CN115566118A - 深紫外led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外LED芯片及其制备方法，包括：外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底、N型层、有源发光层、P型层和P型接触层，所述P型层为光反射性的P型层，所述外延结构形成有自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层和覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；所述外延结构还包括N型电极和P型电极，所述N型电极电连接所述第一导电层，所述P型电极电连接所述P型接触层；基板，所述外延结构设置在所述基板上，且所述衬底背向所述基板。通过采用倒装芯片设计，高反射电极可以进一步提高UVC光的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种深紫外LED芯片及其制备方法。
背景技术
紫外光(ultraviolet，UV)是指电磁波谱中波长从10～400nm辐射的总称，属于不可见光范围。紫外光光源在国民经济的很多领域有广泛的应用，一般常见的紫外光按照波长可以区分为三个波段：UVA波段约落在320～400nm，UVB约在290～320nm，UVC波段则是在240～290nm。这其中以UVC波段的深紫外光光源市场潜力最大，可广泛运用于医疗、家电、杀菌、废水处理等领域。由于UVC波段的紫外光波长短，能量高，可以直接破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构，造成生长性细胞死亡或再生性细胞死亡，从而达到消毒的目的。
传统上，深紫外光源通常应用了低压汞灯技术，而目前，第三代半导体氮化镓，尤其是基于超高温工艺的高铝组分的氮化镓基UVC LED提供了新一代的深紫外光源技术。与传统紫外光源低压汞灯相比，氮化镓基UVC LED具有许多优点。由于它是一种固态技术，它具有可定制的发射波长，长寿命，低电压操作，即时开/关，抗冲击，易于集成，设计灵活，驱动电路简化。因此，用氮化镓基UVC LED光源代替传统汞灯光源，可充分发挥无汞污染、体积小、耗电低、寿命长等优点，大幅提高使用的方便性，在医疗、杀菌、分析仪器、家电等行业针对具体应用进行定制开发，创造出更多新的应用商机。
UVC LED中的常规P型接触层一般为p-GaN材料，P型层一般为p-AlGaN材料，且芯片设计为p面出光。相比于p-AlGaN，p-GaN的掺杂浓度较高且P型掺杂的离化能较低，可以获得较高的P型载流子浓度，因此采用p-GaN可以大大降低接触电阻，提高器件功效。但是p-GaN对于UVC光的吸收系数较高，大幅降低了LED的出光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深紫外LED芯片及其制备方法，可以在保持较低P型接触电阻的同时，解决LED的出光效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深紫外LED芯片，包括：
外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底、N型层、有源发光层、P型层和P型接触层，所述P型层为光反射性的P型层，所述外延结构形成有自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层和覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；所述外延结构还包括N型电极和P型电极，所述N型电极电连接所述第一导电层，所述P型电极电连接所述P型接触层；
基板，所述外延结构设置在所述基板上，且所述衬底背向所述基板。
优选的，所述外延结构还包括位于所述衬底和N型层之间的N型接触层，所述通孔延伸至所述N型接触层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型接触层。
优选的，所述外延结构还包括形核层、非掺杂AlN模板层和电子阻挡层，所述形核层和非掺杂AlN模板层位于所述衬底和N型接触层之间，且所述形核层位于所述衬底和非掺杂AlN模板层之间，所述电子阻挡层位于所述有源发光层和P型层之间。
优选的，所述外延结构还包括光反射性的P型接触电极，所述P型接触电极设置在所述P型接触层的背向所述衬底的一侧，所述绝缘介质层同时覆盖所述P型接触电极，覆盖所述P型接触电极的所述绝缘介质层上开设有接触孔，所述外延结构还包括设置在所述绝缘介质层上并通过所述接触孔电连接所述P型接触电极的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层绝缘，所述P型电极通过所述第二导电层电连接所述P型接触电极。
