CN108133993A - 一种紫外led垂直芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于紫外LED领域，尤其涉及一种紫外LED垂直芯片结构。本发明提供了一种紫外LED垂直芯片结构，包括：依次设置的n型电极、第一衬底、第一外延层和p型电极；所述第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层、AlN/AlGaN超晶格和n型AlGaN层；所述缓冲及成核层与所述第一衬底叠加；所述缓冲及成核层为异质结构的BN层；所述第一衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底。本发明通过在微型纳米图形化蓝宝石衬底的表面上叠加了异质结构的BN层，BN材料熔点高、热稳定性好，最大限度地从根源上提高了紫外LED外延层结构中的材料质量以及晶体横向生长的速率、降低了位错密度、有效地缓解了异质衬底与外延层的应力。
Description
技术领域
本发明属于紫外LED领域，尤其涉及一种紫外LED垂直芯片结构。
背景技术
随着LED技术的发展、输出性能的提升、生产成本的降低，与目前的紫外光源相比，LED具有使用寿命长、高效率、稳定可靠、亮度均匀以及不含有毒物质等优点，在杀菌消毒、光固化以及通用照明等领域的广泛应用，近年来也越来越受到半导体照明行业的关注。但是，目前在纳米图形化衬底模板、氮化物外延材料生长等过程中，由于外延层结构之间中存在着裂纹、晶格失配、内部残余应力，衬底和外延层之间存在着较大的晶格失配，而造成了晶体质量差等问题。
发明内容
本发明提供了一种紫外LED垂直芯片结构，用于解决现有技术中外延层结构之间中存在着裂纹、晶格失配、内部残余应力，衬底和外延层之间存在着较大的晶格失配，而造成了晶体质量差等的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种紫外LED垂直芯片结构，包括：依次设置的n型电极、第一衬底、第一外延层和p型电极；
所述第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层、AlN/AlGaN超晶格和n型AlGaN层；
所述缓冲及成核层与所述第一衬底叠加；
所述缓冲及成核层为异质结构的BN层；
所述第一衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底。
进一步的，还包括：第二外延层；
所述第二外延层包括依次叠加的量子阱有源区、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型GaN覆盖层；
所述第二外延层设置于所述第一外延层与所述p型电极之间；
所述量子阱有源区与所述n型AlGaN层叠加。
优选的，所述第二外延层设置有空隙；
所述空隙贯穿于所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述p型AlGaN层和所述p型GaN覆盖层；
所述空隙为纳米级空隙，所述纳米级空隙的宽度由所述量子阱有源区至所述p型GaN覆盖层依次变大。
进一步的，还包括：第二衬底；
所述第二衬底通过连接层设置于所述第二外延层与所述p型电极之间。
优选的，所述第二衬底朝向所述p型电极的表面叠加有导电薄膜层；
所述导电薄膜层为石墨烯层。
优选的，所述连接层和所述第二外延层之间叠加有薄膜反射层和悬空导电层；
所述薄膜反射层和所述连接层接触；
所述悬空导线层和所述p型GaN覆盖层接触。
优选的，所述第一衬底、所述缓冲及成核层和所述AlN/AlGaN超晶格设置有凹槽；
所述凹槽贯穿于所述第一衬底、所述缓冲及成核层和所述AlN/AlGaN超晶格；
所述凹槽为梯形凹槽。
优选的，所述梯形凹槽内设置有隔离层和金属栓；
所述隔离层环绕于所述金属栓。
优选的，所述n型电极和所述第一衬底之间设置有n型欧姆接触层；
