紫外发光二极管及其制造方法与流程

1.本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种紫外发光二极管及其制造方法。


背景技术：

2.基于(al)gan材料的紫外发光二极管在空气净化、杀菌消毒、紫外光疗、生化检测、保密通信等领域的应用非常广泛，是氮化物半导体研究领域的一个重要研究内容。
3.然而，(al)gan基的duv led具有独特的光学偏振特性，首先是随着a1组份不断上升，duv led发光波长变短，光的偏振态从横向电极化模式(te)向横向磁极化模式(tm)转化。而因为algan的折射率与空气的折射率相差巨大，tm偏振光又主要沿横向传播，因此界面入射角较大，在不同材料界面处发生的全反射作用会导致(a1)gan基duv led的光提取效率(lee)很低，严重降低了紫外发光二极管的出光效率。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种紫外发光二极管及其制造方法，通过形成第一凹槽和第二凹槽，改变紫外led的内部结构，可以打破紫外led内部的全反射效应，提高紫外led的光提取效率。所述技术方案如下：
5.第一方面，提供了一种紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括衬底、外延层、n型电极和p型电极，所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层；
6.所述紫外发光二极管具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽从所述p型层开设至所述n型层，所述第一凹槽的槽底为所述n型层，所述n型电极设置在所述第一凹槽槽底的所述n型层上，所述p型电极设置在所述第一凹槽外的所述p型层上；所述第二凹槽从所述第一凹槽槽底的所述n型层开设至所述缓冲层或所述衬底，所述第二凹槽的槽底为所述缓冲层或所述衬底。
7.可选的，所述紫外发光二极管还包括第一接触层和第二接触层；
8.所述p型层的除所述p型电极设置区域外的其他区域上、所述第一凹槽的侧壁上、以及所述第一凹槽槽底除所述n型电极设置区域外的其他区域上均铺设有所述第一接触层，所述第一接触层为钝化层或增透膜层；
9.所述第二凹槽的侧壁和槽底均铺设有所述第二接触层，所述第二接触层为增透膜层或反射层，或者，所述第二接触层的材料与所述n型电极或所述n型层的材料相同。
10.可选的，所述紫外发光二极管还包括反射层，所述反射层覆盖所述n型电极、所述p型电极、所述第一接触层和所述第二接触层。
11.可选的，所述紫外发光二极管还包括n型焊盘、p型焊盘和p型焊盘连接层；
12.其中，所述p型焊盘连接层设置在所述反射层的远离所述衬底的一面上，且所述p型焊盘连接层位于所述p型电极的正上方，所述p型焊盘位于所述p型焊盘连接层的远离所述衬底的一面上；
13.所述n型焊盘设置在所述反射层的远离所述衬底的一面上，且所述n型焊盘位于所述n型电极的正上方。
14.可选的，所述紫外发光二极管还包括钝化层，所述反射层上除所述p型焊盘连接层和所述n型焊盘的设置区域外的其它区域上均铺设有所述钝化层。
15.第二方面，提供了一种紫外发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
16.在衬底上生长外延层得到外延片，所述外延层包括依次生长在衬底上的缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层；
17.对所述外延层进行多次刻蚀，以在所述外延层上形成第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽从所述p型层开设至所述n型层，所述第一凹槽的槽底为所述n型层；所述第二凹槽从所述第一凹槽槽底的所述n型层开设至所述缓冲层或所述衬底，所述第二凹槽的槽底为所述缓冲层或所述衬底；
18.在所述第一凹槽槽底的所述n型层上形成n型电极；
19.在所述第一凹槽外的所述p型层上形成p型电极。
20.可选的，所述制造方法还包括：
21.在所述p型层的除所述p型电极设置区域外的其他区域上、所述第一凹槽的侧壁上、以及所述第一凹槽槽底除所述n型电极设置区域外的其他区域上形成第一接触层，所述第一接触层为钝化层或增透膜层；
22.在所述第二凹槽的侧壁和槽底形成第二接触层，所述第二接触层为增透膜层或反射层，或者，所述第二接触层的材料与所述n型电极或所述n型层的材料相同。
23.可选的，所述制造方法还包括：
24.在所述n型电极、所述p型电极、所述第一接触层和所述第二接触层上形成反射层。
25.可选的，所述制造方法还包括：
26.在所述反射层的远离所述衬底的一面上形成p型焊盘连接层，所述p型焊盘连接层位于所述p型电极的正上方；
27.在所述p型焊盘连接层的远离所述衬底的一面上形成p型焊盘；
28.在所述反射层的远离所述衬底的一面上形成n型焊盘，所述n型焊盘位于所述n型电极的正上方。
29.可选的，所述制造方法还包括：
30.在所述反射层上除p型焊盘连接层和n型焊盘的设置区域外的其它区域上形成钝化层。
31.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
32.通过在紫外led内形成第一凹槽和第二凹槽，以改变led的内部结构。其中，第一凹槽从p型层开设至n型层，第二凹槽从第一凹槽槽底的n型层开设至缓冲层或衬底。通过设置第二凹槽可以减少多量子阱层产生的光子在n型层到缓冲层或衬底内产生的全反射效应。多量子阱层产生的光子不仅可以从衬底方向出光，还可以从第一凹槽和第二凹槽的侧壁出光，以改变光子的传播方向，使得光子在led内部形成多次反射，从而可以减少光子在器件内的全反射效应，提高芯片的光提取效率。
