发光二极管通常包括外延结构，反射结构和电极等结构。外延结构用于在衬底上形成各种层的组合以完成紫外发光二极管的发光功能，反射结构用于反射某一个或者多个区域中的光线使得光线沿着预想的方向发射，电极结构则用于向紫外发光二极管芯片供电。在现有技术中，紫外光线由于受到各层的吸收等影响较大，因此提高紫外发光二极管的亮度的十分重要一环就是减小紫外发光二极管中各层对于紫外光线造成的损失。这也是实施例一中的一个需要解决的问题。

为此，本实施例一针对图3的结构进行举例说明。本领域技术人员当然可以根据本实施例的发明构思改变本实施例的各层的材料和结构；但是，当本实施例中描述了其采用的材料和结构的具体优点时，也足以表明该材料和结构相对于本领域常规选择具有进一步的创造性。也就是说，在具体的实例描述中，如果针对某个具体部件\模块等元素的技术手段和技术效果进行描述，则应当将该元素视为该实例中对于本申请发明总体发明构思框架内对技术方案进行的进一步的改进，而不应当理解为常规材料选择、参数选择、结构设计等公知常识。

如图3所示的紫外发光二极管包括：

紫外发光二极管的外延结构

紫外发光二极管的外延结构主要起到形成PN结，产生紫外光线的作用。例如图3中的紫外发光二极管的外延结构包括：N型半导体材料层1、量子阱层2、P型半导体材料层3。

所述N型半导体材料层1，优选采用N型AlGaN；P型半导体材料层3优选采用P型GaN，根据现有的研究表明，N-AlGaN,P-GaN材料形成的PN结是较为理想的紫外发光二极管的半导体材料层，当然除了上述材料外，在发光二极管中还可以包括其他材料所形成的层以优化发光二极管的各种性能，这均是本领域技术人员可以实现的。

量子阱2，在所述N型半导体材料层下形成有量子阱层。量子阱是指由2种不同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。在本具体实施方式中，所述量子阱层用作发光层使用，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量子阱层后，量子阱层发光。

所述N型半导体材料层、量子阱层、P型半导体材料层依次排布，可以根据需要自上而下或者根据需要自下而上，这样就形成了一个典型的紫外发光二极管的外延结构。图3中采用的是N型半导体材料层、量子阱层、P型半导体材料层自上而下依次排布的方式，以便于描述，但是本领域技术人员可以理解在本专利中限定的上下都是相对的，并不是竖直向上或者竖直向下而仅仅指代的是方向之间相对的关系。当然除了包括上述结构之外，紫外发光二极管的外延结构实际上还可以包括其他层，本专利中采用包括这种开放式的描述已经表明了这一点。这些层的具体结构以及其工作方式在现有技术中已经广泛记载，因此本专利中不再详细描述。

薄型化微孔结构层4

当紫外发光二极管的外延结构通电后，部分光线会由P型半导体材料层射出，为了将光线导向至预定的方向，提高紫外光线的提取效率，在现有技术中需要在P型半导体材料层后加装反射层以反射所述P型半导体材料层中透射的紫外光线。在现有技术中反射层通常采用的方案包括设置DBR反射镜或者是设置金属反射层。采用DBR反射镜其反射效果非常理想，但是由于DBR反射镜必须为多层结构加工难度大，成本高因此具有一定的局限性，而金属反射层，也就是通常采用的Au材料的反射层光线在被芯片多层材料反射的过程中，会造成全反射损失。因此这种方案理论上虽然比较理想但是实际过程中由于全反射损失也存在一定的局限。

在本具体实施方式中，所述P型半导体材料的一面与所述量子阱相连，另一面上设置有薄型化微孔层，所述薄型化微孔层的结构如图4-5所示。所述薄型化微孔结构是指具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质。

在所述薄型化微孔层在本实施例中优选采用SiO₂制成，因为采用SiO₂的好处在于，SiO2相对别的材料制作工艺特别简单，很容易实现薄层制作，工艺上好实现，而且成本很低，又能满足全反射的要求，且在多步工艺制作时，对别的工艺影响不大。如图4所示，在所述薄型化微孔层上形成具有微孔结构，也就是在该层中形成的空心区5，在孔型区域之间的部分形成为半柱状区域6，如此交替设置，形成薄型化微孔结构，所述薄型化微孔层的厚度仅仅250±2.5nm。ODR反射镜中的光程差既来源于SiO₂的厚度，又来源于Au表面对反射光相位的改变，由SiO₂产生的相位差、Au对反射光相位改变量和两个反射界面反射光相干加强条件，利用公式

