CN111129249B - 一种深紫外线发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深紫外线发光二极管及其制备方法，涉及半导体器件技术领域。所述深紫外线发光二极管包括：基板，设置在基板上的N型半导体层、发光层、P型半导体层；连接在N型半导体层上的第一电极垫；连接在P型半导体层上的第二电极垫；其中第一电极垫包含金属多层交替结构的欧姆电极。本发明通过设置金属多层交替结构的欧姆电极，并提供新的台面刻蚀工艺，解决了传统工艺欧姆电极接触电阻高、耐高温性差、易老化、外观粗糙等问题。

Description

一种深紫外线发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种深紫外线发光二极管及其制备方法。

背景技术

紫外线发光二极管是一种半导体固体发光器件，利用固体半导体芯片作为发光材料，是一种新型紫外光源，拥有广阔的应用前景，很可能会逐渐替代传统的紫外汞灯。与传统的汞蒸气紫外放电光源相比，紫外线发光二极管具有诸多的优势：比如，寿命长，开关方便，工作电压低，体积更加小巧，便于携带。此外，深紫外线发光二极管因其发光波长为210～280nm而具有杀菌效果。相比传统的汞灯杀菌消毒方式，深紫外线发光二极管杀菌消毒方式更加节能与环保。目前深紫外线发光二极管正在逐步被广泛地应用于生活中多个方面，例如紫外光厨具消毒，紫外光水质净化和紫外光生物医疗等多项领域。

虽然紫外线发光二极管具有很多的优势，但是在研究和发展中，依然会遇到很多难题，这也是紫外发光二极管难以大范围普及到人们生活中的原因。深紫外线发光二极管的工艺的技术瓶颈主要在于深紫外线发光二极管的接触电阻高。与传统的蓝光发光二极管的电阻欧姆接触相比，深紫外线发光二极管的N型铝镓氮与电极之间很难形成良好的线性的欧姆接触，导致深紫外线发光二极管接触电阻高，带来深紫外线发光二极管散热差、亮度低、寿命短等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深紫外线发光二极管及其制备方法，以解决现有技术存在的深紫外线发光二极管因接触电阻高而导致的散热差、亮度低、寿命短的问题。

解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种深紫外线发光二极管，包括：

基板；

N型半导体层，其设置在所述基板上；

发光层，其设置在所述N型半导体层上；

P型半导体层，其设置在所述发光层上；

第一电极垫，其设置在所述N型半导体层上，所述第一电极垫包含金属多层交替结构的电极；

第二电极垫，其设置在所述P型半导体层上。

在本发明的一个实施例中，所述第一电极垫包括第一欧姆电极，所述第一欧姆电极设置在所述N型半导体层上，所述第一欧姆电极包含金属多层交替结构。

在本发明的一个实施例中，所述金属多层交替结构包括第一金属和第二金属，所述第一金属和所述第二金属交替层叠设置。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属和所述第二金属分别为钛和铝。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属和所述第二金属的交替层叠次数为5～10。

本发明还提供一种深紫外线发光二极管的制备方法，其步骤包括：

提供基板；

在所述基板上形成N型半导体层；

在所述N型半导体层上形成发光层；

在所述发光层上形成P型半导体层；

在所述N型半导体层上形成包含金属多层交替结构的第一电极垫；

在所述P型半导体层上形成第二电极垫，获得所述深紫外线发光二极管。

在本发明的一个实施例中，所述第一电极垫包括第一欧姆电极，所述第一欧姆电极形成于所述N型半导体层上，所述第一欧姆电极包含金属多层交替结构。

在本发明的一个实施例中，所述金属多层交替结构包括第一金属和第二金属，所述第一金属和所述第二金属交替层叠设置。

在本发明的一个实施例中，所述制备方法还包括以下步骤：腐蚀掉P型半导体层表面上外围部分的保护层，并对所述P型半导体层和所述发光层的外围进行第一次刻蚀，使所述P型半导体层和所述发光层形成凸部，暴露所述N型半导体层，并获得台面结构。

