一种倒装深紫外LED芯片及其制作方法与流程

一种倒装深紫外led芯片及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别是一种倒装深紫外led芯片及其制作方法。


背景技术：

2.紫外led(简称uv
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led)主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化领域、计算机数据存储和军事等方面。而且随着技术的发展，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品,紫外led有着广阔的市场应用前景,如紫外led光疗仪是未来很受欢迎的医疗器械,但是技术还处于成长期。
3.半导体深紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。以algan材料为有源区的深紫外led的发光波长能够覆盖210～365nm的紫外波段，是实现该波段深紫外led器件产品的理想材料，具有其它传统紫外光源无法比拟的优势。
4.目前，深紫外led的杀菌性能被世界关注，倒装深紫外led芯片的需求暴增，由于高的技术壁垒、紧张的供应链资源，使得市场上的uvc产品价格昂贵。为了维持供应链的利益关系，同时降低单位光功率的价格，发挥技术提升的价值，提高芯片的出光效率是当下主要研究课题。
5.对于传统的深紫外led芯片来说，外延结构中的p型gan层对于uvc波段260～285nm有强吸收，也就是说uvc芯片在外延面一侧几乎不能出光，该侧出光会导致光子的严重损失，故uvc芯片一般需制作成倒装芯片，并从蓝宝石al2o3衬底面进行光提取。由于蓝宝石al2o3的折射率为1.7，出光到空气中，空气的折射率为1，有两方面的出光限制：其一，在蓝宝石出光界面处，全发射角之外的光全部反射回芯片内部，往外延面沉积方向传导，碰到p型gan层就会被吸收；其二，全反射角以内的光，由于存在蓝宝石al2o3(n＝1.7)和空气(n＝1)的界面，会产生界面反射，伴随着半波损失。由于上述限制因素，使传统的深紫外led芯片出光效果受到制约，需要提出一种新的解决方案用于解决上述现有问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种倒装深紫外led芯片及其制作方法，用于解决现有倒装深紫外led芯片因衬底
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空气界面处存在界面反射，而存在出光效果不佳的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所提供的第一解决方案为：一种倒装深紫外led芯片，包括增透层、蓝宝石衬底层、n型algan层、多层量子阱有源层、p型algan层以及p型gan接触层；蓝宝石衬底层一侧依次层叠设置n型algan层、多层量子阱有源层、p型algan层以及p型gan接触层，蓝宝石衬底层另一侧设置增透层；蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧经过粗化刻蚀后，沉积增透层。
8.其中，粗化刻蚀的具体步骤包括：在蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧蒸镀一层金属层；在900～1000℃下对金属层退火1～2min，升温速率为15～25℃，得到自组装金属层；对沉积有自组装金属层的蓝宝石衬底层进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属
层，得到粗化衬底面。
9.其中，对沉积有自组装金属层的蓝宝石衬底层进行刻蚀的步骤具体为：采用等离子刻蚀工艺，以bcl3为刻蚀气体，对蓝宝石衬底层表面未被自组装金属层覆盖的区域进行刻蚀。
10.优选的，除去自组装金属层的溶液包括由浓硫酸、双氧水以及水按体积比5:1:1混合配成。
11.优选的，金属层的厚度为5～20nm。
12.优选的，金属层为镍金属层。
13.优选的，增透层的材质为sio2，厚度为(2n 1)a，其中n为大于1的整数，44.2nm≤a≤48.5nm。
14.优选的，增透层的材质为mgf2，厚度为(2n 1)b，其中n为大于1的整数，47.1nm≤b≤51.6nm。
15.为解决上述技术问题，本发明所提供的第二解决方案为：一种倒装深紫外led芯片的制作方法，该制作方法用于制作前述第一解决方案中的倒装深紫外led芯片，具体步骤包括：在蓝宝石衬底层一侧依次沉积n型algan层、多层量子阱有源层、p型algan层以及p型gan接触层；蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧蒸镀一层金属层；在900～1000℃下对金属层退火1～2min，升温速率为15～25℃，得到自组装金属层；对沉积有自组装金属层的蓝宝石衬底层进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属层，得到粗化衬底面；在粗化衬底面上沉积增透层，得到倒装深紫外led芯片。
16.优选的，增透层的材质为sio2或mgf2。
17.本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种倒装深紫外led芯片及其制作方法，通过对蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧进行粗化并沉积增透层，增加了光子逃逸几率，降低了界面全反射，从而实现了芯片光提取效率的提高。
附图说明
18.图1是本发明中倒装深紫外led芯片一实施方式的结构示意图；
19.图2是本发明中倒装深紫外led芯片一实施方式的制备过程图；
20.图中：1
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增透层，2
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蓝宝石衬底层，21
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粗化衬底面，3
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n型algan层，4
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多层量子阱有源层，5
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p型algan层，6
