一种紫外LED外延芯片倒装结构的制作方法

本实用新型涉及半导体光源技术领域，尤其涉及一种紫外LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)外延芯片倒装结构。

背景技术：

随着紫外LED技术的发展、生产成本的下降、输出性能的提升，与目前传统的紫外光源相比，紫外LED具有理论寿命长、冷光源、高效可靠、照射亮度均匀以及不含有毒物质等优点，在生物医疗、杀菌消毒、印刷光刻、光固化生产以及通信探测等领域应用的越来越广泛，近年来也受到半导体照明行业越来越多的关注。

但目前紫外LED正处于技术发展期，还存在一些难以突破的问题，如紫外LED在后期倒装封装过程中存在漏电、电压浪涌、外界静电放电危害等缺点。

因此，如何解决紫外LED在倒装封装过程中的漏电、电压浪涌、外界静电放电等问题成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种紫外LED外延芯片倒装结构，以解决现有技术中紫外LED在倒装封装过程中的漏电、电压浪涌、外界静电放电等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种紫外LED外延芯片倒装结构，包括：

相对设置的衬底和基板；

位于所述衬底和所述基板之间的外延层结构；

隔离层，所述隔离层垂直于所述衬底设置，贯穿所述外延层结构，并将所述外延层结构隔离成发光二极管结构与静电保护二极管结构；

其中，所述发光二极管结构的第二电极和所述静电保护二极管结构的第一电极电连接。

经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的紫外LED外延芯片倒装结构中，通过隔离层将外延层结构分隔为两个部分，分别为用于发光的发光二极管结构和用于对所述发光二极管结构进行静电保护的静电保护二极管结构。由于本实用新型中提供的紫外LED外延芯片倒装结构包括静电保护二极管结构，且所述静电保护二极管结构的第一电极与所述发光二极管结构的第二电极电连接，使得所述静电保护二极管结构与所述发光二极管结构反向并联，直接提供了一条静电放电通道，浪涌电压或大脉冲电流可以绕过发光二极管结构而流经静电保护二极管结构，从而保证了发光二极管结构正常工作而免受静电放电或应力的危害，同时还增大了发光二极管结构的正向电压和抗静电放电打击的强度，提高了紫外LED外延芯片的成品率和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种紫外LED外延芯片倒装结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种具体的紫外LED外延芯片倒装结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的具有静电保护二极管结构的紫外LED外延芯片倒装结构等效电路图。

其中：

1-蓝宝石衬底，2-AlN缓冲层，3-AlN/AlGaN超晶格，4-重掺杂N型AlGaN层，5-轻掺杂N型AlGaN层，6-多量子阱有源区，7-P型AlGaN电子阻挡层，8-P型能量调节层，9-P型GaN接触层，10-反射层，11-电流扩展层，12-导电薄膜层，13-N型电极，14-金属布线层，15-AlN层，16-导电银浆，17-底座，18-钝化绝缘层，19-第一N型电极接触层，20-隔离层，21-P型电极，22-第二N型电极接触层，23-P型电极接触层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，本实用新型实施例提供一种紫外LED外延芯片倒装结构，包括：相对设置的衬底101和基板102；位于衬底101和基板102之间的外延层结构；隔离层104，隔离层104垂直于衬底101设置，并将外延层结构分隔为发光二极管结构103A与静电保护二极管结构103B；其中，发光二极管结构103A的第二电极和静电保护二极管结构103B的第一电极电连接。

本实施例中不限定第一电极和第二电极的具体形式，可选的，所述第一电极为P型电极，所述第二电极为N型电极。

由于本实施例中的紫外LED外延芯片倒装结构包括静电保护二极管结构，且静电保护二极管结构的第一电极与发光二极管结构的第二电极电连接，使得静电保护二极管结构与发光二极管结构反向并联，直接提供了一条静电放电通道，浪涌电压或大脉冲电流可以绕过发光二极管结构而流经静电保护二极管结构，从而保证了发光二极管结构正常工作而免受静电放电或应力的危害，同时还增大了发光二极管结构的正向电压和抗静电放电打击的强度，提高了紫外LED外延芯片的成品率和可靠性。

本实施例中不限定所述紫外LED外延芯片倒装结构中发光二极管结构与静电保护二极管结构的具体结构，可选的，发光二极管结构与静电保护二极管结构的每层叠加结构均相同，从而能够通过外延工艺同时形成发光二极管结构与静电保护二极管结构。

