专利名称：一种深紫外半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件其制造方法，更具体地为一种深紫外半导体发光器件及其制造方法，其发光波长为100rniT315nm。
背景技术：
紫外线覆盖波长范围为lOOnmlOOnm。一般，UVA的波长范围指400 315歷；UVB的波长范围指315 280nm ；UVC的波长范围指^iTlOOnm。对比荧光发光和气体放电发光，发
光二极管的发光方法可更有效率。紫外线发光二极管可以发出紫外范围的光(从100-400·)，但是实际在365nm波长以下，发光效率非常有限。在365nm波长其发光效率在5、％，在395nm波长接近20%，较长波段的紫外线发光效率比较好。这些紫外线发光二极管已经开始应用于紫外线固化材料，光催化净化空气器，伪钞鉴定，光线疗法，白光二极发光管和日光浴机。在目前现有技术，紫外线二极发光管光强度已经接近3000 mff/cm2 (30 kW/π )。伴随目前先进光引发剂和树脂合成配方的发展，将扩大紫外线发光二极管应用在固化材料开发范围。同时，UVC 有着杀菌紫外线，可以有效应用于消毒和杀菌，净化水，和医疗中有一系列的应用。所以提升紫外线发光二极管光通量技术发展对紫外线发光二极管未来应用领域影响重大。通常，紫外线发光二极管具有多层不同材料结构。材料与厚度的选择影响到LED 的发光波长。为提升取光效率，这些多层结构都是选择不同的化学成分组成，以促进光电载流子独立进入复合区(一般是量子阱)。在量子阱一侧掺以施子原子从而提高电子的浓度(N 型层)，另外一侧掺以受子原子从而提高空洞的浓度(P型层)。紫外线发光二极管包括电子接触结构，根据不同器件的性质可选择不同电极结构连接电源，电源可通过接触结构为器件提供电流。接触结构将电流沿着器件表面注入发光区里面并转换成光。在紫外线发光二极管表面可用导电材料做成接触结构，但是这些结构会阻止光的发射从而降低光通量。如图1所示，列出了一个现有技术的发光体芯片结构，其中包括单晶衬底120，掺杂N型半导体层101，发光层102，掺杂P型半导体层103和一覆盖层104用来制备低电阻率接触。在这些芯片结构中，表面外延覆盖层P-GaN层会吸收从发光体产生的紫外线光，特别是波长在^(Tl00nm。由于电阻高，在大电流驱动下，紫外线发光二极管的散热性不好，影响器件的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种深紫外半导体发光器件及其制造方法。根据本发明的一方面，提供了一种深紫外半导体发光器件。该半导体发光器件包含带有导电通道的基板；发光外延结构，依次由η型半导体层、发光层、ρ型半导体层构成； 光学机械支撑结构，设置有导电通道；所述发光外延结构位于前述基板和光学机械支撑结构之间，光学机械支撑结构一侧为出光面。优选地，本发明之发光外延结构中靠近基板的一侧半导体层设置有微光通道， 优选地，本发明之发光层所产生的光波长为100rniT315nm。优选地，本发明之所述光学机械支撑结构由单晶材料构成，一方面作为外延生长衬底，另一方面，作为出光面。优选地，本发明之光学机械支撑结构的厚度为发光波长的1/4整倍数。优选地，本发明之光学机械支持结构厚度为flOOum，使得能够稳固多层薄膜发光体结构，同时提升光通效率。优选地，本发明之光学机械支持结构表面有一系列微通道，该微通道的深度小于光学机械支持结构的厚度。优选地，前述微通道的深度小于或等于光学机械支持结构厚度的1/2，以承受相应物理应力。优选地，本发明之基板上各导电通道的总面积应小于基板总表面积的60%，以保证良好接触，同时确保物理稳定性。优选地，本发明之基板通过一金属结构与发光外延结构连接。优选地，前述金属结构包含反射层，欧姆金属接触层和键合层。优选地，前述键合层由导电材料组成，其电阻率在1.0 χ 10-8到1.0 χ 10 _4 Ω.ι 之间。优选地，本发明之基板的材料选自陶瓷、硅片，具有较好的散热性。根据本发明的另一方面，提供了一种深紫外半导体发光器件的制作方法。该方法包括
1)在单晶衬底上外延生长发光外延结构，其依次由η型半导体层、发光层、P型半导体层构成；
2)提供一带有导电通道的基板，将其与发光外延结构连接，其中，发光外延结构位于该基板和前述单晶衬底之间；
