CN213184332U - 一种倒装紫外发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种倒装紫外发光二极管芯片，其包括外延结构、正电极和负电极，外延结构包括自下而上设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层和P型欧姆接触层，多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层被部分去除掉以部分露出所述N型半导体材料层，剩余的P型欧姆接触层呈凹凸结构并具有多个凹区域和多个凸区域，P型欧姆接触层的多个凹区域以及露出的N型半导体材料层上设置有DBR层，位于P型欧姆接触层的多个凹区域上的DBR层上以及P型欧姆接触层的多个凸区域上设置有ITO层。其可以提高紫外发光二极管的发光亮度，并降低生产成本，且使用寿命更长。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体技术领域，涉及一种紫外发光二极管芯片，更具体地，涉及一种倒装紫外发光二极管。
背景技术
紫外发光二极管(LED)芯片有倒装和正装之分。其中，倒装是相对于正装而言的。LED正装芯片是最早出现的芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。LED正装芯片的外延层从上到下依次为P型半导体材料层、发光层、N型半导体材料层、衬底层；并且在正装结构的LED芯片中，电极位于外延层上方，这样电极就会影响发光。因此在现有技术中，提出了倒装的LED芯片结构，倒装的LED芯片的N型半导体材料在上，并且，在所述N型半导体层的下方设置有发光层、P型半导体层。通过发光层，P型半导体材料的下方还设置有电极等结构，这样就避免了电极对于紫外光线的阻挡。
现有技术中，倒装结构的紫外发光二极管的外延的结构如图1所示，其包括衬底(例如，蓝宝石衬底)，以及从所述衬底上依次外延形成的非掺杂氮化铝层/铝镓氮层、n型铝镓氮层、有源层(也就是， MQW层)、电子阻挡层(也就是，p-AlGaN层)和P型空穴传导层(也就是p-GaN层)。形成的倒装结构的紫外发光二极管芯片的结构如图2。由于此倒装芯片为背面(蓝宝石面)出光，且光萃取效率低。由于P型GaN对10-350nm以下的深紫外光具有很强的吸收，导致倒装结构的紫外LED外量子效率太低，发光亮度低。
为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的申请人发明了一种新型的倒装紫外发光二极管芯片，并申请了中国发明专利 (201910858416.X)，该新型的倒装紫外发光二极管芯片克服了现有倒装紫外发光二极管芯片的缺陷。但是，在生产和使用过程中，申请人发明该新型的倒装紫外发光二极管芯片仍然存在一定的缺陷。例如，其ITO层也会对紫外光产生较强的吸收，仍然难以达到理想的出光效果。
鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的倒装结构的紫外发光二极管芯片。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种倒装紫外发光二极管芯片，其可以提高紫外发光二极管的发光亮度，并降低生产成本，且使用寿命更长。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种倒装紫外发光二极管芯片，所述芯片包括紫外发光二极管的外延结构、正电极和负电极，所述紫外发光二极管的外延结构包括自下而上设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层和P型欧姆接触层，所述多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层被部分去除掉以部分露出所述N型半导体材料层，剩余的所述P型欧姆接触层呈凹凸结构并具有多个凹区域和多个凸区域，其特征在于，所述P型欧姆接触层的多个凹区域以及露出的所述N型半导体材料层上设置有DBR层，位于所述P型欧姆接触层的多个凹区域上的所述DBR层上以及所述P型欧姆接触层的多个凸区域上设置有 ITO层。
优选地，其中，所述ITO层以及位于露出的所述N型半导体材料层上的所述DBR层上设置有钝化保护层。
优选地，其中，所述正电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述 ITO层与所述DBR层接触、另一部分穿过所述钝化保护层和所述ITO 层与所述P型欧姆接触层的凸区域接触、再一部分穿过所述钝化保护层与所述ITO层接触；所述负电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述DBR层与所述N型半导体材料层接触、另一部分穿过所述钝化保护层与所述DBR层接触。
