CN111192945A - 一种紫外led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外LED芯片及其制作方法，所述芯片包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层，其特征在于，所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于外延层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5～20nm，所述AzO层的厚度为150～500nm。本发明的透明导电层通过ITO层和AzO层的相互配合，有效提高芯片的出光效率和降低电压。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管，英文单词的缩写LED，主要含义：LED＝Light Emitting Diode，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，作为照明器件，相对传统照明器件，发光二极管有相当大优势——寿命长、光效高、无辐射、低功耗、绿色环保。目前LED主要用于显示屏、指示灯、背光源等领域。
为了减少蓝光的公害，紫光的应用是健康照明的重要一环。但是现有LED制程所使用的材质，对于紫光的具有很强的吸收，严重影响紫外LED芯片的出光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紫外LED芯片，电压低、亮度高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种紫外LED芯片的制作方法，芯片电压低、亮度高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层，所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于外延层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5～20nm，所述AzO层的厚度为150～500nm。
作为上述方案的改进，所述ITO层的厚度为10～20nm，所述AzO层的厚度为200～300nm。
作为上述方案的改进，所述保护层由能阶大于6.4ev的透明材料制成。
作为上述方案的改进，所述保护层由氮化硼制成，所述保护层的厚度为10～300nm。
作为上述方案的改进，所述外延层包括依次设于衬底上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述电极结构包括第一电极和第二电极，所述ITO层设置在第二半导体层上，所述第二电极设置在AzO层上，所述第一电极设置在第一半导体层上。
作为上述方案的改进，所述第二电极贯穿所述透明导电层，同时设置在AzO层和第二半导体层上。
相应地，本发明还提供了一种紫外LED芯片的制作方法，包括：
在衬底上形成外延层；
在外延层上形成透明导电层，所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于外延层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5～20nm，所述AzO层的厚度为150～500nm；
在外延层和透明导电层上形成保护层；
形成电极结构。
作为上述方案的改进，所述透明导电层的制作方法包括：
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为280～320℃，氧流量25～40sccm，压力3*10-5～8*10-4torr的条件下，在外延层上形成ITO层；
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为290～330℃，氧流量25～30sccm，压力2*10-5～9*10-4torr的条件下，在ITO层上形成AzO层。
作为上述方案的改进，所述保护层由能阶大于6.4ev的透明材料制成，所述保护层的厚度为10～300nm。
作为上述方案的改进，所述保护层的制作方法包括：
采用PECVD工艺，在温度为200～300℃、压力为200～500torr的条件下，通入TMB甲基硼与N2O，其中，TMB甲基硼与N2O的通入量比为1:3。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明的透明导电层采用ITO层作为底层与第二半导体层结合，能够形成良好的欧姆接触且有效提高芯片的电流扩展能力，本发明的透明导电层采用AzO层作为上层设置在ITO层上，可以弥补减薄ITO层所产生的不良影响，有效提高芯片的电流扩展能力，降低正向电压。
本发明的透明导电层通过ITO层和AzO层的相互配合，有效提高芯片的出光效率和降低电压。若透明导电层只有ITO层，则难以同时兼顾芯片亮度和电压的性能；若透明导电层只有AzO层，由于AzO层与第二半导体层不能形成良好的欧姆接触，因此难以单独起到电流扩展的作用。
本发明采用能阶大于6.4ev的透明材料制成的保护层覆盖在透明导电层和外延层上，用于保护透明导电层，延长透明导电层的老化时间，增加芯片的可靠性。
附图说明
图1是紫外LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种紫外LED芯片，包括衬底10、设于衬底10上的外延层20、设于外延层20上的透明导电层30和电极结构、以及覆盖在透明导电层30和外延层20上的保护层40。
本发明的衬底10为蓝宝石衬底，厚度为100～250nm。本发明的外延层20包括依次设于衬底10上的第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23。所述外延层20还包括裸露区域，所述裸露区域从第二半导体层23刻蚀至第一半导体层21。
本发明的第一半导体层21为N型GaN层，有源层22为多量子阱层，第二半导体层23为P型GaN层。