在本发明的一个实施例中，所述制备方法还包括以下步骤：进行第二次刻蚀对所述第一次刻蚀后的刻蚀面进行修复平整。

本发明通过设置包含金属多层交替结构的电极，有效保证电极金属间的充分融合，以形成线性欧姆接触，从而降低了深紫外线发光二极管的接触电阻。同时，相比于传统的单层金属结构的电极，该包含金属多层交替结构的电极更加能够提升深紫外线发光二极管的整体外观品味。本发明通过提供一种新的台面刻蚀工艺，即台面刻蚀采用两次刻蚀工艺，其中第二次刻蚀采用六氟化硫和氩气的混合气体作为刻蚀气体进行刻蚀修复，既有利于降低深紫外线发光二极管的接触电阻又简化了制备工艺，有利于提高生产效率。在本发明一实施例中，在20mA实测条件下，电压降低2V(10×20mil芯片)，亮度增加2％，寿命测试光衰减少1％，芯片整体外观品味得到提升。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种深紫外发光二极管的封装结构的示意图。

图2为图1中本发明一种深紫外发光二极管的封装结构的俯视图。

图3为图1中深紫外线发光二极管的示意图。

图4为图1中深紫外线发光二极管A-A剖面的俯视图。

图5为图1中深紫外线发光二极管的制备方法的流程图。

图6为图1中深紫外发光二极管的封装方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进一步清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明提供一种深紫外发光二极管的封装结构，其包括：深紫外发光二极管101、支架102以及硅氧化物保护层103。

芯片亦称为晶片，即发光二极管发光材料，必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电器性能下降，同时，封装后的芯片也更便于安装和运输。本发明所述封装结构针对深紫外发光二极管101，所述深紫外发光二极管101的结构包括基板1，外延片结构和电极结构，所述外延片结构至少包括依次层叠设置在基板1上的N型半导体层2、发光层3和P型半导体层4。其中，所述N型半导体层2具有丰富的电子，所述P型半导体层4因缺乏电子而形成带正电空穴，在所述N型半导体层2和所述型半导体层4之间是电子和电子空穴复合之处，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射处光芒，也就是所述发光层3。所述电极结构包括与N型半导体层2连接的负极以及与P型半导体层4连接的正极。本实施例所述深紫外发光二极管101所用的发光材料例如可以为氮铝化镓(AlGaN)，发射出波长例如为小于280nm的深紫外线光。

具体的，请参阅图3所示，本发明的深紫外线发光二极管101可以包括：基板1、N型半导体层2、发光层3、P型半导体层4、第一电极垫5和第二电极垫6。

请参阅图3所示，基板1，即外延层生长的衬底，具有支撑和稳定的作用，所述基板1例如可以包括蓝宝石，碳化硅，氮化铝，氮化铝等，本实施例中优选氮化铝镀膜基板。

请参阅图3所示，在所述基板1上，依次设置N型半导体层2、发光层3和P型半导体层4，其中所述N型半导体层2在靠近所述基板1的一侧，所述P型半导体层4在远离所述基板1的一侧。所述半导体层使用的材料是通过在氮化镓中添加铝扩大带隙，从而获得更短的发光波长。在本发明一个实施例中所述深紫外线发光二极管101获得波长为260～280nm的深紫外线。

请参阅图3所示，第一电极垫5连接在所述N型半导体层2上，所述第一电极垫5包含第一欧姆电极501、第一加厚电极502以及第一金块电极503。所述第一欧姆电极501包含金属多层交替结构，所述金属多层交替结构包含两种金属交替层叠设置，所述金属为第一金属钛和第二金属铝，所述第一金属钛和所述第二金属铝的层叠次数为5～10，所述钛膜厚度例如可以为1～20nm，所述铝膜厚度例如可以为20～150nm。所述第一欧姆电极501还包含金属金，所述金膜厚度例如可以为40～200nm。所述第一金块电极503的厚度例如可以为1～3μm。