所述p型电极和所述导电薄膜层之间设置有p型欧姆接触层。
优选的，所述第二衬底为微型纳米图形化硅衬底。
综上所述，本发明提供了一种紫外LED垂直芯片结构，包括：依次设置的n型电极、第一衬底、第一外延层和p型电极；所述第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层、AlN/AlGaN超晶格和n型AlGaN层；所述缓冲及成核层与所述第一衬底叠加；所述缓冲及成核层为异质结构的BN层；所述第一衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底。本发明中，通过在第一衬底的表面上叠加了异质结构的缓冲及成核层，BN材料熔点高、热稳定性好，第一衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底，最大限度地从根源上提高了紫外LED外延层结构中的材料质量以及晶体横向生长的速率、降低了位错密度、有效地缓解了异质衬底与外延层的应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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。
图1为本发明实施例中的一种紫外LED垂直芯片结构的结构示意图；
图示说明：1.第一衬底；2.缓冲及成核层；3.AlN/AlGaN超晶格；4.n型AlGaN层；5.空隙；6.量子阱有源区；7.电子阻挡层；8.p型AlGaN层；9.p型GaN覆盖层；10.悬空导电层；11.薄膜反射层；12.n型欧姆接触层；13.n型电极；14.连接层；15.第二衬底；16.导电薄膜层；17.p型欧姆接触层；18.p型电极；19.钝化层；20.金属栓；21.隔离层。
具体实施方式
本发明提供了一种紫外LED垂直芯片结构，用于解决现有技术中外延层结构之间中存在着裂纹、晶格失配、内部残余应力，异质衬底和外延层之间存在着较大的晶格失配，而造成了晶体质量差等的问题。
下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种紫外LED垂直芯片结构，包括：依次设置的n型电极13、第一衬底1、第一外延层和p型电极18；
第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层2、AlN/AlGaN超晶格3和n型AlGaN层4；
缓冲及成核层2与第一衬底1叠加；
缓冲及成核层2为异质结构的BN层；
第一衬底1为微型纳米图形化蓝宝石衬底。
本发明实施例中，通过在第一衬底1的表面上叠加了异质结构的BN层，BN材料熔点高、热稳定性好，第一衬底1为微型纳米图形化蓝宝石衬底，最大限度地从根源上提高了紫外LED外延层结构中的材料质量以及晶体横向生长的速率、降低了位错密度、有效地缓解了第一衬底1与第一外延层的应力。并且，通过设置BN缓冲层，避免了后期垂直倒装结构深紫外LED封装过程中LED外延结构中的蓝宝石衬底及缓冲层难剥离的障碍，甚至还减弱了在剥离过程中可能出现的损伤等危害。
本发明实施例中，AlN/AlGaN超晶格3的厚度为0.8～1.4μm；n型AlGaN层4为重掺杂n型AlGaN层，厚度为2μm。其中，AlN/AlGaN超晶格3为多周期相互间隔分布结构，设置了20个周期。其中，每个周期中的AlN/AlGaN超晶格3中包含大约20～35nm厚的AlN层和20～35nm厚的AlGaN层。
进一步的，还包括：第二外延层；
第二外延层包括依次叠加的量子阱有源区6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8和p型GaN覆盖层9；
第二外延层设置于第一外延层与p型电极18之间；
量子阱有源区6与n型AlGaN层4叠加。
本发明实施例中，第二外延层设置有空隙5；
空隙5贯穿于量子阱有源区6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8和p型GaN覆盖层9；