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p型gan接触层，7
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金属层，8
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自组装金属层。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例，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，均属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1，对于本发明中第一解决方案，提供了一种倒装深紫外led芯片，具体包括增透层1、蓝宝石衬底层2、n型algan层3、多层量子阱有源层4、p型algan层5以及p型gan接触层6；蓝宝石衬底层2一侧依次层叠设置n型algan层3、多层量子阱有源层4、p型algan层5以及p型gan接触层6，蓝宝石衬底层2另一侧设置增透层1；蓝宝石衬底层2远离n型algan层3
一侧经过粗化刻蚀后，沉积增透层1，通过粗化并沉积增透层，实现了芯片光提取效率的提高。
23.具体地，上述粗化刻蚀的步骤包括：
24.(1)在蓝宝石衬底层2远离n型algan层3一侧蒸镀一层金属层7。本实施方式中，金属层的厚度优选为5～20nm，金属层优选为镍金属层。
25.(2)在900～1000℃下，采用rta快速退火炉对金属层退火1～2min，升温速率为15～25℃，此时金属层粒子发生自组装球聚现象，得到若干球聚状分布的自组装金属层。
26.(3)对沉积有自组装金属层的蓝宝石衬底层进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属层，得到粗化衬底面。本步骤中，采用等离子刻蚀工艺，以bcl3为刻蚀气体，对蓝宝石衬底层表面未被自组装金属层覆盖的区域进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属层，得到粗化衬底面，其中除去自组装金属层的溶液由浓硫酸、双氧水以及水按体积比5:1:1混合配成。
27.本实施方式中，关于增透层的具体材质选择以及相应的参数设置，提供了以下两种设置方式：其一，增透层的材质为sio2，折射率n＝1.47，厚度为(2n 1)a，其中n为大于1的整数，44.2nm≤a≤48.5nm，a值优选为46.7nm；其二，增透层的材质为mgf2，折射率n＝1.38，厚度为(2n 1)b，其中n为大于1的整数，47.1nm≤b≤51.6nm，b值优选为49.8nm。上述两种设置方式的增透膜厚度均需要为四分之一波长的奇数倍，而对于增透层的材质以及参数，可根据实际需求进行适应性调整，在此不做限定。
28.请参阅图2，图2是本发明中倒装深紫外led芯片一实施方式的制备过程图。对于本发明所提供的第二解决方案，提供了一种倒装深紫外led芯片的制作方法，该制作方法用于制作前述第一解决方案中的倒装深紫外led芯片，具体步骤包括：
29.s1，在蓝宝石衬底层一侧依次沉积n型algan层、多层量子阱有源层、p型algan层以及p型gan接触层。本步骤如图2中(a)所示，蓝宝石衬底层2的折射率n＝1.7，采用mocvd设备，在蓝宝石衬底层2一侧依次沉积n型algan层3、多层量子阱有源层4、p型algan层5以及p型gan接触层6，可以在p型gan接触层6远离蓝宝石衬底层2一侧设置p电极和n电极，从而形成完整的倒装芯片结构，具体的沉积工艺按现有的倒装uvc芯片沉积工艺执行，故在此对工艺细节不做赘述。
30.s2，蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧蒸镀一层金属层。本步骤如图2中(b)所示，在蓝宝石衬底层2远离n型algan层3一侧蒸镀一层金属层7，本实施方式中优选镍金属层，以便于后续自组装金属层的形成。
31.s3，在900～1000℃下对金属层退火1～2min，升温速率为15～25℃，得到自组装金属层。本步骤如图2中(c)所示，在900～1000℃下，采用rta快速退火炉对金属层退火1～2min，升温速率为15～25℃，进一步优选的退火时间为2min，升温速率为20℃，此时金属层粒子发生自组装球聚现象，从而使平整的金属层7转变成若干球聚状分布的自组装金属层8，使自组装金属层8能够在后续刻蚀中充当模板作用。其中，优选镍作为金属层的材料，其原因在于，镍在高温下易球聚，且不容易从蓝宝石衬底层上脱落，提高所形成的自组装金属层的稳定性，确保后续能够很好地对蓝宝石衬底进行粗化。
32.s4，对沉积有自组装金属层的蓝宝石衬底层进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属层，得到粗化衬底面。本步骤如图2中(d)所示，采用等离子刻蚀工艺，以bcl3为刻
蚀气体，在适宜的腔压、电极功率条件下，对蓝宝石衬底层2表面未被自组装金属层8覆盖的区域进行刻蚀，刻蚀完成后用溶液除去自组装金属层8，得到具有凹凸形貌的粗化衬底面21；由于粗化衬底面21的凹凸形貌结构，使蓝宝石衬底层的表面积增加，进而使倒装芯片中光子的逃逸几率增加，同时也打破了界面出的全反射限制，从而提高了芯片在粗化衬底面21处的出光率。
33.s5，在粗化衬底面上沉积增透层，得到倒装深紫外led芯片。本步骤如图2中(e)所示，在具有凹凸形貌的粗化衬底面21上沉积增透层1，此时沉积后的增透层1会呈现出两面均凹凸形貌结构，则增透层1的表面积显著增加，一方面使光子在增透层与空气的界面处的逃逸几率增加，另一方面显著降低了在增透层与空气的界面处的全反射限制效果，从而解决现有倒装芯片在蓝宝石衬底与空气的界面处产生截面反射并伴随半波损失的问题，使出光效果显著提高。本实施方式中，增透层的材质优选为sio2或mgf2，不同的材质由于折射率的差异，使得厚度设置需要进行相应调整，但无论选择哪种材质，增透膜厚度均需要为四分之一波长的奇数倍，这样才能对粗化衬底面处辐照出的光起到增透作用。
34.进一步地，将本发明中的倒装深紫外led芯片与现有技术中普通的倒装深紫外led芯片进行光提取效率的若干次对比测试，就可以发现，本发明中倒装深紫外led芯片的光提取效率相对于现有普通倒装芯片提升10～15％，证明本发明方案实现了芯片光提取效率的提高。
35.区别于现有技术的情况，本发明提供了一种倒装深紫外led芯片及其制作方法，通过对蓝宝石衬底层远离n型algan层一侧进行粗化并沉积增透层，增加了光子逃逸几率，降低了界面全反射，从而实现了芯片光提取效率的提高。
36.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。