请参阅图3和图4所示，第二电极垫6连接在所述P型半导体层4上所述第二电极垫6包含第二欧姆电极601、第二加厚电极602以及第二金块电极603。所述第二欧姆电极601例如可以采用含镍金的欧姆电极，其中镍膜厚度例如可以为10～40nm，金膜厚度例如可以为10～150nm，所述第二金块电极603的电极厚度例如可以为1～3μm。

请参阅图3至图5所示，本发明还提供一种深紫外线发光二极管101的制备方法，其步骤如下：

S1：提供基板1；

S2：在所述基板上形成N型半导体层2；

S3：在所述N型半导体层上形成发光层3；

S4：在所述发光层上形成P型半导体层4；

S5：在所述N型半导体层2上形成包含金属多层交替结构的第一电极垫5；

S6：在所述P型半导体层4上形成第二电极垫6，获得所述深紫外线发光二极管101。

请参阅图3至图5所示，在步骤S1中，提供一基板1，即外延层生长的衬底，所述基板1具有支撑和稳定的作用，所述基板1例如可以包括蓝宝石，碳化硅，氮化铝等，本实施例中优选氮化铝镀膜基板。

请参阅图3至图5所示，在步骤S2至步骤S4中，采用镀膜技术，例如可以采用金属有机化学气相沉积法在所述基板1上镀多层膜，依次为N型半导体层2、发光层3和P型半导体层4，调整镓-铝组分，改变禁带宽度，输出波长为260～280nm的深紫外光，获得深紫外发光二极管的外延片。

请参阅图3至图5所示，在步骤S5中，所述第一电极垫5包含所述第一欧姆电极501、第一加厚电极502和第一金块电极503。所述第一欧姆电极501形成于所述N型半导体层2上，所述第一欧姆电极501包含金属多层交替结构。所述第一电极垫5的形成过程可以包括如下步骤：

请参阅图3至图5所示，在形成的所述P型半导体层4的表面，例如可以沉积致密、高透过率的二氧化硅形成保护层，所述保护层的厚度例如可以为200nm～500nm。

请参阅图3至图5所示，腐蚀掉所述P型半导体层4表面上外围部分的保护层，并对所述P型半导体层4和所述发光层3的外围进行第一次台面刻蚀，例如可以使用电感耦合等离子体进行刻蚀，深度例如可以为500～900nm，使所述P型半导体层4和所述发光层3形成凸部，暴露所述N型半导体层2，并获得台面结构。

请参阅图3至图5所示，进行第二次台面刻蚀，对所述第一次台面刻蚀后的刻蚀面进行修复平整。所述第二次台面刻蚀的工作面为所述台面、所述P型半导体层的侧面和所述发光层的侧面，采用的刻蚀气体例如可以是用六氟化硫和氩气的混合气体，设备工艺参数例如可以设定为下极板功率例如可以为10～60W，上极板功率例如可以为100～400W，刻蚀时间例如可以为500～1000s。

请参阅图3至图5所示，在暴露的所述N型半导体层2的表面进行光刻并蒸镀所述第一欧姆电极501，蒸镀完成后剥金去胶并进行退火。

请参阅图3至图5所示，在形成所述第一欧姆电极501时，例如可以首先形成一层金属钛膜，再形成一层铝膜，形成所述钛膜和所述铝膜交替层叠结构，所述层叠次数例如可以为5～10次，其中，所述钛膜厚度例如可以为1～20nm，所述铝膜厚度例如可以为20～180nm。然后，在所述钛铝金属交替层叠结构的表面形成金膜，所述金膜厚度例如可以为40～150nm，蒸镀完成后剥金去胶，在所述N型半导体层2的表面形成含钛铝金金属的覆盖层，在氮气气氛下800～1000℃进行退火30～60s，形成所述第一欧姆电极501。