其中，h是SiO₂厚度，n_li是为SiO₂的折射率，θ_n是Au对反射光相位改变量，带入紫外波长和相关数据，相干加强时，反射最大，计算SiO₂的最小厚度为249nm。所述微孔结构的正面结构如图5所示，结构为骨架式的圆角多边形，也就是网状结构，其圆角多边形的直径小于0.15mil，如果太大，反射效果不明显；孔与孔之间距离约束在一定范围。

此外，所述薄型化微孔层的结构并完全是形成为微孔区域，除了微孔区域外，在所述薄型化微孔层上还形成有电极匹配区域，所述电极匹配区域与紫外发光二极管芯片的负极电极的形状相匹配。如图5所示，虽然在本具体实施方式中所述薄型化微孔层设置在外延结构的正极一侧，但是薄型化微孔的形状会对外延结构负极一侧的平整度产生影响。因此所述薄型化微孔层中与所述负极电极对应匹配的区域为实心区域，也就是说没有孔隙结构，这样，可防止N面电极之下由于微孔而导致的不平整，同时可减少此处不必要的全反射。

P型欧姆接触层7

薄型化微孔结构层的一侧与所述外延结构的P型半导体材料层相连，另一侧与P型欧姆接触层相连，所述P型欧姆接触层主要作用是形成欧姆接触，P型欧姆接触层由金属制成以便形成欧姆接触，在本实施例中P型欧姆接触层的材料优选地选择NiAu。NiAu既有P型欧姆接触的作用，也有起反射的作用

键合层8

键合层8设置在P型欧姆接触层与所述薄型化微孔结构层接触侧的相对一侧，所述键合层在本实施例中优选采用Au，但是常用的其它键合层材料也可以实现本专利。在上述位置设置键合层后和上面的各层总体形成给一个反射镜，从而起到整体优秀的反射效果。

通过上述方案由薄型化微孔结构层、P型欧姆接触层、键合层,也就是SiO2，NiAu,Au组成全方位反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)。发光层发出的光经过ODR的反射从N电极发出，利用薄型化结构和空气界面的全反射及菲涅耳散射，从而最大化地减少现有技术存在的金属反射镜的金属对紫光的吸收，提高了光的提取效率。此薄型化的结构除与电极匹配部分外，其余整面为薄型化的微孔结构设计，在进行切割后，侧面显示出有柱状或半柱状的穿孔区，对于由TE模式转换为TM模式的深紫外发光二极管，其光子向外散射的几率增加，TE模式的有效性增加，进一步的提高了光的提取效率。利用薄型化的微孔结构和空气界面的全反射及菲涅耳散射，从而减少现有技术存在的单纯金属反射镜的金属对紫光的大量吸收；同时较现有的分布拉格反射层、金属反射镜而言，最大限度的使ODR结构薄型化，减少层层反射造成的全反射损失与金属的吸收。

此外，侧面穿孔区的增加，增加了光子向外散射的几率增加，减少了量子阱的内吸收，TE模式的有效性增加，进一步的提高了光的提取效率。

进一步地，为了提高ODR的反射率，ODR反射镜中的光程差既来源于SiO₂的厚度，又来源于Au表面对反射光相位的改变，由SiO₂产生的相位差、Au对反射光相位改变量和两个反射界面反射光相干加强条件，相干加强时SiO₂的最小厚度为249nm。

键合衬底9

所述键合衬底设置在键合层与所述P型欧姆接触层接触侧的相对一侧，现有技术中的各种键合衬底均可以在本实施例中使用。衬底可以为蓝宝石衬底、Si衬底、W-Cu衬底、Mo-Cu衬底；进一步地，可以在所述键合衬底的背面可以镀亮加金属以节省贵金属的使用量从而节省成本，所述廉价金属包括Cr/Ni或其合金。

粗化结构10

在所述N型半导体材料的上表面形成有所述粗化结构，所述粗化结构采用一次粗化结构和二次粗化结构来形成，其中，一次粗化结构可以采用一次粗化液为双氧水、柠檬酸、水按适当比例对N型半导体材料表面进行轻微泡制，制作N型欧姆接触层。二次粗化结构采用KOH溶液配合一定的温度、浓度、时间进行。通过一次粗化和二次粗化的结合，使得二次粗化液KOH在粗化时更快速且粗化更细致，这样尤其适合于在具有薄型化微孔结构的芯片上使用，以降低薄型化微孔对于N极电极的影响。

二次电极结构

在本具体实施方式中，电极所形成的图形须与所述薄型化微孔层图形相匹配，在本实施例的上文中已经有所描述。在这种图形下，需要耗费较大的电极层材料，如果采用传统的CrAu一次电极则需要镀很厚的含Au材料，至少2000A，使得成本居高不下，因此在本具体实施方式中在所述粗化结构上设置有二次电极以解决上述问题。