空隙5为纳米级空隙，纳米级空隙的宽度由量子阱有源区6至p型GaN覆盖层9依次变大。
本发明实施例中，n型AlGaN层4的表面设置有第二外延层，电子阻挡层为p型AlGaN层，间隙5的数量为三个或三个以上，形成微型纳米柱阵列。间隙5中进入空气，形成空气间隙。具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层依次包括：约62.5nm厚的量子阱有源区6、约60nm厚的电子阻挡层7，约10nm厚的p型AlGaN层8和约100nm厚的p型GaN覆盖层9。本发明通过设置含有空气间隙的倾斜的微型纳米柱阵列，使得微型纳米柱阵列中的有源区之间被空气相互贯通，进而利用这两种界面之间的全反射以及倾斜界面的光线散射效应，来增强深紫外LED的出光效率。n型AlGaN层4的表面为粗化表面，进一步增强了具有微型纳米柱的LED第二外延层结构在竖直方向上n型AlGaN层4界面处的反光效率，使得LED外延芯片的出光效率增大，提高了LED的光输出强度。
本发明实施例中，量子阱有源区6为AlGaN/AlGaN量子阱有源区，AlGaN/AlGaN量子阱有源区有5个周期，每个周期的量子阱层中包含了约为10nm厚的AlGaN阱层和2.5nm厚的AlGaN势垒层。p型AlGaN层8选用的是高铝摩尔组分的AlGaN材质，由于p型AlGaN层8的晶格常数比电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9都要大，但其禁带宽度却比电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9都要小，有效地调节了p型AlGaN层8区域中空穴的能量，提高了LED的内量子效率。其中，电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9还充当了p型区域中的材料传输层的作用。
进一步的，还包括：第二衬底15；
第二衬底15通过连接层14设置于第二外延层与p型电极18之间。
连接层14将第一外延层和第二衬底15相互粘结起来，形成电气连接。
本发明实施例中，第二衬底15朝向p型电极18的表面叠加有导电薄膜层16；
导电薄膜层16为石墨烯层。
导电薄膜层16为石墨烯层，石墨烯材料导电性好、散热效果优越的，导电薄膜层16的表面上设置了外部的p型电极18。本发明实施例石墨烯层较好地改善了深紫外LED外延层结构中的材料质量。
本发明实施例中，连接层14和第二外延层之间叠加有薄膜反射层11和悬空导电层10；
薄膜反射层11和连接层14接触；
悬空导电层10和p型GaN覆盖层9接触。
本发明实施例中，悬空导电层10的厚度约50nm；薄膜反射层11的厚度约50nm。
本发明实施例中，悬空导电层10选用的是导电性好的氧化铟锡材料，厚度优选为50nm。薄膜反射层11的厚度优化为50nm，且表面为粗化，薄膜反射层11采用金属铝材质，增强了光线的反射效果，以及提高了LED芯片的出光量。此时同时，位于具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层顶部的电极区域，由悬空导电层10和薄膜反射层11所共同组成的结构，较好地充当了将外部电极结构与内部外延层结构相互连接的一种起桥梁作用的中间接触层媒介。
本发明实施例第二外延层具有空气间隙的倾斜的微型纳米柱阵列，确保了相邻的倾斜的微型纳米柱阵列之间相互被空气所贯穿，同时还使得悬空导电层10悬空设置在了竖直方向上的微型纳米柱阵列的表面上。一方面，由于微型纳米柱中的有源区为深紫外LED的发光区域，进而利用位于倾斜纳米柱阵列中的有源区和外界空气这两种界面之间的全反射以及倾斜界面处的光线散射效应，增强LED的出光效率。另一方面，由于量子阱有源区6也是LED芯片中的主要发热源，通过设置这种含有空气间隙的微型纳米柱LED外延层结构，还可以使得发热源与外界空气之间的热扩散路径缩短，LED芯片热扩散加快，保护了芯片因过热而失效。