请参阅图3至图5所示，在所述第一欧姆电极501表面上通过光刻或刻蚀的方式刻出芯片走道，光刻并蒸镀电极金属，形成所述第一欧姆电极501的所述第一加厚电极502，所述第一加厚电极502的厚度例如可以为1～3μm，蒸镀后剥离掉多余的金属，去除光刻胶并清洗干净。

请参阅图3至图5所示，在完成上述步骤后获得深紫外线发光二极管的表面上进行光刻和深刻蚀，将暴露的所述N型半导体层2部分刻蚀至所述基板1层，完全隔绝芯片间连接，去除光刻胶并清洗干净。在所得深紫外线发光二极管的表面上，通过光刻或/刻蚀的方式刻蚀出芯片走道，并生成绝缘层7，例如可以沉积致密、高透过率的二氧化硅作为所述绝缘层7，所述绝缘层7的厚度例如可以为80～500nm。

请参阅图3至图5所示，在所述第一加厚电极502上，光刻二氧化硅孔道所需图形，通过干法刻蚀的方法去除多余的二氧化硅，去除光刻胶并清洗干净，然后进行光刻和蒸镀所述第一金块电极503，所述第一金块电极503的厚度例如可以为1～3μm。

请参阅图3至图5所示，在步骤S6中，所述第二电极垫6包含第二欧姆电极601、第二加厚电极602和第二金块电极603，所述第二欧姆电极601形成于所述P型半导体层4上。所述第二电极垫6的形成过程包括如下步骤：

请参阅图3至图5所示，将所述P型半导体层4表面的保护层蚀刻干净，并在其表面进行所述第二欧姆电极601光刻和蒸镀所述第二欧姆电极601的电极金属，蒸镀后剥金去胶，在所述P型半导体层4的表面形成例如可以包含镍金金属的覆盖层，选择在空气环境下500～700℃退火处理5～10min，形成所述第二欧姆电极601，其中，镍膜厚度例如可以为10～40nm，金膜厚度例如可以为10～80nm。

请参阅图3至图5所示，在所述第二欧姆电极601的表面上通过例如光刻或刻蚀的方式刻出芯片走道，光刻并蒸镀加厚电极金属，形成所述第二加厚电极602，所述第二加厚电极的厚度例如可以为1～3μm，蒸镀后剥离掉多余的金属，去除光刻胶并清洗干净。

请参阅图3至图5所示，在所述第二加厚电极602的表面上，例如可以通过光刻或刻蚀的方式刻出芯片孔道，沉积致密、高透过率的例如可以是二氧化硅的绝缘层7，所述绝缘层7的厚度例如可以为80～500nm。

请参阅图3至图5所示，在所述第二加厚电极602上，光刻出例如二氧化硅孔道的所需图形，通过干法刻蚀的方法去除多余的所述绝缘层7材料，去除光刻胶并清洗干净，然后进行光刻和蒸镀所述第二金块电极603，所述第二金块电极603的厚度例如可以为1～3μm，蒸镀完成后剥金去胶，最终获得深紫外线发光二极管。

请参阅图3至图5所示，本发明提供的所述深紫外线发光二极管，其所述第一欧姆电极501包含的所述金属多层交替结构中两种金属交替层叠设置，相比于传统的单层金属结构的欧姆电极，更容易形成良好的线性的欧姆接触，降低了深紫外线发光二极管的接触电阻，提高了深紫外线发光二极管的耐高温性能，解决了深紫外线发光二极管易老化的问题。同时，相比于传统的单层金属结构的电极，所述包含金属多层交替结构的电极也改善了传统深紫外线发光二极管粗糙的外观品味。此外，本发明提供了新的台面刻蚀工艺，节省了传统台面刻蚀工艺的后续高温退火工序，简化了深紫外线发光二极管的制备工艺，提高了生产效率。

