CN102222760B - 一种深紫外半导体发光器件 - Google Patents

一种深紫外半导体发光器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深紫外半导体发光器件，它包括一带有导电通道的散热基板；一发光外延结构，依次由n型半导体层、发光层、p型半导体层构成，其有两个主表面，一侧为出光面，另一侧为非出光面；一带有微光通道的半导体覆盖层，形成在发光外延结构的非出光面一侧；一反射层形成在半导体覆盖层上；基板与反射层连接。本发明将发光外延结构连结到带导电通道的散热基板上，有效的解决其散热问题，发光外延结构的远离出光面的一侧覆盖层带有微光通道，加上反射层，发光体产生的光大部分从光学机械支持结构的一侧输出，避免了覆盖层p-GaN吸收紫外线，有效地提高了出光效率。

Description

一种深紫外半导体发光器件
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，更具体地为一种深紫外半导体发光器件，其发光波长为100nm~315nm。
背景技术
紫外线覆盖波长范围为100nm~400nm。一般，UVA的波长范围指400~315nm；UVB的波长范围指315~280nm；UVC的波长范围指280~100nm。对比荧光发光和气体放电发光，发光二极管的发光方法可更有效率。
紫外线发光二极管可以发出紫外范围的光(从100-400nm)，但是实际在365nm波长以下，发光效率非常有限。在365nm波长其发光效率在5~8%，在395nm波长接近20%，较长波段的紫外线发光效率比较好。这些紫外线发光二极管已经开始应用于紫外线固化材料,光催化净化空气器,伪钞鉴定,光线疗法,白光二极发光管和日光浴机。在目前现有技术,紫外线二极发光管光强度已经接近3000 mW/cm2 (30 kW/m2)。伴随目前先进光引发剂和树脂合成配方的发展，将扩大紫外线发光二极管应用在固化材料开发范围。同时，UVC有着杀菌紫外线，可以有效应用于消毒和杀菌，净化水,和医疗中有一系列的应用。所以提升紫外线发光二极管光通量技术发展对紫外线发光二极管未来应用领域影响重大。
通常，紫外线发光二极管具有多层不同材料结构。材料与厚度的选择影响到LED的发光波长。为提升取光效率，这些多层结构都是选择不同的化学成分组成，以促进光电载流子独立进入复合区（一般是量子阱）。在量子阱一侧掺以施子原子从而提高电子的浓度（N型层），另外一侧掺以受子原子从而提高空洞的浓度（P型层）。
紫外线发光二极管包括电子接触结构，根据不同器件的性质可选择不同电极结构连接电源,电源可通过接触结构为器件提供电流。接触结构将电流沿着器件表面注入发光区里面并转换成光。在紫外线发光二极管表面可用导电材料做成接触结构，但是这些结构会阻止光的发射从而降低光通量。
如图1所示，列出了一个现有技术的发光体芯片结构，其中包括单晶衬底120,掺杂N型半导体层101，发光层102，掺杂P型半导体层103和一覆盖层104用来制备低电阻率接触。在这些芯片结构中，表面外延覆盖层p-GaN层会吸收从发光体产生的紫外线，特别是波长在280~100nm。由于电阻高，在大电流驱动下，紫外线发光二极管的散热性不好，影响器件的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种深紫外半导体发光器件。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种深紫外半导体发光器件，包括：一带有导电通道的散热基板；一发光外延结构，依次由n型半导体层、发光层、p型半导体层构成，其有两个主表面，一侧为出光面，另一侧为非出光面；一带有微光通道的半导体覆盖层，形成在发光外延结构的非出光面一侧；一反射层形成在半导体覆盖层上；基板与反射层连接。
优选地，本发明之发光层所产生的光波长为100nm~315nm。
优选地，本发明之所述半导体覆盖层上的微光通道的面积低于覆盖层表面积的80%。
优选地，本发明之所述基板与反射层之间有一金属结构。
优选地，所述金属结构包含：欧姆金属接触层和键合层。
优选地，所述键合层由导电材料组成，材料的电阻率在1.0×10 -8 ～1.0×10  -4  Ω.m 。