第二衬底15和第二外延层倒扣于第一外延层上，第一外延层和第二外延层电气连接、键合。
本发明实施例中，第一衬底1、缓冲及成核层2和AlN/AlGaN超晶格3设置有凹槽；
凹槽贯穿于第一衬底1、缓冲及成核层2和AlN/AlGaN超晶格3；
凹槽为梯形凹槽。
本发明实施例中，梯形凹槽内设置有隔离层21和金属栓20；
隔离层21环绕于金属栓20。
本发明实施例中，梯形凹槽的数量为多个，多个梯形凹槽的设置使得电流扩展更快。梯形凹槽内设置有隔离层21和金属栓20，隔离层21环绕于金属栓20形成了与外部接触电极的电气连接，缩短了深紫外LED芯片中发热源与外界之间的传热路径，散热效率更高，以及提高了LED的可靠性。
本发明实施例中，n型电极13和第一衬底1之间设置有n型欧姆接触层12；
p型电极18和导电薄膜层16之间设置有p型欧姆接触层17。
本发明实施例中，深紫外LED外延片结构中的台面、外延层结构的侧壁以及外部电极表面均经过了钝化处理，防止了外界环境对LED芯片的腐蚀，减小了台面和台阶侧壁处漏电流对LED芯片的影响，同时，还通过设置梯形形状的金属栓结构，均直接有效地改进了LED外延片中量子阱有源区6的电流扩展问题，缓解了电流堆积效应，提高了LED器件的光输出功率。类似地，对内部接触电极的表面也进行钝化处理，形成包裹内部接触电极的环形柱状的隔离层结构，防止了内部接触电极结构的侧壁表面与芯片内部接触层之间直接形成电流回路而造成短路。其中，隔离层的厚度均优化为大约10nm。
本发明实施例中，第二衬底15为微型纳米图形化硅衬底。
微型纳米图形化硅衬底为导电性好的硅衬底，硅衬底为p型硅衬底或者本征的硅衬底，同时，微型纳米图形化硅衬底表面具有微型纳米孔图形，有效地缓解了LED第二外延层结构之间的应力。
本发明实施例紫外LED垂直芯片结构能够使紫外LED垂直芯片具有尺寸合适、晶体质量好、光提取效率高、散热性好以及高效可靠等优点。
本发明实施例中，硅衬底外延层结构倒置并通过中部的键合，倒置后的硅衬底外延层结构直接倒扣在蓝宝石衬底紫外LED外延层结构上，两种外延层结构电气连接。同时，键合后的LED外延芯片的内部电极和外部电极为蒸镀处理，在两端处分别设置了多个外部的p型电极18和n型电极13，进而形成了一种LED外延芯片垂直倒装结构。
本发明实施例中，第一衬底1、缓冲及成核层2和AlN/AlGaN超晶格3设置有凹槽，其中，凹槽的数量为两个或两个以上，并且凹槽等间距设置，凹槽结构的形状设置为梯形结构，有效的缓解了电极处大电流密度的注入而引起的冲击损害。
需要说明的是，本发明实施例紫外LED垂直芯片结构还设置有钝化层19，钝化层19上露出p型电极18和n型电极13。
以上对本发明实施例中的一种紫外LED垂直芯片结构的一个实施例进行了详细的描述，以下将对本发明实施例中的一种紫外LED垂直芯片结构的一个制备实施例进行详细的描述。
一种紫外LED垂直芯片结构，包括：依次设置的n型电极13、第一衬底1、第一外延层和p型电极18；
第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层2、AlN/AlGaN超晶格3和n型AlGaN层4；
缓冲及成核层2与第一衬底1叠加；
缓冲及成核层2为异质结构的BN层；
第一衬底1为微型纳米图形化蓝宝石衬底。
本发明实施例中，通过在第一衬底1的表面上叠加了异质结构的BN层，BN材料熔点高、热稳定性好，第一衬底1为微型纳米图形化蓝宝石衬底，最大限度地从根源上提高了紫外LED外延层结构中的材料质量以及晶体横向生长的速率、降低了位错密度、有效地缓解了第一衬底1与第一外延层的应力。并且，通过设置BN缓冲层，避免了后期垂直倒装结构深紫外LED封装过程中LED外延结构中的蓝宝石衬底及缓冲层难剥离的障碍，甚至还减弱了在剥离过程中可能出现的损伤等危害。