3)削薄单晶衬底，在衬底上制作导电通道，其连接外部电源与发光外延结构，形成光学机械支持结构。优选地，本方法还包括在整个外延结构上的外覆盖层制作微光通道。优选地，本方法之步骤2)中，所述基板通过金属键合层与发光外延结构键合，其具体步骤如下在发光外延结构表面上形成反射层；在反射层上形成欧姆接触层；在欧姆接触层上形成共晶金属层；将基板与共晶金属键合。优选地，本发明之光学机械支撑结构的厚度为发光波长的1/4整倍数。优选地，本发明之光学机械支持结构厚度为flOOum，使得能够稳固多层薄膜发光体结构，同时提升光通效率。优选地，本方法之步骤3)中还包含在光学机械支持结构上形成微通道图形，其深度小于光学机械支持结构的厚度。优选地，前述微通道的深度小于或等于光学机械支持结构厚度的1/2，以承受相应物理应力。优选地，前述微通道的面积小于或等于光出射总表面的60%，以确保物理稳定性。
本发明将发光外延结构夹在光学机械支持结构与带导电通道的散热基板之间，一方面，有效的解决其散热问题，另一方面，确保了发光外延结构的物理稳定性和结构完整性，并可作为取光面，增强出光效率。进一步地，发光外延结构的远离出光面的一侧覆盖层带有微光通道，加上反射层， 发光体产生的光大部分从光学机械支持结构的一侧输出，避免了覆盖层P-GaN吸收紫外线，有效地提高了出光效率。更进一步地，控制光学机械支持结构在特定厚度范围内，能够稳固多层薄膜发光体结构，同时提升光通效率。在光学机械支持结构表面制作光学图形，进一步有效促进了光的提取率。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。图1为一个现有技术的半导体发光器件的结构示意图。图2为本发明之半导体发光器件示意图。图3为本发明之光学机械支撑结构的结构示意图。图4为本发明半导体发光器件的发光方向的路径示意图。图5 图9为本发明半导体发光器件制造过程的截面示意图。图中各标号为发光外延结构100，n型半导体接触层101，发光层102，p半导体接触层103，p型半导体覆盖层104，微光通道105，金属结构110，金属反射层111，欧姆金属接触层112，键合层113，单晶衬底120，散热基板200，通孔201，导电通道202，光学机械支撑结构320，导电通道321，微通道322。
具体实施例方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，这些均落在本发明的保护范围之内。本发明中，在发光外延结构中可取η型半导体层、P型半导体层两侧之任意一侧为出光面，以下实施例均以η型半导体层一侧为出光面，因取ρ型层一侧为出光面与η型层一侧的原理基本相同，故不再重复描述。实施例一
如图2所示，一种深紫外半导体发光器件，包括散热基板200，金属结构110，发光外延结构100和光学机械支持结构320。散热基板200用于支撑发光外延结构，由导热性能好的材料构成，可为陶瓷或硅片，其上设有系列通孔201，考虑到该基板的应力承受度，其总面积最好小于基座衬底总面积的60%，在这里取40%左右。在通孔内填充导电材料形成导电通道202，用于将电流传送到发光外延结构中，用激发发光层发光。金属结构110由金属反射层111，欧姆金属接触层112和键合层113构成。其中键合层113由导电材料组成，材料的电阻率在1.0 χ 10_8到1.0 χ 10 _4Ω.πι之间，熔点在200°C以上；接触层112由导电材料组成，材料的电阻率在1.0 χ 10_8到1. 0 χ 10 _4 Ω.πι 之间，其材料可以从Au，Ag，Cu，Al，Pt中选择；反射层111的材料可以是Al，Ag，Pt和Au。发光外延结构100，包括η型半导体接触层101 (如Ii-AlxGivxM),发光层102 (如 AlxGiVxNAi-AlxGiVxN,可为多量子阱或单量子阱结构)，ρ半导体接触层103(如P-AlxGiVxN), P型半导体覆盖层104 (P-GaN)0其中，ρ型半导体覆盖层104设有系列微光通道105，其面积不超过总面积的80%。在P型层表面制备微光通道105从而增强透光量达到反射层表面， 将光反射出来，进一步提升发光率。如图3所示为光学机械支撑结构320示意图。光学机械支撑结构320与η型半导体层101接触，该光学机械支撑结构320由单晶衬底120减薄而成的，其材料可以为蓝宝石、AlN等单晶材料。用tM表示光学机械支撑结构320的厚度，根据光折射原理，为了获得最佳取光率，本实施例中tM取值为发光波长的1/4整数倍，tM取值范围控制最终厚度控制在5 100um。在光学机械支撑结构320上有导电通道321，与η型半导体层101电连接，用于传送电流到N型层。在光学机械支撑结构320表面上分布有微通道322，用、表示微通道 322的深度，考虑到需承受相应物理应力，、与tM的关系最好满足如下关系式、(tM/2， 本实施例取、=tM/2。如图4所示，发光器件通过基板200的导电通道202和光学机械支撑结构320的导电通道321接通外部电流，发光层102在电流激发下发射光线。其中直射光直接穿过η 层型101，通过光学机械支撑结构的取光、直接射出，反射光穿过ρ型半导体层覆盖层104的微光通道105，通过金属反射层111的反射，射向出光方向，进而有效减少了 ρ型半导体层覆盖层104对紫外光的吸收，提高的出光效率。实施例二