优选的，所述芯片与所述基板之间焊接连接且焊点为金属，所述N型电极和所述P型电极从所述基板上的孔露出。
优选的，在所述衬底向所述P型接触层的方向上，所述通孔是开口逐渐增大的通孔。
优选的，所述P型层包括交替层叠的第一P型层和第二P型层，所述第一P型层的材料为含p型掺杂剂的AlxGa1-xN，所述第二P型层的材料为含p型掺杂剂的AlyGa1-yN，其中0<x，y≤100％，且x≠y。
优选的，所述P型层中各第一P型层和第二P型层的厚度为λ/(4n)，其中λ为所述有源发光层的发光波长，n为所述第一P型层和第二P型层中的该层材料的折射率，所述P型层各第一P型层和第二P型层厚度为1nm～100nm，所述p型层包括1～50对的所述第一P型层和第二P型层。
优选的，所述P型层的每层材料的p型掺杂剂为Mg，所述Mg的掺杂浓度范围为：5×1018cm-3-8×1019cm-3。
优选的，所述p型层可包括6层单层厚度为31.3nm的Al0.9Ga0.1N层，以及6层单层厚度为28.6nm Al0.6Ga0.4N层。
优选的，所述P型接触层材料为p-GaN，所述P型接触层的厚度为1～20nm，Mg掺杂的浓度范围为：5×1019cm-3-1×1020cm-3。
基于同一发明构思，本发明还提供一种深紫外LED芯片的制备方法，包括：
步骤S1：提供一外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底、N型层、有源发光层、P型层和P型接触层，所述P型层为光反射性的P型层，所述外延结构形成有自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层和覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；所述外延结构还包括N型电极和P型电极，所述N型电极电连接所述第一导电层，所述P型电极电连接所述P型接触层；
步骤S2：提供一基板，将所述外延结构设置在所述基板上，且所述衬底背向所述基板。
优选的，所述步骤S1还包括：
在整块衬底上形成多个外延结构；
在每个所述外延结构形成自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔；
在每个所述外延结构上形成覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层；
在每个所述外延结构上形成覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；
将所述整块衬底进行减薄；
将所述芯片结构分割为单个芯片结构。
优选的，步骤S1还包括：形成光反射性的P型接触电极；
所述外延结构还包括光反射性的P型接触电极，所述P型接触电极设置在所述P型接触层的背向所述衬底的一侧，所述绝缘介质层同时覆盖所述P型接触电极，覆盖所述P型接触电极的所述绝缘介质层上开设有接触孔，所述外延结构还包括设置在所述绝缘介质层上并通过所述接触孔电连接所述P型接触电极的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层绝缘，所述P型电极通过所述第二导电层电连接所述P型接触电极。
综上，根据本发明实施例提供的深紫外LED芯片及其制备方法，通过将外延结构的P型层设置为光反射性质的P型层，以及倒装芯片，使衬底方向为出光方向，可以显著提高出光效率；P型层采用交替层叠的p型的AlxGa1-xN和p型的AlyGa1-yN对UVC光进行反射，减少P型接触层对UVC光的吸收，同时保留p-GaN作为P型接触层材料，可以形成更好的P型欧姆接触，降低接触电阻；采用倒装芯片设计，光反射性的P型接触电极可以进一步提高UVC光的出光效率；倒装芯片与基板的焊点为金属，可以提高芯片的散热能力，降低芯片结区温度，提高发光的量子效率。
附图说明
在附图中，在不同的附图中示出的每个相同或几乎相同的部件通过相似的附图标记来表示。为了清楚起见，并不是在每个附图中的每个部件都会被标记。附图不一定按比例绘制，相反重点放在示出本文所描述的技术和器件的各个方面。
图1示出了常规深紫外LED外延材料结构与芯片设计示意图；
图2示出了本发明深紫外LED芯片一实施方式的结构示意图；
图3示出了本发明深紫外LED芯片另一实施方式的结构示意图；
图4示出了本发明深紫外LED芯片另一实施方式的结构示意图；
图5示出了本发明深紫外LED芯片另一实施方式的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