本发明的透明导电层30包括ITO层31和AzO层32，所述ITO层31设于第二半导体层23和AzO层32之间，所述ITO层31的厚度小于AzO层32的厚度。
现有紫外LED芯片的透明导电层30为单层ITO层31结构，为了减少ITO层31对于紫光的全反射，目前常用的手段是减薄ITO层31的厚度，将其厚度降到60nm以下，从而提高芯片的出光效率。然而，减薄ITO层31会导致电流扩展效应变差，也会提高正向电压，从而降低紫外LED芯片的性能。
本发明的透明导电层30采用ITO层31作为底层与第二半导体层23结合，能够形成良好的欧姆接触且有效提高芯片的电流扩展能力。由于ITO层31会吸收有源层22发出的光线，且ITO层31的厚度过大时，会对紫光进行全反射，因此，本发明ITO层31的厚度为5～20nm。若ITO层31的厚度小于5nm，则厚度太薄，难以形成膜层；若ITO层31的厚度大于20nm，则厚度太厚，会吸收有源层22发出的光，降低芯片的出光效率。更优的，ITO层31的厚度为8～15nm。
本发明的透明导电层30采用AzO层32作为上层设置在ITO层31上，可以弥补减薄ITO层31所产生的不良影响，有效提高芯片的电流扩展能力，降低正向电压。此外，与ITO层31相比，AzO层32不会吸收紫光。优选的，AzO层32的厚度为150～500nm。若AzO层32的厚度小于100nm，则厚度太薄，无法起到电流扩展的作用；若AzO层32的厚度大于500nm，则厚度太厚，会吸收有源层22发出的光，降低芯片的出光效率。更优的，AzO层32的厚度为200～400nm。
本发明的透明导电层30通过ITO层31和AzO层32的相互配合，有效提高芯片的出光效率和降低电压。若透明导电层30只有ITO层31，则难以同时兼顾芯片亮度和电压的性能；若透明导电层30只有AzO层32，由于AzO层32与第二半导体层23不能形成良好的欧姆接触，因此难以单独起到电流扩展的作用。
优选的，所述ITO层31的厚度为10～20nm，所述AzO层32的厚度为200～300nm。
所述保护层40覆盖在透明导电层30和外延层20上，用于保护透明导电层30，延长透明导电层30的老化时间，增加芯片的可靠性。
需要说明的是，波长＝(H谱朗克常数*光速)/Ev能阶，因此能阶高材料不会吸收能阶低的材料发出的光。一般GaN的能阶为2.3ev，AlN的能阶为6.3ev，由于紫外LED芯片的外延层20中铝含量较多，为了提高芯片的出光效率，保护层40的能阶需要大于外延层20的能阶。因此本发明的保护层40由能阶大于6.4ev的透明材料制成。优选的，所述保护层40由氮化硼制成。
优选的，所述保护层40的厚度为10～300nm。若保护层40的厚度小于10nm，则厚度太薄，起不到保护的作用；若保护层40的厚度大于300nm，则厚度太大，会吸光。
所述电极结构包括第一电极51和第二电极52。所述第一电极51贯穿所述保护层40设置在裸露区域的第一半导体层21上，所述第二电极52贯穿所述保护层40设置在透明导电层30上。
为了进一步提高芯片的电流扩展性能，所述第二电极52部分贯穿ITO层31与第二半导体层23连接。
相应地，本发明还提供了一种紫外LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
一、在衬底上形成外延层；
采用MOCVD工艺依次在衬底上形成第一半导体层、有源层和第二半导体层。具体的，本发明的第一半导体层为N型GaN层，有源层为多量子阱层，第二半导体层为P型GaN层。
对第二半导体层进行刻蚀，刻蚀至第一半导体层形成裸露区域。
二、在外延层上形成透明导电层；
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为280～320℃，氧流量25～40sccm，压力3*10-5～8*10-4torr的条件下，在外延层上形成ITO层。
由于ITO层会吸收有源层发出的光线，且ITO层的厚度过大时，会对紫光进行全反射，因此，本发明ITO层的厚度为5～20nm。若ITO层的厚度小于5nm，则厚度太薄，难以形成膜层；若ITO层的厚度大于20nm，则厚度太厚，会吸收有源层发出的光，降低芯片的出光效率。更优的，ITO层的厚度为8～15nm。
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为290～330℃，氧流量25～30sccm，压力2*10-5～9*10-4torr的条件下，在ITO层上形成AzO层。
本发明的透明导电层采用AzO层作为上层设置在ITO层上，可以弥补减薄ITO层所产生的不良影响，有效提高芯片的电流扩展能力，降低正向电压。此外，与ITO层相比，AzO层不会吸收紫光。优选的，AzO层的厚度为100～500nm。若AzO层的厚度小于100nm，则厚度太薄，无法起到电流扩展的作用；若AzO层的厚度大于500nm，则厚度太厚，会吸收有源层发出的光，降低芯片的出光效率。更优的，AzO层的厚度为200～400nm。
本发明的透明导电层通过ITO层和AzO层的相互配合，有效提高芯片的出光效率和降低电压。若透明导电层只有ITO层，则难以同时兼顾芯片亮度和电压的性能；若透明导电层只有AzO层，由于AzO层与第二半导体层不能形成良好的欧姆接触，因此难以单独起到电流扩展的作用。
需要说明的是，透明导电层完成后，为了使透明导电层跟第二半导体层合金更好，且让透明导电层氧化得更完全，本发明需要对透明导电层进行退火，其中，退火温度为500～560℃，退火时间为10～30min。
三、在外延层和透明导电层上形成保护层；
采用PECVD、蒸镀或溅射工艺，在外延层和透明导电层上形成保护层。
优选的，采用PECVD工艺，在温度为200～300℃、压力为200～500torr的条件下，通入TMB甲基硼与N2O，其中，TMB甲基硼与N2O的通入量比为1:3。优选的，TMB甲基硼的通入量为5～15sccm，N2O的通入量为15～45sccm。
四、形成电极结构；
所述电极结构包括第一电极和第二电极。所述第一电极贯穿所述保护层设置在裸露区域的第一半导体层上，所述第二电极贯穿所述保护层设置在透明导电层上。