本发明实施例中，在进行LED第一外延层结构的生长之前，在传统的实验条件下，采用电子回旋共振等离子体溅射设备，选择在第一衬底1上先制备出缓冲层结构。缓冲层选用厚度约为10nm的异质结构的AlN材料，进而取代了传统的低温条件下所制备的u型GaN缓冲层，本发明实施例通过选用以上这两种制备工艺，设置纳米图形蓝宝石衬底，同时还选用高熔点、热稳定性好的BN材料来作为缓冲层，均有效地缓解了LED外延层结构之间的应力，直接提高了晶体横向生长的速率以及降低了位错密度。
本发明实施例通过采用MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备或MOVPE(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，气相外延VPE)设备，基于BN缓冲层的表面上继续依次外延了0.8～1.4μm厚的AlN/AlGaN超晶格3和约2μm厚的重掺杂n型AlGaN层4。其中，AlN/AlGaN超晶格3为多周期相互间隔分布结构，设置了20个周期。其中，每个周期中的AlN/AlGaN超晶格3中包含大约20～35nm厚的AlN层和20～35nm厚的AlGaN层。同时，本发明采用传统工艺，将反应设备里面的温度迅速升高到1080～1200℃并维持稳定后，在AlN/AlGaN超晶格结构的表面上外延了n型AlGaN层4，并确保n型AlGaN层4的厚度大体保持在2μm左右。
进一步的，还包括：第二外延层；
第二外延层包括依次叠加的量子阱有源区6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8和p型GaN覆盖层9；
第二外延层设置于第一外延层与p型电极18之间；
量子阱有源区6与n型AlGaN层4叠加。
本发明实施例中，第二外延层设置有空隙5；
空隙5贯穿于量子阱有源区6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8和p型GaN覆盖层9；
空隙5为纳米级空隙，纳米级空隙的宽度由量子阱有源区6至p型GaN覆盖层9依次变大。
本发明实施例在n型AlGaN层4的表面上继续二次外延，以及通过结合光刻、干法刻蚀以及湿法腐蚀等技术，最终形成了一种含有空气间隙的微型纳米柱阵列。需要说明的是，空隙5的数量为三个或三个以上。具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层依次包括：约62.5nm厚的量子阱有源区6、约60nm厚的电子阻挡层7，约10nm厚的p型AlGaN层8和约100nm厚的p型GaN覆盖层9。本发明通过设置含有空气间隙的倾斜的微型纳米柱阵列，使得微型纳米柱阵列中的有源区之间被空气相互贯通，进而利用这两种界面之间的全反射以及倾斜界面的光线散射效应，来增强深紫外LED的出光效率。
进一步的，还包括：第二衬底15；
第二衬底15通过连接层14设置于第二外延层与p型电极18之间。
连接层14将第一外延层和第二衬底15相互粘结起来，形成电气连接。
本发明实施例中，第二衬底15朝向p型电极18的表面叠加有导电薄膜层16；
导电薄膜层16为石墨烯层。
本发明实施例中，连接层14和第二外延层之间叠加有薄膜反射层11和悬空导电层10；
薄膜反射层11和连接层14接触；
悬空导电层10和p型GaN覆盖层9接触。
本发明实施例中，在微型纳米柱阵列的顶部依次制备了约50nm厚的悬空导电层10和约50nm厚的薄膜反射层11。
本发明实施例中，具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层的制备过程如下：在n型AlGaN层的表面上均匀沉积一种具有特定厚度的掩蔽层，掩蔽层选用SiO2或金属镍或Si3N4材料；采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)设备，在SiO2掩蔽层上沉积一种均匀的、单层的聚苯乙烯球状颗粒，使得SiO2掩蔽层与聚苯乙烯球之间形成点接触；对以上结构进行加热预处理，同时再结合ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