优选地，所述反射层的材料选自Al，Ag，Pt或Au。
优选地，所述反射层的厚度为50～1000nm
本发明将发光外延结构连结到带导电通道的散热基板上，有效的解决其散热问题，发光外延结构的远离出光面的一侧覆盖层带有微光通道，加上反射层，发光体产生的光大部分从光学机械支持结构的一侧输出，避免了覆盖层p-GaN吸收紫外线，有效地提高了出光效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为一个现有技术的半导体发光器件的结构示意图。
图2为本发明之半导体发光器件示意图。
图3为本发明半导体发光器件的发光方向的路径示意图。
图4～图9为本发明半导体发光器件制造过程的截面示意图。
图中各标号为：发光外延结构100，n型半导体接触层101，发光层102，p半导体接触层103，p型半导体覆盖层104，微光通道105，金属结构110，金属反射层111，欧姆金属接触层112，键合层113，单晶衬底120，散热基板200，通孔201，导电通道202。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，这些均落在本发明的保护范围之内。
实施例一：
如图2所示，一种深紫外半导体发光器件，包括：散热基板200，金属结构110，反射层111，发光外延结构100。
散热基板200用于支撑发光外延结构，由导热性能好的材料构成，可为陶瓷或硅片，其上设有系列通孔201，考虑到该基板的应力承受度，其总面积最好小于基座衬底总面积的60%，在这里取40%左右。在通孔内填充导电材料形成导电通道202，用于将电流传送到发光外延结构中，用激发发光层发光。
金属结构110由欧姆金属接触层112和键合层113构成。其中键合层113由导电材料组成，材料的电阻率在1.0×10 -8  到1.0×10  -4 Ω.m之间，熔点在200℃以上；接触层112由导电材料组成，材料的电阻率在1.0×10 -8  到1.0×10  -4 Ω.m之间，其材料可以从Au，Ag，Cu，Al，Pt中选择。
金属反射层111位于金属结构110与发光外延结构100之间，与欧姆金属接触层112连接。金属反射层111的材料首选NiAu，厚度在50-1000nm之间，也可以是包括Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的一种合金制成。
发光外延结构100，包括n型半导体接触层101（如n-AlXGa1-XM），发光层102（如AlxGa1-xN/n-AlxGa1-xN，可为多量子阱或单量子阱结构），p半导体接触层103（如p-AlxGa1-xN），p型半导体覆盖层104（p-GaN）。其中，p型半导体覆盖层104设有系列微光通道105，其面积最好不超过总面积的80%。在P型层表面制备微光通道105从而增强透光量达到反射层表面，将光反射出来,有效提升发光率。为了更好地增强取光效率，可在发光侧n型半导体接触层101表面做增光处理。
如图3所示，发光器件通过基板200的导电通道202接通外部电流，发光层102在电流激发下发射光线。其中直射光直接穿过n层型101，通过表面的增光结构直接射出，反射光穿过p型半导体层覆盖层104的微光通道105，通过金属反射层111的反射，射向出光方向，进而有效减少了p型半导体层覆盖层104对紫外光的吸收，提高的出光效率。
实施例二：
本实施例为实施例一所述的深紫外半导体发光器件的制备工艺，其包含：衬底剥离方法、将发光体结构转移至带导电通路高导热基座衬底板上的制备方法及P层微光通道的制备方法。
P层微光通道可用干蚀刻或者化学湿法蚀刻实现。在两种技术中，可先利用光刻胶进行保护。利用光刻方法形成所需要的图案，然后蚀刻出所需要的图形，去除光刻胶及保护层后，在P表面先制备一层金属反射薄膜层，高反射金属材料可以是Al，Pt，Ag 等，然后制备欧姆接触金属结构。微光通道总覆盖面积在不影响P层导电性情况下，不超过总面积的80%，该P层微光通道可大大提升发光效率。
带有导电材料填充小孔的基座衬底可以用多种不同方发实现。可利用激光或者机械挖孔，然后注入导电材料，例如:金、铜和镍等。在基座衬底表面上制作共熔合金层后, 将带有导电材料填充小孔及共熔合金的基座衬底与P层上的金属层进行键合。共熔金属可以是AuSn，AgSn等共熔合金，其特性是在比较低温下基座衬底和P层金属间达到熔融状态形成无空隙的键合。
