新型深紫外发光二极管芯片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件设计与制备领域，特别是涉及一种新型深紫外发光二极管芯片及其制备方法。

背景技术：

algan基深紫外发光二极管因其广泛的应用领域，如空气净化、杀菌消毒、生化检测、光通讯等，而受到持续关注。采用金属有机化合物化学气相沉积法(mocvd)在c面蓝宝石衬底上外延生长的晶圆片，因衬底蓝宝石绝缘的缘故，在器件制备的过程中，必须通过刻蚀的方法刻蚀晶圆片表面形成台面结构，即n型电极和p型电极在同一侧。在这种台面结构中，不可避免地存在横向电流扩展问题，导致电流集聚在台面边缘。而且随着algan材料中al组分的升高，施主离化能增加，载流子的迁移率降低，使得n-algan层的电阻率较高，导致n侧电流扩展长度减少，电流分布更加不均匀。换句话说，高al组分的algan基深紫外led比gan基可见光和近紫外led，具有更严重的电流拥堵问题。就深紫外led的光效而言，不均匀的电流密度分布势必会导致有源区不均匀的载流子辐射复合，那么从有源区发出的光能逃逸到芯片之外的比例也将发生变化，因此不均匀的电流密度分布将会导致芯片光效下降。另一方面，在电流密集的地方会产生大量的焦耳热，特别是n型电极附近的有源区，由于大量载流子的注入，有源区中发生非辐射复合、俄歇复合的比例会相对增加，那么有源区将会受到不均匀的热分布以及温度导致的内、外量子效率下降。同时由于器件结温较高，局部过热将会引起金属的电迁移、材料老化等，加速器件退化，导致芯片失效。因此如何通过芯片电极结构设计来调控深紫外发光二极管的电流分布，获得高功率深紫外led是一个急需解决的难题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种新型深紫外发光二极管芯片及其制备方法。

一种新型深紫外发光二极管芯片，包括外延结构、位于所述外延结构上的p型金属电极层，所述外延结构包括依次设置的衬底、n-algan层、发光层、p-gan层；

所述n-algan层、发光层、p-gan层以及p型金属电极层均开设有若干个孔洞，且相邻两层孔洞所在位置相互对应；

所述芯片还包括n型金属电极层与导联层，所述n型金属电极层包括若干列电极柱，每列电极柱包括若干个子电极柱，所述子电极柱一一连接在所述n-algan层的孔洞内，所述子电极柱的直径小于所述孔洞的直径；

相邻两个所述子电极柱的中心间距相等；

所述导联层包括若干个连接柱，所述连接柱贯穿所述p型金属电极层与所述子电极柱一一连接。

在其中一个实施例中，所述子电极柱的高度低于所述n-algan层的高度。

在其中一个实施例中，所述n型金属电极层包括5列电极柱，每列电极柱包括4个子电极柱，每个所述子电极柱的直径为100～110μm；两个相邻所述孔洞之间的中心距离为140～155μm。

在其中一个实施例中，所述导联层还包括若干连接条，所述连接条连接在每列所述连接柱的顶端。

在其中一个实施例中，所述n型金属电极层中的金属依次包括ti/al/ti/au，对应厚度依次为5nm/10nm/5nm/10nm；所述导联层的金属包括cr和au，总厚度为300nm。

在其中一个实施例中，所述衬底为c面蓝宝石衬底，所述p-gan层的金属包括ni和au，厚度分别为20nm与50nm。

在其中一个实施例中，所述n-algan层的边沿向内收缩形成预定厚度的台阶，所述预定厚度为600～800nm。

本发明同时提供一种新型深紫外发光二极管芯片的制备方法，用于制备如上述的新型深紫外发光二极管芯片，包括下列步骤：

s10：制作外延结构：生长外延结构，在外延结构上开设若干个孔洞；

s20：制作n型金属电极层：蒸镀n型金属电极层并剥离形成若干列电极柱，退火第一预定时间；

s30：制作p型金属电极层：蒸镀p型金属电极层并在所述p型金属电极层上剥离形成与所述外延结构上孔洞对应的若干个孔洞，退火第二预定时间；

s40：制作导联层：蒸镀导联层并剥离形成若干个连接柱。

在其中一个实施例中，所述步骤s20中第一预定时间为45s，退火温度为750℃～850℃；所述步骤s30中第二预定时间为5min，退火温度为500℃～550℃。

在其中一个实施例中，所述步骤s10中还包括以光刻胶为掩膜，在bcl3和cl2的混合气氛中采用等离子体在外延结构上蚀刻台阶结构。

本发明提供的新型深紫外发光二极管芯片通过设计具有多孔结构尤其是蜂窝状结构的n型金属电极层，与传统的长条形电极深紫外led相比，该深紫外发光二极管的串联电阻小，压降低，有利于电流均匀分布，降低电流拥堵效应，同时减少焦耳热的产生，能大大提高器件性能。此外，本发明提出的此结构芯片的墙插效率大幅度提高，工作产生的热损耗也大幅度降低，也进一步提升使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中新型深紫外发光二极管芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中金属电极层的分布结构示意图；