本实施例中发光二极管结构和静电保护结构均包括：第一电极、第一型电极接触层、第二电极、第二型电极接触层、外延层结构；外延层结构包括：沿背离衬底的方向依次设置的缓冲层、超晶格结构、第二型导电层、有源区、第一型导电层、反射层和导电薄膜层；第二型电极接触层设置在垂直于衬底的凹槽内，凹槽贯穿导电薄膜层、反射层、第一型导电层和有源区，与第二型导电层接触；第一电极与第一型电极接触层相连；第二电极位于导电薄膜层背离反射层的表面。

需要说明的是，本实施例中不限定所述第一型电极接触层与第二型电极接触层的具体类型，可选的，本实施例中所述第一型电极接触层为P型电极接触层，所述第二型电极接触层为N型电极接触层。

另外，本实施例中也不限定外延层结构的具体材质，可选的，如图2所示，外延层结构包括依次生长在衬底1上的AlN缓冲层2、AlN/AlGaN超晶格3、重掺杂N型AlGaN层4、轻掺杂N型AlGaN层5、电流扩展层11、多量子阱有源区6、P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9，其中，重掺杂N型AlGaN层4与凹槽内的N型电极接触层接触。即本实施例中第二型导电层包括重掺杂N型AlGaN层4、轻掺杂N型AlGaN层5；第一型导电层为P型GaN接触层9。

本实施例中通过依次设置不同掺杂类型和不同载流子浓度的重掺杂N型AlGaN层和轻掺杂N型AlGaN层，并对轻掺杂N型AlGaN层的厚度进行了优化处理，可选的，本实施例中所述轻掺杂N型AlGaN层的厚度为0.25μm。使得LED外延层结构在垂直于衬底表面方向上的等效串联电阻变大，也就是说在平行于衬底表面方向上的电流扩展更快、更均匀，不仅提高了LED的输出强度，还减小了静电放电、浪涌电压以及大脉冲电流对LED芯片的危害，提高了LED的可靠性。

本实施例中还在外延层结构中的多量子阱有源区6和轻掺杂N型AlGaN层5这两者结构之间设置电流扩展层11，电流在横向流过N型AlGaN层的过程中，使得通过多量子阱有源区6的大部分电流不会集中拥堵在这一区域，电流扩展更有效，提高了载流子的注入效率，减少了焦耳热的产生。

需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9之间还设置有P型能量调节层8。

通过在外延层结构中的P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9之间，设置了一种低势垒的、调制掺杂类型的P型能量调节层8，而P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9还充当了材料传输层的作用。由于外延层结构与蓝宝石衬底之间存在着湮没效应、阻挡效应进而降低了外延层结构中的螺旋位错和晶格失配，改善了晶体的质量和表面形态，缩小了载流子的散射中心，载流子密度增大，减小了表面电阻；另外，由于所述P型空穴能量调节层8在不增加空穴势垒的条件下，还可以利用所产生的极化电场来调节空穴的能量，减少漏电流的形成，进而提高了空穴的注入效率以及LED的内量子效率。

本实施例中不限定P型能量调节层8的具体材质，可选的，P型能量调节层8为铝组分为50％的AlGaN层。P型能量调节层8的晶格常数比P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9都要大，但其禁带宽度却比P型AlGaN电子阻挡层7和P型GaN接触层9都要小，有效地调节了P型区域空穴的能量，提高了LED的内量子效率。

本实用新型实施例中在所述P型GaN接触层9的表面上还外延了反射层10结构。其厚度优化地设置为50nm，且进行了表面粗化等特殊工艺处理，本实施例中不限定反射层10的具体材质，只要能够实现发光二极管发射的光反射回衬底侧即可，本实施例中反射层10采用金属铝或者Ti/Al合金材质，使得其中射向底部的一部分光线能够最大程度地被反射回正面后继续出射，有效地提高了光线的反射效果，增强了LED芯片的出光量。

本实用新型实施例中在反射层10结构的表面上均匀沉积了导电薄膜层12，以及所述发光二极管结构在生长前后工艺中，均采用不同温度梯度下的多次退火工艺处理，增强了外延材料和结构之间的粘结强度，降低了内部接触电阻以及提高了LED芯片的抗静电放电危害的强度。此时位于LED外延结构顶部的电极区域位置处，导电薄膜层较好地充当了将外部接触电极结构与内部外延层结构相互连接的一种起桥梁作用的中间接触层媒介。具体地，通过采用磁控溅射设备、结合蒸镀或电镀等工艺，沉积一种导电性能优越的氧化铟锡(ITO)材料，所述导电薄膜层的厚度优化地设置为50nm。由于导电薄膜层12具有高密度特性，进而表现出很高的反射率，使得LED芯片发光更均匀、光效更高，大大增加了光输出功率。