2-衬底，4-形核层，6-非掺杂AlN模板层，8-N型接触层，10-N型层，12-有源发光层，14-电子阻挡层，16-P型层，18-P型接触层，20-通孔，22-P型接触电极，24-绝缘介质层，25-接触孔，26-第一导电层，27-第二导电层，28-基板，30-N型电极，32-P型电极，34-金属焊点。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体器件及其制备方法作进一步详细说明，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1示出了常规深紫外LED外延材料结构与芯片设计示意图，底部为衬底，从底向上为依次堆叠的形核层、非掺杂AlN模板层、N型接触层，N型层，其中，N型层部分覆盖N型接触层，N型电极设置在N型接触层上，N型层上依次堆叠有源发光层、电子阻挡层，P型层，P型接触层，P型电极位于P型接触层上。P型层材料为p-AlGaN，P型接触层材料为p-GaN，且芯片设计为p面出光。但是此结构p-GaN对于UVC光的吸收系数较高，大幅降低了LED的出光效率。
如图2示出了本发明所描述的一种深紫外LED芯片，包括外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底2、N型层10、有源发光层12、P型层16和P型接触层18，所述P型层16为光反射性的P型层，刻蚀所述外延结构形成有自所述P型接触层18延伸至所述N型层10的通孔20，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层24和覆盖至少部分所述绝缘介质层24的第一导电层26，所述第一导电层26电连接所述通孔20底部的所述N型层10；N型电极30电连接所述第一导电层26，P型电极32电连接所述P型接触层18。
所述衬底2减薄，所述外延结构被切割后形成多个芯片结构；
基板28，所述芯片结构设置在所述基板28上，且所述衬底2背向所述基板28。
在本实施方案中，所述基板28可以为陶瓷散热基板，将外延结构的P型层16设置为光反射性质的P型层，以及倒装键合芯片到陶瓷基板28，使衬底方向为出光方向，相较于常规UVC LED可以显著提高出光效率；通过刻蚀所述P型接触层18至所述N型层10的通孔20，通孔形状可以是垂直的，也可以是开口逐渐增大的N型通孔，便于生长所述绝缘介质层24。在N型通孔20的基础上通过光刻与刻蚀，在N型通孔20的侧壁进行所述绝缘介质层24材料的蒸镀；在N型通孔20的基础上蒸镀N型金属即第一导电层26并退火，形成N型欧姆接触，所述第一导电层26与所述P型电极32绝缘。
较佳的，图3示出了本发明所描述的另一种深紫外LED芯片，相较于图2的实施方案，首先，外延结构在衬底2和N型层10之间增加N型接触层8，所述通孔20延伸至所述N型接触层8，所述第一导电层26电连接所述通孔20底部的所述N型接触层8。其次，在所述衬底2和所述N型接触层8之间增加形核层4、非掺杂AlN模板层6，且所述形核层4位于所述衬底2和非掺杂AlN模板层6之间，在所述有源发光层12和P型层16之间设置电子阻挡层14。相较于前一实施例，本实施例进一步提升出光效率。
较佳的，图4示出了本发明深紫外LED芯片另一实施方式的结构示意图，相较于图3的实施方案，在所述P型接触层18的背向所述衬底2的一侧选择性蒸镀P型接触电极22，所述绝缘介质层24同时覆盖所述P型接触电极22，覆盖所述P型接触电极22的所述绝缘介质层24上开设有接触孔25，所述外延结构还包括设置在所述绝缘介质层24上并通过所述接触孔25电连接所述P型接触电极22的第二导电层27，所述接触孔25使所述第一导电层26和所述第二导电层27绝缘，所述P型电极32通过所述第二导电层27电连接所述P型接触电极22，所述P型接触电极22具有高的光反射特性，例如Al电极，可以对UVC光进行反射，进一步提高出光效率。
较佳的，图5示出了本发明深紫外LED芯片另一实施方式的结构示意图，相较于图4的实施方案，首先，将P型层16设置为交替层叠的第一P型层和第二P型层，所述第一P型层的材料为含p型掺杂剂的AlxGa1-xN，所述第二P型层的材料为含p型掺杂剂的AlyGa1-yN，其中0<x，y≤100％，且x≠y，与图1常规深紫外LED芯片P型层不同，本实施例采用分布式布拉格反射镜(DBR，Distributed Bragg Reflector)替代p-AlGaN，同时保留p-GaN作为P型接触层材料，结合倒装芯片设计，采用n面出光。通过控制第一P型层和第二P型层材料单个周期的厚度与Al组分从而形成对UVC光的反射镜，降低P型层p-GaN对于UVC光的吸收，提高出光效率；蒸镀加厚所述第一导电层26与所述N型电极30接触处的所述第一导电层26的厚度和蒸镀加厚所述第二导电层27与所述P型电极32接触处的所述第二导电层27的厚度，使后续步骤的焊接更容易操作；倒装芯片与基板28的焊点可以为金属焊点34，可以提高芯片的散热能力，降低芯片结区温度，提高芯片的量子效率。
本发明涉及的深紫外LED芯片结构并不限于图2、图3、图4、图5中的实施方案，也可以是其组合的形式。
基于同一发明构思，以图5所示深紫外LED芯片结构为例，本实施例提供一种深紫外LED芯片的制备方法。