)刻蚀技术，使得聚苯乙烯球逐渐熔化塌陷、变小，使得SiO2掩蔽层与聚苯乙烯小球之间形成面接触、并增强粘结效果，以及使得相邻的聚苯乙烯小球之间暴露出部分掩蔽层；进行金属蒸镀处理，使得聚苯乙烯小球和所暴露出来的SiO2掩蔽层的表面上均沉积有金属薄膜层，形成金属掩膜结构；再采用甲苯超声处理，只除去聚苯乙烯小球上所蒸镀的金属薄膜层，而确保相邻的聚苯乙烯小球之间仍然存在一定厚度的金属掩膜结构；再次进行加热处理，以彻底除去顶部的聚苯乙烯小球，而完全暴露出相互间隔排列的金属掩膜结构；采用刻蚀工艺对SiO2掩蔽层进行垂直倒装方向上的刻蚀处理，使得没有被金属掩膜覆盖的SiO2掩蔽层被完全刻蚀掉，而被金属掩膜保护的SiO2掩蔽层仍然存在，形成一种顶部还具有金属掩膜所覆盖的SiO2纳米柱阵列结构；采用酸液腐蚀处理，去除SiO2纳米柱阵列结构中顶部所覆盖的的金属掩膜；采用MOCVD设备继续进行二次外延，在相邻的SiO2纳米柱阵列之间依次生长多量子阱有源区6、电子阻挡层7、p型AlGaN层8和p型GaN覆盖层9，并使得其总厚度与SiO2掩蔽层的厚度大体一致；在具有微型纳米柱阵列的第二外延层结构的顶部依次沉积悬空导电层10、薄膜反射层11，悬空导电层可选用ITO或者TCL等材料；对以上LED第二外延层结构采用BOE溶液超声处理，腐蚀掉SiO2掩蔽层。
本发明实施例在高温条件下制备n型AlGaN层4的过程中，考虑到芯片材料存在着对光线的反射和吸收，还通过结合第一外延层结构表面减薄处理的同时，对n型AlGaN层4的表面进行粗化处理，直接增强了微型纳米柱LED第二外延层结构中在竖直方向上n型AlGaN层4界面处的反光效率，使得LED外延芯片的出光效率增大，提高了LED的光输出强度。
本发明实施例中，空隙5的制备包括光刻、第二外延层刻蚀、电极制备、钝化处理以及减薄裂片、划片等过程。
本发明实施例中，具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层的制备过程中，将MOCVD反应设备中的温度缓慢地降低到750℃，进而在n型AlGaN层4的表面上外延5个周期的AlGaN/AlGaN量子阱有源区。其中，每个周期的量子阱层中包含了约为10nm厚的AlGaN阱层和2.5nm厚的AlGaN势垒层。紧接着，还在量子阱有源区6的表面，继续依次外延电子阻挡层7和p型AlGaN层8。接着，将反应设备里面的生长温度缓慢地降低，在p型AlGaN层8的表面上外延p型GaN覆盖层9。具体地，p型AlGaN层8选用的是高铝摩尔组分的AlGaN材质，由于p型AlGaN层8的晶格常数比电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9都要大，但其禁带宽度却比电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9都要小，有效地调节了p型AlGaN层8区域中空穴的能量，提高了LED的内量子效率。其中，电子阻挡层7和p型GaN覆盖层9还充当了p型区域中的材料传输层的作用。
本发明实施例中，具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层的制备过程中，在p型GaN覆盖层9的表面上依次均匀沉积了悬空导电层10和薄膜反射层11，其中，悬空导电层10选用的是导电性好的氧化铟锡材料，厚度优选为50nm。在生长悬空导电层10的过程中，采用不同温度梯度下的多次退火工艺处理，增强了外延材料和异质结构之间的粘结强度，降低了内部接触电阻。薄膜反射层11的厚度优化为50nm，且进行了表面粗化等特殊工艺处理，薄膜反射层11采用金属铝材质，增强了光线的反射效果，以及提高了LED芯片的出光量。此时同时，位于具有微型纳米柱阵列结构的第二外延层顶部的电极区域，由悬空导电层10和薄膜反射层11所共同组成的结构，较好地充当了将外部电极结构与内部外延层结构相互连接的一种起桥梁作用的中间接触层媒介。