图3为本发明实施例中新型深紫外发光二极管芯片制备方法流程图；

图4为本发明实施例中新型深紫外发光二极管芯片与参照组(常规长条形)电极结构芯片的墙插效率对比图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-外延结构；110-衬底；120-aln缓冲层；130-n-algan层；200-n型金属电极层；310-发光层；320-p-gan层；400-p型金属电极层；500-导联层；510-子电极柱；520-连接条；600-二氧化硅钝化层；610-镂空孔；700-焊盘金属层；710-凸台；800-孔洞。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施例中提供了一种新型深紫外发光二极管芯片，如图1和图2所示，包括外延结构100、位于外延结构100上的p型金属电极层400，而外延结构100包括依次设置的衬底110、n-algan层130、发光层310、p-gan层320，另外，深紫外发光二极管芯片还包括位于发光层310与p-gan层320之间的电子阻挡层，以及根据设计要求分别分布在芯片的各个部位的二氧化硅钝化层600和焊盘金属层700，在此不作更多赘述。本发明采用的外延结构100的主体结构具体包括蓝宝石衬底110，aln缓冲层120，高al组分n-algan层130，发光层310(即量子阱区)，电子阻挡层和p-gan层320，本发明采用高al组分的n-algan基材料外延片，其中n-algan层130中al组分的质量百分数至少为40％，更优选的，可采用55％。

其中n-algan层130、发光层310、p-gan层320以及p型金属电极层400均开设有若干个孔洞800，且相邻两层孔洞800所在位置相互对应，即以上各层均设有孔洞800，并且上下相邻两层的孔洞800重合对应。另外，芯片还包括n型金属电极层200与导联层500，其中n型金属电极层200包括若干列电极柱510，每列电极柱510包括若干个子电极柱510，该子电极柱510一一连接在n-algan层300的孔洞800内，子电极柱510的直径小于孔洞800的直径，优选的，子电极柱510的高度低于所述n-algan层130的高度，这样可以使得器件有更低的电压。需要强调的是，相邻两个子电极柱510的中心间距相等，即相邻两个孔洞800之间的中心间距也相等，由此形成相邻两列子电极柱510交错分布的结构，整体呈蜂窝状结构。

优选地，n型金属电极层200包括5列电极柱，每列电极柱包括4个子电极柱510，每个子电极柱510直径大小为100～110μm，优选106μm，两个相邻孔洞800之间的中心距离为140～155μm，即两个孔洞800的孔壁间的最小间距为40～45μm，优选43μm。

作为一个优选的方式，连接p型金属电极层400与n型金属电极层200的导联层500采用如下的特殊形式：导联层500包括若干个连接柱510，连接柱510贯穿p型金属电极层400与子电极柱510一一连接。

进一步优选的，导联层500还包括若干连接条520，该连接条520连接在每列连接柱510的顶端。并且，在连接条520的一端设置与芯片外层的焊盘金属层700电连接的连接点，可以减少在二氧化硅钝化层600上设置镂空穿孔，也便于芯片的整体成型。

在一个优选实施例中，本发明提供的深紫外发光二极管芯片采用的n型金属电极层200中的金属依次包括ti/al/ti/au，其对应厚度依次为5nm/10nm/5nm/10nm，而导联层500的金属包括cr和au，导联层500总厚度为300nm。

优选的，衬底110为c面蓝宝石衬底110，p-gan层320中所含金属包括ni和au，厚度分别为20nm与50nm。在其中一个实施例中，所述n-algan层300的边沿向内收缩形成预定厚度的台阶，所述预定厚度为600-800nm。即n-algan层130存在上下两层，其中上层相对下层的边沿向内同距离或同比例收缩，形成台阶，能够使电流更好地横向扩展，因此通过在芯片制备过程中，通过刻蚀的方式形成200～300nm宽的台阶。

作为另一个优选的方案，新型深紫外发光二极管芯片的二氧化硅钝化层600上设有若干镂空孔610，焊盘金属层700上上设有与所述镂空孔610对应的凸台710，该凸台710可穿过所述镂空孔610抵接在所述p型金属电极层400上。优选将凸台710设置为圆角矩形的横截面形状，该凸台一方面是为了便于光刻显影，二是为了增加焊盘金属层700与p型金属电极层400(ni/au)的接触面积。