提供一外延结构，所述外延结构包括依次堆叠的衬底2，形核层4，非掺杂AlN模板层6，N型接触层8，N型层10，有源发光层12，电子阻挡层14，P型层16，P型接触层18。其中，P型层16为交替层叠的第一P型层和第二P型层，所述第一P型层的材料为含p型掺杂剂的AlxGa1-xN，所述第二P型层的材料为含p型掺杂剂的AlyGa1-yN，其中0<x，y≤100％，且x≠y。所述第一P型层和所述第二P型层的厚度为λ/(4n)，其中λ为发光波长，n为该层材料的折射率，厚度范围1nm～100nm，具体厚度根据发光波长进行计算。例如：对于275nm的发光波长，P型层16材料可以选择为6层单层厚度为31.3nm的Al0.9Ga0.1N层，以及6层单层厚度为28.6nmAl0.6Ga0.4N层。每层材料进行Mg掺杂，Mg的掺杂浓度的范围为5×1018cm-3-8×1019cm-3；P型接触层18材料为p-GaN，厚度为1～20nm，Mg掺杂的浓度范围为：5×1019cm-3-1×1020cm-3。或者，例如：对于275nm的发光波长，P型层16材料可以选择为6层单层厚度为32.7nm的AlN层，以及6层单层厚度为28.6nm Al0.6Ga0.4N层。每层材料进行Mg掺杂，Mg的掺杂浓度的范围为5×1018cm-3-8×1019cm-3；P型接触层18材料为p-GaN，厚度为1～20nm，P型接触层18进行Mg掺杂，Mg掺杂的浓度范围为5×1019cm-3-1×1020cm-3。
刻蚀形成自所述P型接触层18延伸至所述N型接触层8的通孔20，所述通孔20可以为N型。在所述P型接触层18上选择性蒸镀光反射性的P型接触电极22，所述P型接触电极22可以为Al电极，可以对UVC光进行反射，进一步提高出光效率。通过光刻与蚀刻，在通孔20的侧壁蒸镀一层绝缘介质层24，所述绝缘介质层24覆盖所述P型接触电极22，在所述绝缘介质层24上形成接触孔25。蒸镀第一导电层26金属并退火，形成N型欧姆接触，所述第一导电层26覆盖至少部分所述绝缘介质层24。蒸镀第二导电层27，所述接触孔25使所述第一导电层26和所述第二导电层27绝缘。设置N型电极30电连接所述第一导电层26，P型电极32电连接所述P型接触层18。还包括选择性蒸镀加厚所述第一导电层26与所述N型电极30接触处的厚度和所述第二导电层27与所述P型电极32接触处的厚度，以便后续金属焊接。
在整块衬底2上形成多个外延结构；在每个所述外延结构形成自所述P型接触层18延伸至所述N型接触层8的通孔20；在每个所述外延结构上形成覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层24；在每个所述外延结构上形成覆盖至少部分所述绝缘介质层24的第一导电层26；所述第一导电层26电连接所述通孔20底部的所述N型接触层8；将所述整块衬底2进行减薄，使得更容易出光，同时增强器件的散热能力；将所述外延结构分割为单个芯片结构。
提供一基板28，所述基板28为陶瓷散热基板，将所述芯片结构设置在所述基板28上，且所述衬底2背向所述基板28。焊接所述芯片与所述基板28，所述芯片与所述基板28的焊点为金属。
综上，根据本发明实施例提供的深紫外LED芯片制备方法，通过P型层采用交替层叠的p型的AlxGa1-xN和p型的AlyGa1-yN对UVC光进行反射，减少P型接触层对UVC光的吸收，同时保留p-GaN作为P型接触层材料，可以形成更好的P型欧姆接触，降低接触电阻；采用倒装芯片设计，光反射性的P型接触电极可以进一步提高UVC光的出光效率；倒装芯片与基板的焊点为金属，可以提高芯片的散热能力，降低芯片结区温度，提高发光的量子效率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (14)
1.一种深紫外LED芯片，其特征在于，包括：
外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底、N型层、有源发光层、P型层和P型接触层，所述P型层为光反射性的P型层，所述外延结构形成有自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层和覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；所述外延结构还包括N型电极和P型电极，所述N型电极电连接所述第一导电层，所述P型电极电连接所述P型接触层；
基板，所述外延结构设置在所述基板上，且所述衬底背向所述基板。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述外延结构还包括位于所述衬底和N型层之间的N型接触层，所述通孔延伸至所述N型接触层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型接触层。
3.根据权利要求2所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述外延结构还包括形核层、非掺杂AlN模板层和电子阻挡层，所述形核层和非掺杂AlN模板层位于所述衬底和N型接触层之间，且所述形核层位于所述衬底和非掺杂AlN模板层之间，所述电子阻挡层位于所述有源发光层和P型层之间。