如图5所述示范性的例子中，在所述粗化结构上形成各有一次电极11，所述一次电极可以采用成本较低的金属制成例如，用Al/Cr，这样可以大量使用而减小成本，一次电极做欧姆接触。在所述一次电极11上形成有二次电极12，所述二次电极形成在一次电极上，所述二次电极可以采用贵金属例如Au来制作，以提高电流稳定性。为了保持电极的接触性，所述二次电极的边缘优选地宽于所述一次电极，二次电极和一次电极之间的连接方式包括卡合，也就是说除了卡和之外，还可以包括其它固定连接方式的一种或多种，这些固定连接方式还可以跟卡合连接配合使用。一种优选的卡合方式是在所述二次电极的下表面设置小抓脚以卡住所述一次电极的边缘形成稳固接触。采用上述二次电极的结构，在通常情况下Au只需包覆500A，且面积小，结合Al/Cr/Ni，即可达到打线要求；从而一定程度节约了贵金属成本。且这种结构更有利于电极附着，减少电极剥离现象(Peeling)。从而为封装打线提供保障和便利。

增透层13

在所述N型半导体材料上，电极之外的区域进行制作增透层，所述增透层优选采用SiO₂或SiN制成。

实施例二

本实施例提供了一种紫外发光二极管芯片的制备方法，所述紫外发光二极管芯片结构可以参考实施例一的描述。在本实施例中，主要要点在于如何制备上述芯片，以达到设计的性能并提供具有足够的产品合格率。

本实施例二的方法包括如下步骤：

步骤一、制备紫外发光二极管外延结构

在衬底上依次外延缓冲层、P-GaN层、量子阱层、N-AlGaN层、u-AlGaN层等，制备成UV LED基础外延层结构(实际上实施例一种的结构也可以包括上述层，其可以作为实施例一的一种变形)；

步骤二、制备薄型化的微孔结构

沉积一层SiO2，厚度250nm；并通过光刻技术在使用SiO2制成薄型化微孔的掩膜阵列，其所对应N电极部位无微孔；

步骤三、蒸镀NiAu层

步骤四、蒸镀键合层Au

步骤五、制作键合衬底

步骤六、一次电极制作

先用一次粗化液，包括双氧水、柠檬酸、水，进行轻微泡制，制作N型欧姆接触层；制作欧姆接触电极Al/Cr；形成N面欧姆接触；

步骤七、二次电极制作

用KOH溶液进行除一次电极区域之外的其它区域的N面AlGaN粗化，并在所述一次电极上形成二次电极，即二次电极Au。

步骤八、制作增透层

在所述N面半导体材料上，电极之外的区域进行制作增透层。

用沉积SiO2、光刻、湿法蚀刻的方法把电极保护起来；为二次粗化做准备，并用用KOH溶液配合一定的温度、浓度、时间进行除电极保护外的N面AlGaN粗化。

此外，优选地，为形成ODR透镜之良好的效果，在本具体实施方式中对薄型化的微孔层和P型欧姆接触进行480℃退火处理。

Claims (9)

1.一种紫外发光二极管，其特征在于，其包括：

紫外发光二极管的外延结构，所述紫外发光二极管的外延结构包括N型半导体材料层、量子阱和P型半导体材料层；

微孔结构层，设置在所述外延结构的P型半导体材料侧，所述微孔结构层包括微孔区域和电极匹配区域；所述微孔区域中形成有空心孔洞；所述电极匹配区域与紫外发光二极管芯片的负极电极的形状相匹配，所述电极匹配区域为实心区域；

P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层为金属材料层，其一侧形成在所述微孔结构层上；

键合层，键合层设置在P型欧姆接触层与所述微孔结构层接触侧的相对一侧，所述键合层由金属制成；

键合衬底，所述键合衬底设置在键合层与所述P型欧姆接触层接触侧的相对一侧。

2.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，所述空心孔洞在微孔区域均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，所述微孔结构层的厚度为250±2.5nm。

4.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，在所述N型半导体材料的上表面形成有粗化结构，所述粗化结构包括一次粗化结构和二次粗化结构，其中一次粗化结构的粗化粒度大于二次粗化结构。

5.根据权利要求4所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，在所述粗化结构上形成有一次电极，在所述一次电极上形成有二次电极，所述二次电极在所述一次电极上与所一次电极固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，所述一次电极的厚度大于所述二次电极的厚度。

7.根据权利要求6所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，所述二次电极的厚度在500A以下。

8.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，在所述N型半导体材料上，电极之外的区域具有增透层。

9.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于，结构为骨架式的圆角多边形，其圆角多边形的直径小于0.15mil。

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