优选地，其中，所述DBR层为由两种不同折射率的材料以ABAB 的方式交替排列组成的周期结构。
优选地，其中，所述DBR层为由SiO2和HfO2以ABAB的方式交替排列组成的周期结构。
优选地，其中，所述衬底和所述N型半导体材料层之间还设置有缓冲层。
优选地，其中，所述缓冲层为u-AlGaN层或u-AlN层。
优选地，其中，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
优选地，其中，所述N型半导体材料层包括N型AlGaN，所述P型半导体材料层包括P型AlGaN，所述P型欧姆接触层为P型GaN层。
优选地，其中，所述钝化保护层为SiO2层。
与现有技术相比，本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片具有如下有益技术效果：
1、通过调换ITO层和DBR层的顺序并在负电极台面上设置DBR 层，减小了ITO层对紫外光的吸收，进一步提高了透光率，使得紫外发光二极管发光更亮。
2、通过调整正电极及负电极的接触面，进一步提高紫外发光二极管的发光亮度和使用寿命。
3、通过设置钝化保护层，使得其使用寿命更长，且更加安全。
附图说明
图1是现有技术的倒装紫外发光二极管芯片的外延结构图。
图2是现有技术的倒装紫外发光二极管芯片的结构图。
图3是本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的结构图。
图4是本实用新的倒装紫外发光二极管芯片在外延上形成负电极台面和正电极台面时的示意图。
图5是本实用新的倒装紫外发光二极管芯片在外延上加工凹凸结构的P型GaN层时的示意图。
图6是本实用新的倒装紫外发光二极管芯片在外延上形成DBR层时的示意图。
图7是本实用新的倒装紫外发光二极管芯片在外延上形成ITO层时的示意图。
图8是本实用新的倒装紫外发光二极管芯片在外延上形成SiO2层时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，实施例的内容不作为对本实用新型的保护范围的限制。
图3示出了本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的结构图。如图3所示，与现有技术类似，本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片，所述芯片包括紫外发光二极管的外延结构、正电极和负电极。
与现有技术类似，如图1所示，所述紫外发光二极管的外延结构包括自下而上设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层(也就是， MQW层)、P型半导体材料层和P型欧姆接触层。
优选地，所述衬底和所述N型半导体材料层之间还设置有缓冲层。
其中，其中，所述衬底优选为蓝宝石衬底，也就是Al2O3为材质的衬底。所述衬底用于在其上形成其它外延层。除了Al2O3为材质的衬底外，在本领域还可以使用SiC，Si等衬底材料，这是在不同的环境下，例如实验室环境下而进行的材料替换。
所述缓冲层形成在所述衬底下。在本实用新型中，可以采用 u-AlN/AlGaN层作为缓冲层。所述u-AlN/AlGaN层即为非掺杂的氮化铝/氮化镓铝层，其形成在衬底上，起到提升外延磊晶质量，减少外延磊晶缺陷的作用。实际上，在本实用新型中并不仅限于u-AlN/AlGaN，其他起到提升外延磊晶质量，减少外延磊晶缺陷作用的材料都可以使用。
所述N型半导体材料层3在所述u-AlN/AlGaN层下。优选地，其为n-AlGaN层。在本层中，所述AlGaN起到了负极的作用，也就是说通电后所述n-AlGaN能够形成大量的自由电子，向正极流动。
在所述N型半导体材料层上形成有多量子阱MQW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。在本实用新型中，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。
在所述多量子阱层上形成有所述P型半导体材料层，在本实用新型中，所述P型半导体材料层优选采用p-AlGaN层以便于发射紫外光线。
在所述P型半导体材料层的上表面还形成有P型欧姆接触层。在本实用新型中，以P型GaN层作为P型欧姆接触层来使用。虽然P型GaN是作为紫外半导体发光二极管中较为理想的正极的形成欧姆接触的材料，但是P型GaN会对紫外光线有过多的吸收，因此影响了紫外发光二极管的亮度，特别是在倒装的紫外发光二极管中，由于通过P层后面的金属层反射而发光，因此，相当于光线在P型GaN层有多次光路，因此P型GaN对紫外光线的吸收会显著影响自外发光二极管的亮度。为了提高紫外发光二极管的亮度不仅需要对于反射层进行改进，而且如何消减P型GaN层对于紫外光的吸收是另外一个需要重点考虑的问题。