4.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述外延结构还包括光反射性的P型接触电极，所述P型接触电极设置在所述P型接触层的背向所述衬底的一侧，所述绝缘介质层同时覆盖所述P型接触电极，覆盖所述P型接触电极的所述绝缘介质层上开设有接触孔，所述外延结构还包括设置在所述绝缘介质层上并通过所述接触孔电连接所述P型接触电极的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层绝缘，所述P型电极通过所述第二导电层电连接所述P型接触电极。
5.根据权利要求4所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述芯片与所述基板之间焊接连接且焊点为金属，所述N型电极和所述P型电极从所述基板上的孔露出。
6.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其特征在于，在所述衬底向所述P型接触层的方向上，所述通孔是开口逐渐增大的通孔。
7.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述P型层包括交替层叠的第一P型层和第二P型层，所述第一P型层的材料为含p型掺杂剂的AlxGa1-xN，所述第二P型层的材料为含p型掺杂剂的AlyGa1-yN，其中0<x，y≤100％，且x≠y。
8.根据权利要求7所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述P型层中各第一P型层和第二P型层的厚度为λ/(4n)，其中λ为所述有源发光层的发光波长，n为所述第一P型层和第二P型层中的该层材料的折射率，所述P型层各第一P型层和第二P型层厚度为1nm～100nm，所述p型层包括1～50对的所述第一P型层和第二P型层。
9.根据权利要求7所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述P型层的每层材料的p型掺杂剂为Mg，所述Mg的掺杂浓度范围为：5×1018cm-3-8×1019cm-3。
10.根据权利要求8所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述p型层可包括6层单层厚度为31.3nm的Al0.9Ga0.1N层，以及6层单层厚度为28.6nm Al0.6Ga0.4N层。
11.根据权利要求1所述的深紫外LED芯片，其特征在于，所述P型接触层材料为p-GaN，所述P型接触层的厚度为1～20nm，Mg掺杂的浓度范围为：5×1019cm-3-1×1020cm-3。
12.一种深紫外LED芯片的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一外延结构，所述外延结构包括依次堆叠设置的衬底、N型层、有源发光层、P型层和P型接触层，所述P型层为光反射性的P型层，所述外延结构形成有自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔，所述外延结构还包括覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层和覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；所述外延结构还包括N型电极和P型电极，所述N型电极电连接所述第一导电层，所述P型电极电连接所述P型接触层；
步骤S2：提供一基板，将所述外延结构设置在所述基板上，且所述衬底背向所述基板。
13.根据权利要求12所述的深紫外LED芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
在整块衬底上形成多个外延结构；
在每个所述外延结构形成自所述P型接触层延伸至所述N型层的通孔；
在每个所述外延结构上形成覆盖所述通孔侧壁的绝缘介质层；
在每个所述外延结构上形成覆盖至少部分所述绝缘介质层的第一导电层，所述第一导电层电连接所述通孔底部的所述N型层；
将所述整块衬底进行减薄；
将所述外延结构分割为单个芯片结构。
14.根据权利要求12所述的深紫外LED芯片的制备方法，其特征在于，
步骤S1还包括：形成光反射性的P型接触电极；
所述外延结构还包括光反射性的P型接触电极，所述P型接触电极设置在所述P型接触层的背向所述衬底的一侧，所述绝缘介质层同时覆盖所述P型接触电极，覆盖所述P型接触电极的所述绝缘介质层上开设有接触孔，所述外延结构还包括设置在所述绝缘介质层上并通过所述接触孔电连接所述P型接触电极的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层绝缘，所述P型电极通过所述第二导电层电连接所述P型接触电极。
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