本实施例包含将发光体结构转移至带导电通路高导热基座衬底板上的制备方法、P 层微光通道的制备方法及光学机械支撑结构的制备方法。P层微光通道可用干蚀刻或者化学湿法蚀刻实现。在两种技术中，可先利用光刻胶进行保护。利用光刻方法形成所需要的图案，然后蚀刻出所需要的图形，去除光刻胶及保护层后，在P表面先制备一层金属反射薄膜层，高反射金属材料可以是Al，Pt，Ag等，然后制备欧姆接触金属结构。微光通道总覆盖面积在不影响P层导电性情况下，不超过总面积的 80%,该P层微光通道可大大提升发光效率。带有导电材料填充小孔的基座衬底可以用多种不同方发实现。可利用激光或者机械挖孔，然后注入导电材料，例如金、铜和镍等。在基座衬底表面上制作共熔合金层后， 将带有导电材料填充小孔及共熔合金的基座衬底与P层上的金属层进行键合。共熔金属可以是AuSn，AgSn等共熔合金，其特性是在比较低温下基座衬底和P层金属间达到熔融状态形成无空隙的键合。光学机械支撑结构是由单晶衬底转化而成的。通过化学，机械或两种方法组合， 将单晶基板减薄，根据外延层伸张应力容许范围内控制减薄厚度。单晶基板减薄完成后，用干法蚀刻或湿法蚀刻制备相关通道图形。导电通道和增光微通道的区域可用激光加工法和两次的干法，湿法或干湿组合方法蚀刻实现，例如利用机械研磨和抛光将单晶基板减薄后，长一层Si02作保护膜，然后旋涂一层光刻胶，用曝光法制作相应的图形，镀上N层金属后去除光刻胶。第二次的光刻制备出增光微通道的图形，利用干法，湿法或干湿法蚀刻完成增光微通道的图形，其图形深度不超过导电穿透通道深度的一半。这样带有可控厚度和光学图形的光学机械支撑结构，可以提升发光体的发光效率。下面结合图5 图9，进行详细说明。首先，在AlN基板120上依次外延生长η型半导体接触层101，发光层102，ρ层半导体接触层103，ρ型半导体覆盖层104。下一步，在ρ型半导体覆盖层104上，利用干蚀刻方法制备微米通道105，微米通道的深度在l(T500nm之间；在ρ型半导体覆盖层104顶面上制作反射金属层111，金属反射层材料首选NiAu，厚度在50-1000nm之间，也可以是包括Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的一种合金制成，并通过在队气氛中高温退火达到欧姆接触特性并增强其与P型半导体覆盖层104的附着力；在上述反射金属层111上制备欧姆金属接触层112及键合层113，欧姆金属接触层的材料首选Ti/Pt/Au合金，厚度在0. 5 10um之间，也可以是包括Cr、Ni、Co、Cu、 Sn、Au在内的任何一种合金制成，键合层113材料首选AuSn合金，厚度在广IOum之间，也可以是包括Ag、Ni、Sn、Cu、Au等在内的任何一种合金制程。下一步，在上述触层112及键合层113上将晶片与带有周期性导电通路的基板200 进行键合(Wafer Bonding)。工艺条件温度在(T500°C之间，压力在0 800 kg之间，时间在0 180分钟之间。下一步，将上述用于生长外延结构的AlN单晶衬底120进行化学研磨减薄，厚度减薄到发光波长的1/4整倍数，最终厚度控制在5 100um。在上述减薄基板320上利用干蚀刻方法，制作一系列的微通道图形322，形成特殊的光学机械支撑结构320，以提取更多从发光体发射出来的光；未穿透通道的深度不可大于单晶基板厚度的1/2。下一步，对应于光学机械支撑结构320的周期性位置，利用激光或者湿法蚀刻制备小孔，通至N型半导体层，在小孔内填充导电材料，形成导电通道321 ；并在通道上制备N 型欧姆接触金属层，材料优选Ti、Al、Au三种符合金属，也可以是Ti、Al、Au、Ag、I h、C0在内的任和一种合金制成，并通过在N2气氛中高温退火达到欧姆接触特性并增强其与N半导体层的附着力。在上述N型欧姆接触金属层上制备N电极焊盘，材料优选TiAu，厚度在广20um 之间。下一步，根据导电通路的基板200的间距周期，将晶圆上的单元器件逐一解离，形成芯粒。本发明的特征和结构可参看附图的详细描述。附图数据是描述概要，不是按比例绘制。为了图形清晰，未有在每个图的标识做备注。所有专利申请，专利权以引用的方式并入本文中，包括引用的实体，如有冲突，以当前的规格和定义为参照。
权利要求