请参阅图1和图2所示，在本发明的封装结构中，将深紫外发光二极管101固定在支架102上，所述支架102与所述深紫外发光二极管101电连接。所述支架102例如可以为陶瓷支架，所述支架102的厚度例如可为0.5～0.7mm。所述支架102可以包含固晶位，将所述深紫外发光二极管101粘合在所述支架102的固晶位上。所述深紫外发光二极管101的正负极对应所述支架102的正负极，所述深紫外发光二极管101的中心与所述支架102的中心重合，所述粘合材料例如可以为锡膏。

请参阅图1所示，在本发明的封装结构中还包括硅氧化物保护层103，其设置于所述深紫外发光二极管101上，所述硅氧化物保护层103包裹所述深紫外发光二极管101及所述支架102。所述硅氧化物例如可以为二氧化硅，所述硅氧化物保护层103的厚度例如可以为80～250nm。

请参阅图1、图2和图6所示，本发明还提供了一种深紫外发光二极管的封装方法，其步骤包括：

S101：提供一深紫外发光二极管101；

S102：将所述深紫外发光二极管101固定在支架102上，且将所述深紫外发光二极管101与所述支架102电连接；

S103：在所述深紫外发光二极管101和所述支架102表面形成硅氧化物保护层103，使所述硅氧化物保护层103包裹所述深紫外发光二极管101及所述支架102，完成对所述深紫外发光二极管101的封装。

请参阅图1、图2和图6所示，在步骤S101中，将所述深紫外发光二极管101放置于清洗设备中清洗，保证深紫外发光二极管101表面的污染物被清除。所述清洗设备例如可以为等离子清洗机，也可以用湿法清洗，例如或者超声波清洗机。基于两者的清洗原理不同，清洗效果也存在一定程度的区别，为了更好的提高所述深紫外发光二极管101表面的贴合效果，增强芯片的表面附着力，提高后续封装质量，本实施例所述清洗工艺优选采用在等离子清洗机中，通过使用等离子体对所述深紫外发光二极管101的表面进行清洗。所述等离子体是对气体施加足够的能量使之离化成为等离子状态，包括离子、电子、原子、光子等。

请参阅图1、图2和图6所示，在步骤S102中，将清洗干净的所述深紫外发光二极管101利用粘合材料固定于所述支架102上，根据所述深紫外发光二极管101的正负极对应所述支架102的正负极，同时将所述深紫外发光二极管101的中心与所述支架102的中心重合。所述粘合材料例如可以为锡膏，所述支架例如可以为陶瓷支架。所述陶瓷支架例如可以包含陶瓷基板和框架，所述框架例如可以为陶瓷或者金属，所述陶瓷支架可以是一体成型或者通过粘结的方式组装形成的具有高导热系数的支架。例如通过锡焊的方式将所述陶瓷框架固定在所述陶瓷基板上。所述支架102的导热系数例如可以为150～200W/(m×K)，所述支架102的厚度例如可以为0.5～0.7mm。

请参阅图6所示，在步骤S102中，将所述深紫外发光二极管101所述支架102进行电连接，进一步增强封装后的灯珠的牢固性。所述电连接例如可以采用回流焊的方式实现。所述深紫外发光二极管101例如可以通过银胶粘结、锡膏焊接或者共晶焊接的方式固定在所述支架102上，并通过金线将所述深紫外发光二极管101的正负极对应所述支架102的正负极完成连接。本实施例优选锡膏焊接的固定方式，属于一种焊接粘贴法，所述焊接粘贴法相对于共晶粘贴法、导电胶粘贴法等芯片贴装方法，具有更好的热传导性。通过焊接工艺对所述深紫外发光二极管101与所述支架102的接触面进行处理，使其导热系数增加，从而保证正常使用时具有低的热阻。本实施例采用可靠的、适合大批量生产加工的回流焊工艺，所述回流焊工艺的回流时间例如可以为10～15min，回流温度例如可以为230～260℃，所述焊接工艺例如可以在热氮气等能防止氧化的气氛中进行。