本发明实施例通过对第二外延层采用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)超声处理，腐蚀掉SiO2掩蔽层，进而形成具有空气间隙的倾斜的微型纳米柱阵列的第二外延层，确保了相邻的倾斜的微型纳米柱阵列之间相互被空气所贯穿，同时还使得悬空导电层10悬空设置在了竖直方向上的微型纳米柱阵列的表面上。一方面，由于微型纳米柱中的有源区为深紫外LED的发光区域，进而利用位于倾斜纳米柱阵列中的有源区和外界空气这两种界面之间的全反射以及倾斜界面处的光线散射效应，增强LED的出光效率。另一方面，由于量子阱有源区6也是LED芯片中的主要发热源，通过设置这种含有空气间隙的微型纳米柱LED外延层结构，还可以使得发热源与外界空气之间的热扩散路径缩短，LED芯片热扩散加快，保护了芯片因过热而失效。
第二衬底15和第二外延层倒扣于第一外延层上，第一外延层和第二外延层电气连接、键合。
本发明实施例中，第一衬底1、缓冲及成核层2和AlN/AlGaN超晶格3设置有凹槽；
凹槽贯穿于第一衬底1、缓冲及成核层2和AlN/AlGaN超晶格3；
凹槽为梯形凹槽。
本发明实施例中，梯形凹槽内设置有隔离层21和金属栓20；
隔离层21环绕于金属栓20。
本发明实施例中，n型电极13和第一衬底1之间设置有n型欧姆接触层12；
p型电极18和导电薄膜层16之间设置有p型欧姆接触层17。
本发明实施例中，第二衬底15的一表面上生长了导电薄膜层16，导电薄膜层16选用导电性好、散热效果优越的石墨烯材料，并继续在导电薄膜层16的表面上设置了外部的p型电极18。具体的，本发明实施例通过对第二衬底15进行前期的清洗等预处理，以除去第二衬底15表面的污染物。接着，在第二衬底15的一表面，采用MOCVD设备、镀膜机或者磁控溅射设备进行导电薄膜层16的沉积处理，铺设单层的石墨烯薄膜层；以及在第二衬底15一侧的p型欧姆接触层17表面上还继续设置有电极接触层结构，形成外部的p型电极18。本发明实施例通过额外地设置以上石墨烯层，较好地改善了深紫外LED外延层结构中的材料质量。
本发明实施例中，第一衬底1为微型纳米图形化蓝宝石衬底；
第二衬底15为微型纳米图形化硅衬底。
第一衬底1选用的是c面的蓝宝石衬底，通过对蓝宝石衬底进清洗、高温烘烤等预处理，以除去第一衬底1表面的污染物。同时，采用掩膜、光刻等工艺，制备出表面具有微型纳米孔图形的蓝宝石衬底结构。
本发明实施例中，微型纳米图形化硅衬底选用的是导电性好的硅衬底，采用标准的半导体硅制备工艺的同时，再结合杂质扩散、掺杂等工艺及其离子注入法，将硅衬底设置为p型硅衬底或者本征的硅衬底，同时，还采用掩膜、光刻等工艺，制备出表面具有微型纳米孔图形硅衬底，有效地缓解了LED外延层结构之间的应力。
本发明实施例首先通过将已经制备好的硅衬底外延层结构倒置过来，接着通过中部的键合，将倒置后的硅衬底外延层结构直接倒扣在蓝宝石衬底紫外LED外延层结构上，进而完成以上两种外延层结构的电气连接过程。同时，通过对键合后的LED外延芯片进行内部电极和外部电极的蒸镀处理，最终在两端处分别设置了多个外部的p型电极和n型电极，进而形成一种LED外延芯片垂直倒装结构。
本发明实施例中，通过采用光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺，从底部的蓝宝石衬底开始对第一外延层结构进行刻蚀或镂空处理，形成一道倾斜的凹槽结构，来进行内部的n型电极接触结构的制备。其中，等间距的设置2处倾斜的凹槽结构，其刻蚀深度从顶部的蓝宝石衬底开始由下往上刻蚀直到暴露出n型AlGaN层4为止。通过严格控制刻蚀过程中的刻蚀速率，确保了只对蓝宝石衬底和缓冲层区域进行完全刻蚀，优选的，对n型AlGaN层4不刻蚀或者部分刻蚀处理，减少了深刻蚀过程对外延芯片中发光区域的损害，提高了LED外延芯片的光输出强度；同时，凹槽结构的形状设置为梯形结构，有效的缓解了电极处大电流密度的注入而引起的冲击损害。