请继续参见图2，发光二极管结构或静电保护二极管结构还包括第一电极和第二电极，如图2中所示，发光二极管结构包括第一电极A和第二电极B；静电保护二极管结构包括第一电极D和第二电极C。其中，发光二极管结构的第一电极A通过P型电极接触层23与反射层10电连接，发光二极管结构的第二电极B通过发光二极管结构的凹槽区域的第二N型电极接触层22与重掺杂N型AlGaN层4电连接；静电保护二极管结构的第一电极D直接与导电薄膜层12电连接的同时，还与第二N型电极接触层22电连接，静电保护二极管结构的第二电极C通过静电保护二极管结构的凹槽内的第一N型电极接触层19与重掺杂N型AlGaN层4电连接。如图3所示，为本实用新型实施例提供的紫外LED外延芯片倒装结构的等效电路图，发光二极管结构103A的第一电极与静电保护二极管结构103B的第二电极相连。

其中，如图2中所示，第二N型电极接触层22所在凹槽和第一N型电极接触层19所在凹槽背离隔离层一侧的侧壁上均设置有钝化绝缘层，以杜绝凹槽侧壁漏电。凹槽中与隔离层相近的一侧侧壁也可以设置钝化绝缘层，但是由于已经设置了隔离层，已经可以起到防漏电隔离的效果，可选的，凹槽中与隔离层相近的一侧侧壁也可以不设置钝化绝缘层，本实施例中不限定所述钝化绝缘层的材质。所述钝化绝缘层能够对内部接触层的表面进行钝化处理，较好的避免了LED芯片侧壁或者台面处漏电流的形成，防止了金属电极接触层结构的侧壁表面与芯片内部接触层直接形成电流回路而造成短路。其中，所述钝化绝缘层的厚度均优化地设置为10nm。

需要说明的是，如图2所示，发光二极管结构与静电保护二极管结构之间通过隔离层20隔离开来，但发光二极管结构的第二电极B与静电保护二极管结构的第一电极D电连接，具有相同电位，从而使得静电保护二极管结构与发光二极管结构反向并联，直接提供了一条静电放电通道，浪涌电压或大脉冲电流可以绕过发光二极管结构而流经静电保护二极管结构，从而保证了发光二极管结构正常工作而免受静电放电或应力的危害，同时还增大了发光二极管结构的正向电压和抗静电放电打击的强度，提高了紫外LED外延芯片的成品率和可靠性。

本实施例中不限定基板的具体结构，为避免紫外LED外延芯片发光过程中产生较大热量，温度较高存在安全隐患的现象，本实施例中可选的，如图2中所示，本实施例中的基板102包括底座17，位于底座17上依次层叠的导电银浆16、AlN层15和金属布线层14；其中，金属布线层14为图形化结构，包括第一金属布线层和第二金属布线层；第一金属布线层与第一电极相连，第二金属布线层与第二电极相连。

本实施例中基板散热器结构包括改进型金属布线层和AlN陶瓷层共同组成的散热器结构。多量子阱有源区是LED芯片中的主要发热源，由于本实用新型实施例中所设置的AlN陶瓷层和高密度的金属布线层结构，使得发热源与底座热沉结构之间的热扩散路径明显的缩短，LED芯片散热加快，保护了芯片因过热而失效。另一方面，本实用新型所述LED外延片结构中设置多条内部接触层结构，由于填充的是导热性好的金属或者金属合金材料，也可以及时地将LED芯片内部的热量传递到外部。其中，所述金属布线层在基板结构表面上最大限度地向外部展开，并保证金属布线层中间被划开后形成两部分，以及在P电极区域和N电极区域之间形成一条绝缘的、具有一定宽度的隔离型绝缘跑道，防止了LED芯片中直接短路现象的发生。

本实施例中不限定衬底的具体材质，需要说明的是，蓝宝石衬底具有较高的透光性，且在图形化蓝宝石衬底上生长外延层结构时能够得到质量较好的晶体，因此，本实施例中可选的所述衬底为微型纳米图形化蓝宝石衬底，所述微型纳米图形化蓝宝石衬底上的凹凸结构能够有效地减小外延材料之间的残余应力和位错，缓解晶格失配和热失配等问题。

本实用新型实施例提供的紫外LED外延芯片倒装结构由于隔离层的存在，额外地形成了静电保护二极管，能够降低发光二极管的静电放电危害、电压浪涌；重掺杂N型AlGaN层、轻掺杂N型AlGaN层以及P型能量调节层的存在使得空穴注入效率高、内量子效率高、发光效率高；基板的散热器结构使得紫外LED外延芯片倒装结构的散热性好，综上使得紫外LED外延芯片倒装结构具有高效可靠等优点。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。