请参阅图1、图2和6所示，在步骤S102中，还包括对所述灯珠进行烘烤除湿的工序，以去除所述深紫外发光二极管101与所述支架102表面的水气，同时起到固化芯片的作用，使得所述深紫外发光二极管101与所述支架102形成良好的连接。

请参阅图1、图2和6所示，在步骤S103中，为了对所述深紫外发光二极管101进行保护，采用在所述深紫外发光二极管101外设置保护层，所述保护层为硅氧化物保护层103。所述硅氧化物保护层103例如可以采用离子体增强化学气相沉积的方法形成于所述深紫外发光二极管101和所述支架102的表面。所述离子体增强化学气相沉积，例如可以借助微波或射频源使含有薄膜组成原子的气体在局部形成等离子体，利用等离子体的强化学活性发生反应，从而在基片上沉积出所期的薄膜，具有基本温度低、沉积速率快、成膜质量好等优点。所述离子体增强化学气相沉积方法，可沉积氧化硅、氮化硅、碳化硅、多晶硅等材料，能够实现对沉积厚度的精确控制，还可以通过改变反应气体组分在一定范围内调节沉积薄膜的折射率。本实施例所述硅氧化物保护层103例如可以为二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜的厚度例如可以为80～250nm。

请参阅图1、图2和图6所示，在步骤S103中，在所述深紫外发光二极管101和所述支架102的表面沉积所述硅氧化物保护层103工艺，将所述深紫外发光二极管101连同所述支架102一起密封起来，既隔绝了空气的水分以及氧对所述深紫外发光二极管101的侵蚀作用，又简化了工艺，而且避免了明胶等有机材料在紫光照射下容易黄化等材料性能劣化的现象。采用本发明的一种深紫外发光二极管的封装方法对深紫外线发光二极管进行封装，提高了深紫外线发光二极管封装的出光率，延长了深紫外发光二极管的使用寿命。本实施例获得了亮度增加1％，寿命测试光衰减少2％的有益效果。此外，本发明工艺路线简单，可降低生产成本。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种深紫外线发光二极管的制备方法，其特征在于，其步骤包括：

提供基板；

在所述基板上形成N型半导体层；

在所述N型半导体层上形成发光层；

在所述发光层上形成P型半导体层；

在所述N型半导体层上形成包含金属多层交替结构的第一电极垫；

在所述P型半导体层上形成第二电极垫，获得所述深紫外线发光二极管；

其中，所述第一电极垫包括：第一欧姆电极，所述第一欧姆电极形成于所述N型半导体层上，所述第一欧姆电极包含金属多层交替结构；

第一加厚电极，其设置在所述第一欧姆电极上；

第一金块电极，其设置在所述第一加厚电极上；

所述金属多层交替结构包括第一金属和第二金属，所述第一金属和所述第二金属交替层叠设置；

所述第一金属和所述第二金属分别为钛和铝；

所述第一金属和所述第二金属的交替层叠次数为5～10；

所述制备方法还包括以下步骤：

对所述P型半导体层和所述发光层的外周进行第一次刻蚀，使所述P型半导体层和所述发光层形成凸部，暴露所述N型半导体层，并获得台面结构；

所述制备方法还包括以下步骤：

进行第二次刻蚀对所述第一次刻蚀后的刻蚀面进行修复平整；

所述第二次刻蚀采用的刻蚀气体是六氟化硫和氩气的混合气体；

所述第二次刻蚀的下极板功率为10～60W，上极板功率例为100～400W，刻蚀时间为500～1000s。

2.一种深紫外线发光二极管，该深紫外线发光二极管按照权利要求1记载的制备方法制备得到。

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