本发明同时提供一种新型深紫外发光二极管芯片的制备方法，用于制备如上述的新型深紫外发光二极管芯片，如图3所示，主要包括下列步骤：

步骤s10：制作外延结构100：生长外延结构100，在外延结构100上开设有若干个孔洞800。具体为在n-algan层130、发光层310、p-gan层320上采用常用的刻蚀方法刻蚀处用于安放n型金属电极层200的孔洞800。优选的，以光刻胶为掩膜，在bcl3和cl2的混合气氛中采用等离子体在外延结构上蚀刻台阶结构。

步骤s20：制作n型金属电极层200：蒸镀n型金属电极层200并剥离形成若干列电极柱510，退火第一预定时间。具体为旋涂光刻胶并对光刻胶进行前烘，以紫外光源对光刻胶进行投影曝光和显影，使用电子束蒸镀n型金属电极并以剥离液进行剥离，退火第一预定时间，其中，退火温度为750℃～850℃，优选800℃，第一预定时间为45s。此外，交错分布的5列柱状电极具体形成的过程为：将待处理芯片旋涂光刻胶，通过紫外曝光的方法将具有交错分布的5列柱状电极图形的光刻板转移到带有光刻胶的待处理芯片上面，然后将待处理芯片放置在显影液浸泡60s，便可得到交错分布的5列电极结构图形，通过电子束蒸发的方法蒸镀n型电极金属层200，将蒸镀后的实验样品放置在加热的剥离液中浸泡10min，除去多余部分金属，便可得到交错分布的5列柱状电极结构。

步骤s30：制作p型金属电极层400：蒸镀p型金属电极层400并在p型金属电极层400上剥离形成与外延结构100上孔洞800对应的若干个孔洞800，退火第二预定时间。具体为旋涂光刻胶并对所述光刻胶进行前烘，以紫外光源对所述光刻胶进行投影曝光和显影，使用电子束蒸镀p型金属电极层400并以剥离液进行剥离，退火第二预定时间，其中，退火温度为500℃～550℃，优选500℃，第二预定时间为5min。

步骤s40：制作导联层500：蒸镀导联层500并剥离形成所述若干个连接柱510。具体为旋涂光刻胶并对所述光刻胶进行前烘，以紫外光源对所述光刻胶进行投影曝光和显影，使用电子束蒸镀导联层500并以剥离液进行剥离。

当然，在芯片的制备过程中还包括其他相关工艺步骤，例如：

步骤s10与步骤s20之间包括:工艺步骤之一：在相邻芯片之间刻蚀贯穿的跑道。

在步骤s40之后包括:

工艺步骤之二：蒸镀二氧化硅钝化层600，蒸镀厚度1μm，蒸镀温度300℃，通过光刻胶光刻掩膜，使用含氢氟酸的缓冲液腐蚀修正，腐蚀时间为1min。蒸镀二氧化硅钝化层600避免保护电极被腐蚀，同时起到钝化的作用。

工艺步骤之三：焊盘金属的蒸镀，旋涂光刻胶并对所述光刻胶进行前烘，以紫外光源对所述光刻胶进行投影曝光和显影，使用电子束蒸镀cr/al/ti/pt/ti/pt/au，总厚度为1.9μm。

工艺步骤之四：抛光切割，使用2μm研磨液对蓝宝石衬底110进行研磨抛光，并进行激光切割。

工艺步骤之五：封装，使用锡膏将芯片封装到氧化铝陶瓷基板上。

为了表明本发明提出的该结构芯片的有益效果，本发明测试了上述实施例中led芯片与参照组led芯片的墙插效率。具体地：本发明实施例选择30mil*30mil为芯片尺寸大小，占空比(mesa占整个芯片面积的比例)为70％，n型金属电极的分布设计为：20个独立的圆柱形子电极柱构成蜂窝状结构，共五列，每列四根电极柱510，每个直径106μm，两个相邻孔洞之间的中心距离为43，按照上述制备方法完成led芯片制作。

本发明实施例选择常用的长条形作为参考组，为了确保实验结果的准确性，占空比同样保持在70％左右，同时也按照实施例中的制备方法完成led芯片制作，实施例与参照组的区别仅在于电极结构的不同。最终，以这两种电极结构为单元制作了4英寸的光刻版。如图4所示，在注入的电流为280ma时，与传统的长条形电极深紫外led相比，新型蜂窝状电极的深紫外led的墙插效率提高了28％，且通过红外热像仪测试可知，蜂窝状电极的深紫外led芯片温度降低了3.1℃。为了进一步验证新型的蜂窝状版图有利于电流扩展，本发明专利采用发光波长为280nm的高al组分algan基材料的外延片。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。