1.一种深紫外半导体发光器件，包括一带有导电通道的基板；一发光外延结构，依次由η型半导体层、发光层、ρ型半导体层构成；其特征在于还包括一光学机械支撑结构，设置有导电通道；所述发光外延结构被夹在前述基板和光学机械支撑结构之间，光学机械支撑结构一侧为出光面。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于所述光学机械支撑结构由单晶材料构成。
3.根据权利要求1的所述的半导体发光器件，其特征在于在发光外延结构的靠近基板的一侧半导体层制备微光通道。
4.根据权利要求1或3所述的半导体发光器件，其特征在于所述光学机械支撑结构的厚度为发光波长的1/4整倍数。
5.根据权利要求1或3所述的半导体发光器件，其特征在于所述光学机械支持结构厚度为5 lOOum。
6.根据权利要求1或3所述的半导体发光器件，其特征在于所述光学机械支持结构表面有一系列微通道，该微通道的深度小于光学机械支持结构的厚度。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于所述微通道的深度小于或等于光学机械支持结构厚度的1/2，以承受相应物理应力。
8.根据权利要求1或3所述的半导体发光器件，其特征在于所述基板上各导电通道的总面积应小于基板总表面积的60%。
9.根据权利要求1或3所述的半导体发光器件，其特征在于所述基板与发光外延结构之间有一金属结构。
10.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其特征在于所述金属结构包含反射层， 欧姆金属接触层和键合层。
11.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其特征在于所述键合层由导电材料组成，材料的电阻率在1.0 χ 10-8到1.0 χ 10 -4Ω.πι之间。
12.根据权利要求1或3的所述的半导体发光器件，其特征在于所述基板的材料选自陶瓷、硅片。
13.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于发光层所产生的光波长为 100nm 315nmo
14.一种紫外半导体发光器件的制作方法，其包含如下步骤在单晶衬底上外延生长发光外延结构，其依次由η型半导体层、发光层、ρ型半导体层构成；提供一带有导电通道的基板，将其与发光外延结构连接，其中，发光外延结构被夹在该基板和前述单晶衬底之间；削薄单晶衬底，在衬底上制作导电通道，其连接外部电源与发光外延结构，形成光学机械支持结构。
15.根据权利要求14所述的半导体发光器件的制作方法，还包含如下步骤在整个外延结构上的外覆盖层制作微光通道。
16.根据权利要求14所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于前述步骤2)中， 所述基板通过金属键合层与发光外延结构键合，其具体步骤如下在发光外延结构表面上形成反射层； 在反射层上形成欧姆接触层； 在欧姆接触层上形成共晶金属层； 将基板与共晶金属键合。
17.根据权利要求14所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于所述光学机械支撑结构的厚度为发光波长的1/4整倍数。
18.根据权利要求14所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于所述光学机械支持结构厚度小于或等于15微米。
19.根据权利要求14所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于前述步骤3)中还包含在光学机械支持结构上形成微通道图形，其深度小于光学机械支持结构的厚度。
20.根据权利要求19所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于所述微通道的深度小于或等于光学机械支持结构厚度的1/2。
全文摘要
本发明公开了一种深紫外半导体发光器件及其制造方法。该半导体发光器件包含带有导电通道的基板；发光外延结构，依次由n型半导体层、发光层、p型半导体层构成；光学机械支撑结构，设置有导电通道；所述发光外延结构位于前述基板和光学机械支撑结构之间，光学机械支撑结构一侧为出光面。本发明将发光外延结构夹在光学机械支持结构与带导电通道的散热基板之间，一方面，有效的解决其散热问题，另一方面，确保了发光外延结构的物理稳定性和结构完整性，并可作为取光面，增强出光效率。
文档编号H01L33/46GK102208522SQ20111016532
公开日2011年10月5日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者梁兆煊, 钟志白, 陈文欣 申请人:厦门市三安光电科技有限公司