在本实用新型中，所述多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层被部分去除掉以部分露出所述N型半导体材料层。部分露出的所述N型半导体材料层形成负电极台面，以便于安装负电极。
剩余的所述P型欧姆接触层呈凹凸结构并具有多个凹区域和多个凸区域。
其中，所述凹区域是指该区域的P型欧姆接触层的厚度小于所述P 型欧姆接触层的厚度。所述凹区域可以是凹陷，也可以是通孔。也就是说，所述凹区域的厚度可以根据具体的光线波长、各层的厚度而有所不同。因为光线通过这种交替的凹区域时会发生干涉或者是衍射现象，因此凹区域的厚度与光线的波长有关。而当需要凹区域的厚度超过了P型欧姆接触层的厚度时就需要设置通孔。
优选地，多个所述凹区域均匀设置，以便于形成均匀的光线分布。通过设置上述凹凸形状的P型欧姆接触层，实质上对于紫外光线的吸收会因此减少，从而提高了紫外线发光二极管芯片的发光亮度。
在本实用新型中，所述P型欧姆接触层的多个凹区域以及露出的所述N型半导体材料层上设置有DBR层。
所述DBR层为由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构。优选地，所述DBR层为由SiO2和HfO2以ABAB的方式交替排列组成的周期结构。因此，所述DBR层具有很强的反射效果。由DBR代替了P型GaN层传统的大区域金属镜面反射，缩小P层金属电极尺寸，降低生产成本。DBR薄膜层的材料、厚度及层数均可由不同透射波长及材料的折射率算出。
其中，位于所述P型欧姆接触层的多个凹区域上的所述DBR层上以及所述P型欧姆接触层的多个凸区域上设置有ITO层。
所述P型GaN层设置凹区域后虽然减少了对于紫外光的吸收，但是由于凹陷和通孔的存在，会带来电流不均匀的问题，因此，在本实用新型中在DBR层的上表面设置有ITO层，也就是氧化铟锡层。氧化铟锡层的主要作用为扩散电流，也就是说将电极传送来的电流均匀扩散到整个正极半导体材料的表面，这样就避免出现电流集中的情况，有利于半导体材料发光质量的稳定。ITO薄膜层的最佳厚度均可由不同透射波长及ITO折射率算出。
在本实用新型中，通过调换ITO层和DBR层的顺序并在负电极台面上设置DBR层，进一步提高了透光率，使得紫外发光二极管发光更亮。
同时，所述ITO层以及位于露出的所述N型半导体材料层上的所述DBR层上设置有钝化保护层。优选地，所述钝化保护层为SiO2层。通过设置钝化保护层，能够起到保护ITO层的作用，使得其使用寿命更长，且更加安全。
所述正电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述ITO层与所述 DBR层接触、另一部分穿过所述钝化保护层和所述ITO层与所述P型欧姆接触层的凸区域接触、再一部分穿过所述钝化保护层与所述ITO 层接触。同时，所述负电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述DBR 层与所述N型半导体材料层接触、另一部分穿过所述钝化保护层与所述DBR层接触。
在本实用新型中，通过调整正电极及负电极的接触面，进一步提高了紫外发光二极管的发光亮度和使用寿命。
下面详细描述本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的制备方法，以使得本领域技术人员更清楚、明了地理解本实用新型。本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：
一、制备本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的外延。
需要说明的是，本实用新型的倒装紫外发光二极管芯片的外延与现有技术相似，也如图1所示。因此，其制备方法与现有技术相同，也就是，在衬底(例如，蓝宝石衬底)上依次设置缓冲层(例如， u-AlGaN层或u-AlN层)、N型半导体材料层(例如，N-AlGaN层)、量子阱层(MQW层)、P型半导体材料层(例如，P-AlGaN层)和P型欧姆接触层(例如，P-GaN层)，制备成外延结构。该外延结构的制备方法与现有技术相同，因此，在此不进行详细描述。
二、制备正电极台面和负电极台面。
如图4所示，将所述外延结构的多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层部分去除掉以部分露出所述N型半导体材料层，从而形成负电极台面。剩余的所述P型欧姆接触层形成正电极台面。