本发明实施例在制备内部电极接触结构的过程中，还通过首先对倾斜的凹槽结构的内壁进行环形钝化、绝缘处理，往凹槽结构里面先填充绝缘介质材料进而形成一种隔离层结构；然后再往里面填充金属或合金材料，构成相应的内部接触电极，形成一种倾斜的金属栓结构。接着，在欧姆接触层上设置与内部接触电极相对应的外部电极，而设置的多个外部电极的另一端则与外部基板散热器结构中的金属布线层相连接。其中，在进行外部电极的沉积、蒸镀时，通过采用表面薄膜图形化处理技术将外部的p型电极18和n型电极13进行粗化处理，并优化其欧姆接触的方式与结合强度，再结合透明电极制备技术以及优化电极处的面接触材料类型，进而选用导热导电性好的Au/Sn合金作为电极接触材料，及时有效地将深紫外LED外延片内部的热量传递到外部，进而增大了接触电极的有效面积，降低了接触电阻，使得电流分布更均匀、电流扩展更有效。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，包括：依次设置的n型电极、第一衬底、第一外延层和p型电极；
所述第一外延层包括依次叠加的缓冲及成核层、AlN/AlGaN超晶格和n型AlGaN层；
所述缓冲及成核层与所述第一衬底叠加；
所述缓冲及成核层为异质结构的BN层；
所述第一衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，还包括：第二外延层；
所述第二外延层包括依次叠加的量子阱有源区、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型GaN覆盖层；
所述第二外延层设置于所述第一外延层与所述p型电极之间；
所述量子阱有源区与所述n型AlGaN层叠加。
3.根据权利要求2所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述第二外延层设置有空隙；
所述空隙贯穿于所述量子阱有源区、所述电子阻挡层、所述p型AlGaN层和所述p型GaN覆盖层；
所述空隙为纳米级空隙，所述纳米级空隙的宽度由所述量子阱有源区至所述p型GaN覆盖层依次变大。
4.根据权利要求2所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，还包括：第二衬底；
所述第二衬底通过连接层设置于所述第二外延层与所述p型电极之间。
5.根据权利要求4所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述第二衬底朝向所述p型电极的表面叠加有导电薄膜层；
所述导电薄膜层为石墨烯层。
6.根据权利要求4所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述连接层和所述第二外延层之间叠加有薄膜反射层和悬空导电层；
所述薄膜反射层和所述连接层接触；
所述悬空导线层和所述p型GaN覆盖层接触。
7.根据权利要求1所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述第一衬底、所述缓冲及成核层和所述AlN/AlGaN超晶格设置有凹槽；
所述凹槽贯穿于所述第一衬底、所述缓冲及成核层和所述AlN/AlGaN超晶格；
所述凹槽为梯形凹槽。
8.根据权利要求7所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述梯形凹槽内设置有隔离层和金属栓；
所述隔离层环绕于所述金属栓。
9.根据权利要求5所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述n型电极和所述第一衬底之间设置有n型欧姆接触层；
所述p型电极和所述导电薄膜层之间设置有p型欧姆接触层。
10.根据权利要求4所述的紫外LED垂直芯片结构，其特征在于，所述第二衬底为微型纳米图形化硅衬底。
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