为了进一步提高芯片的电流扩展性能，所述第二电极部分贯穿ITO层与第二半导体层连接。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5nm，所述AzO层的厚度为100nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为20nm。
实施例2
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为10nm，所述AzO层的厚度为150nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为50nm。
实施例3
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为15nm，所述AzO层的厚度为200nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为50nm。
实施例4
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为20nm，所述AzO层的厚度为300nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为100nm。
实施例5
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为20nm，所述AzO层的厚度为400nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为200nm。
实施例6
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为40nm，所述AzO层的厚度为500nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为200nm。
实施例7
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于第二半导体层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为40nm，所述AzO层的厚度为600nm，所述保护层由氮化硼制成，厚度为200nm。
对比例1
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层为ITO层，所述ITO层的厚度为40nm，所述保护层由二氧化硅制成，厚度为200nm。
对比例2
一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层。
所述透明导电层为ITO层，所述ITO层的厚度为100nm，所述保护层由二氧化硅制成，厚度为200nm。
将实施例1～7和对比例1和2的芯片进行测试，芯片的尺寸为10mil*30mil，驱动电流为150mA，结果如下：
由上表可知，若ITO层的厚度过小，不仅导致芯片的电变压高，还会影响芯片的亮度。若ITO层的厚度和AzO层的厚度过大，虽然能降低电压，但亮度也会降低。只有ITO层和AzO层的厚度同时满足要求，才能即降低电压，由提高亮度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种紫外LED芯片，包括衬底、设于衬底上的外延层、设于外延层上的透明导电层和电极结构、以及覆盖在透明导电层和外延层上的保护层，其特征在于，所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于外延层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5～20nm，所述AzO层的厚度为150～500nm。
2.如权利要求1所述的紫外LED芯片，其特征在于，所述ITO层的厚度为10～20nm，所述AzO层的厚度为200～300nm。
3.如权利要求1所述的紫外LED芯片，其特征在于，所述保护层由能阶大于6.4ev的透明材料制成。
4.如权利要求3所述的紫外LED芯片，其特征在于，所述保护层由氮化硼制成，所述保护层的厚度为10～300nm。
5.如权利要求1所述的紫外LED芯片，其特征在于，所述外延层包括依次设于衬底上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述电极结构包括第一电极和第二电极，所述ITO层设置在第二半导体层上，所述第二电极设置在AzO层上，所述第一电极设置在第一半导体层上。
6.如权利要求5所述的紫外LED芯片，其特征在于，所述第二电极贯穿所述透明导电层，同时设置在AzO层和第二半导体层上。
7.一种紫外LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成外延层；
在外延层上形成透明导电层，所述透明导电层包括ITO层和AzO层，所述ITO层设于外延层和AzO层之间，所述ITO层的厚度为5～20nm，所述AzO层的厚度为150～500nm；
在外延层和透明导电层上形成保护层；
形成电极结构。
8.如权利要求7所述的紫外LED芯片的制作方法，其特征在于，所述透明导电层的制作方法包括：
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为280～320℃，氧流量25～40sccm，压力3*10-5～8*10- 4torr的条件下，在外延层上形成ITO层；
采用电子枪蒸镀工艺，在温度为290～330℃，氧流量25～30sccm，压力2*10-5～9*10- 4torr的条件下，在ITO层上形成AzO层。
9.如权利要求7所述的紫外LED芯片的制作方法，其特征在于，所述保护层由能阶大于6.4ev的透明材料制成，所述保护层的厚度为10～300nm。
10.如权利要求9所述的紫外LED芯片的制作方法，其特征在于，所述保护层的制作方法包括：
采用PECVD工艺，在温度为200～300℃、压力为200～500torr的条件下，通入TMB甲基硼与N2O，其中，TMB甲基硼与N2O的通入量比为1:3。
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