其中，可以通过光刻技术及ICP刻蚀技术部分去除掉将所述外延结构的多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层从而形成所述正电极台面和负电极台面。所述光刻技术包括普通光刻技术、电子束光刻技术、纳米压印技术或全息光刻技术。
三、制备凹凸形P型欧姆接触层(例如，P-GaN层)。
通过光刻及ICP刻蚀(或者湿法刻蚀)将剩余的P型欧姆接触层刻蚀出如图5所示的凹凸形状，从而使得所述P型欧姆接触层具有多个凹区域和多个凸区域。
四、制备DBR层。
在制备DBR层时，先在步骤三处理后的外延结构上蒸镀DBR层。蒸镀DBR层完成后，通过光刻和湿法刻蚀技术将P型欧姆接触层的凸区域上的DBR层以及负电极下方的DBR刻蚀掉，留下来的作为反射镜，如图6所示。
五、制备ITO层。
在制备ITO层时，在步骤四处理后的外延结构上蒸镀ITO层。蒸镀ITO层完成后，通过光刻和湿法刻蚀技术将P型欧姆接触层的正电极区域内的ITO刻蚀，外圈的留下用来搭载正电极；并通过光刻和湿法刻蚀技术将负电极台面上的ITO层刻蚀，形成如图7所示的形状。
六、制备SiO2层。
在制备SiO2层时，在步骤五处理后的外延结构上沉积一层SiO2层。沉积了SiO2层后，通过光刻及刻蚀技术去除掉正电极下方和负电极下方的SiO2层，做出如图8所示的形状。所述SiO2层作为钝化层保护芯片。
七、制备正电极和负电极。
将正电极和负电极分别用不同金属蒸镀在步骤六处理后的外延结构的正电极位置和负电极位置处，形成如图3所示的倒装紫外发光二极管芯片。
当然，虽然在图中未示出，但是在制备了正电极和负电极之后，可以键合衬底。也就是，通过键合工艺将正电极和负电极键合在新衬底上，将蓝宝石衬底减薄，完成此芯片的制备。
本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种倒装紫外发光二极管芯片，所述芯片包括紫外发光二极管的外延结构、正电极和负电极，所述紫外发光二极管的外延结构包括自下而上设置的衬底、N型半导体材料层、多量子阱层、P型半导体材料层和P型欧姆接触层，所述多量子阱层、P型半导体材料层以及P型欧姆接触层被部分去除掉以部分露出所述N型半导体材料层，剩余的所述P型欧姆接触层呈凹凸结构并具有多个凹区域和多个凸区域，其特征在于，所述P型欧姆接触层的多个凹区域以及露出的所述N型半导体材料层上设置有DBR层，位于所述P型欧姆接触层的多个凹区域上的所述DBR层上以及所述P型欧姆接触层的多个凸区域上设置有ITO层。
2.根据权利要求1所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述ITO层以及位于露出的所述N型半导体材料层上的所述DBR层上设置有钝化保护层。
3.根据权利要求2所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述正电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述ITO层与所述DBR层接触、另一部分穿过所述钝化保护层和所述ITO层与所述P型欧姆接触层的凸区域接触、再一部分穿过所述钝化保护层与所述ITO层接触；所述负电极的一部分穿过所述钝化保护层和所述DBR层与所述N型半导体材料层接触、另一部分穿过所述钝化保护层与所述DBR层接触。
4.根据权利要求3所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述DBR层为由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构。
5.根据权利要求4所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述DBR层为由SiO2和HfO2以ABAB的方式交替排列组成的周期结构。
6.根据权利要求5所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述衬底和所述N型半导体材料层之间还设置有缓冲层。
7.根据权利要求6所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述缓冲层为u-AlGaN层或u-AlN层。
8.根据权利要求7所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
9.根据权利要求8所述的倒装紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述N型半导体材料层包括N型AlGaN，所述P型半导体材料层包括P型AlGaN，所述P型欧姆接触层为P型GaN层，所述钝化保护层为SiO2层。
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