下面结合图4～图9，进行详细说明。
首先，在AlN基板120上依次外延生长n型半导体接触层101，发光层102，p层半导体接触层103，p型半导体覆盖层104。
下一步，在p型半导体覆盖层104上，利用干蚀刻方法制备微米通道105，微米通道的深度在10~500nm之间；在p型半导体覆盖层104顶面上制作反射金属层111，金属反射层材料首选NiAu，厚度在50-1000nm之间，也可以是包括Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的一种合金制成，并通过在N2气氛中高温退火达到欧姆接触特性并增强其与p型半导体覆盖层104的附着力；在上述反射金属层111上制备欧姆金属接触层112及键合层113，欧姆金属接触层的材料首选Ti/Pt/Au合金，厚度在0.5~10um之间，也可以是包括Cr、Ni、Co、Cu、Sn、Au在内的任何一种合金制成，键合层113材料首选AuSn合金，厚度在1~10um之间，也可以是包括Ag、Ni、Sn、Cu、Au等在内的任何一种合金制程。
下一步，在上述接触层112及键合层113上将晶片与带有周期性导电通路的基板200进行键合（Wafer Bonding）。工艺条件：温度在0~500℃之间，压力在0 ~ 800 kg之间，时间在0 ~ 180分钟之间。
下一步，将上述用于生长外延结构的AlN单晶衬底120进行化学研磨去除处理，通过化学研磨厚度控制，使n型半导体接触层101裸露，在n型半导体接触层101表面上制备n型欧姆接触金属层，材料优选Ti、Al、Au三种符合金属，也可以是Ti、Al、Au、Ag、Rh、Co在内的任和一种合金制成，在上述裸露的N型半导体层上制备紫外增透层；在n型欧姆接触金属层上制备n电极焊盘，材料优选TiAu，厚度在1~20um之间。
下一步，根据导电通路的基板200的间距周期，将晶圆上的单元器件逐一解离，形成芯粒。
本发明的特征和结构可参看附图的详细描述。附图数据是描述概要，不是按比例绘制。为了图形清晰，未有在每个图的标识做备注。所有专利申请，专利权以引用的方式并入本文中，包括引用的实体，如有冲突，以当前的规格和定义为参照。

Claims (9)

1.一种深紫外半导体发光器件，包括：
一带有导电通道的散热基板；
一发光外延结构，依次由n型半导体层、发光层、p型半导体层构成，其有n、p两个主表面，n侧为出光面，p侧为非出光面；
其特征在于，还包括
一带有微光通道的p型半导体覆盖层，形成在发光外延结构的非出光面一侧；
一反射层形成在所述p型半导体覆盖层上；
基板与反射层连接。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：发光层所产生的光波长位于100nm~315nm。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体覆盖层上的微光通道的面积低于覆盖层表面积的80%。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体覆盖层上的微光通道深度为10~500nm。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述基板与反射层之间有一金属结构。
6.根据权利要求5所述的半导体发光器件，其特征在于：所述金属结构包含：欧姆金属接触层和键合层。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于：所述键合层由导电材料组成，材料的电阻率在1.0×10 -8 ～1.0×10  -4  Ω.m。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述反射层的材料选自Al，Ag，Pt或Au。
9.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述反射层的厚度为50～1000nm。
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