附图说明
33.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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。
34.图1是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管的截面示意图；
35.图2是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管的制造方法流程图；
36.图3是本发明实施例提供的一种外延片刻蚀截面示意图。
具体实施方式
37.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
38.图1是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管的截面示意图，如图1所示，该紫外发光二极管100包括衬底10、外延层、n型电极30和p型电极40。外延层包括依次层叠在衬底10上的缓冲层21、n型层22、多量子阱层23和p型层25。
39.紫外发光二极管100具有第一凹槽a1和第二凹槽a2。第一凹槽a1从p型层25开设至n型层22，第一凹槽a1的槽底为n型层22。n型电极30设置在第一凹槽a1槽底的n型层22上。p型电极40设置在第一凹槽a1外的p型层25上。第二凹槽a2从第一凹槽a1槽底的n型层22开设至缓冲层21或衬底10。第二凹槽a2的槽底为缓冲层21或衬底10
40.本发明实施例通过在紫外led内形成第一凹槽和第二凹槽，以改变led的内部结构。其中，第一凹槽从p型层开设至n型层，第二凹槽从第一凹槽槽底的n型层开设至缓冲层或衬底。通过设置第二凹槽可以减少多量子阱层产生的光子在n型层到缓冲层或衬底内产生的全反射效应。多量子阱层产生的光子不仅可以从衬底方向出光，还可以从第一凹槽和第二凹槽的侧壁出光，以改变光子的传播方向，使得光子在led内部形成多次反射，从而可以减少光子在器件内的全反射效应，提高芯片的光提取效率。
41.在本实施例的一种实现方式中，第二凹槽a2的底面宽度小于第一凹槽a1的底面宽度。且从外延层的p型层25至衬底10方向，第二凹槽a2的宽度逐层减小。
42.可选的，第一凹槽a1可以通过一次刻蚀成型。第一凹槽a1的刻蚀深度为h1，h2＜h1≤h3，h2为n型层上方的外延层的厚度，h3为缓冲层上方的外延层厚度，h3-h2为n型层的厚度。考虑到后续的工艺与钝化层材料的覆盖性，第一凹槽a1的刻蚀角度在5
°
～75
°
。其最优的刻蚀角度可根据量子阱层的全反射角度进行计算，本实施例中，较优的角度在35
°
。其中刻蚀角度不同，形成的第一凹槽a1的侧壁的倾斜角度即不同。
43.第二凹槽a2可以通过多次刻蚀得到。例如，通过对n型层22进行一次刻蚀，刻蚀深度为h4，0um＜h4≤h5，h5为剩余n型层的厚度，刻蚀角度在5
°
～80
°
；对缓冲层21进行二次刻蚀，刻蚀深度为h6在0＜h6≤h7，h7为缓冲层厚度，刻蚀角度在10
°
～85
°
；得到槽底为缓冲层21的第二凹槽a2。此时第二凹槽a2通过两次刻蚀得到。
44.或者，通过对n型层22进行一次刻蚀，刻蚀深度为h4，0um＜h4≤h5，h5为剩余n型层的厚度，刻蚀角度在5
°
～80
°
；对缓冲层21进行二次刻蚀，刻蚀深度为h6在0＜h6≤h7，h7为缓冲层厚度，刻蚀角度在10
°
～85
°
；对衬底10进行三次刻蚀，h8在0＜h8≤h9，h9为衬底厚
度，刻蚀角度在5
°
～85
°
，得到槽底为衬底10的第二凹槽a2。此时第二凹槽a2通过三次刻蚀得到。
45.需要说明的是，刻蚀形成的上述第一凹槽a1和第二凹槽a2的横截面形状可以为圆柱形、正梯形、倒梯形等，刻蚀侧壁可进行粗化，刻蚀的台面可进行粗化、光子晶体、图形化等设计，本发明实施例对此不做限定。
46.在本实施例中，衬底1可以为蓝宝石衬底。缓冲层21可以为a1n层，生长缓冲层2主要是为了缓解蓝宝石衬底与algan材料的晶格失配和热失配。但是该层的厚度不宜过厚，因为该层晶体质量较差，如果生长过厚，则会影响后续外延结构的生长并且会吸光，影响外量子效率。n型层22可以为掺si的algan层。多量子阱层23可以包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层其中量子阱层为al
x
ga
1-x
n层，0＜x＜1，量子垒层为alyga
1-y
n层，0＜y＜1。量子阱层和量子垒层中al组分含量不同，即x和y的取值不同，以提供不同的禁带宽度。根据不同的紫外波长，x和y可以选取不同的取值组合。p型层25可以为掺mg的algan层。n型层22提供的电子和p型层25提供的空穴可以在多量子阱层23中进行辐射复合发光。n型电极30的材料包括但不限于cr、al、ti、pt、au等组合金属或者叠层金属、外延二次生长的高电导性n型半导体等。例如，当n型电极30的材料为组合金属结构时，厚度为200～500nm。p型电极40的材料包括但不限于niau、氧化铟锡、rh等。例如当p型电极40的材料为氧化铟锡时，厚度为10～70nm。
47.可选地，如图1所示，紫外发光二极管还包括设置在多量子阱层23和p型层25之间的电子阻挡层24，电子阻挡层24可以为掺mg的a1gan层。通过设置电子阻挡层可以有效阻挡电子从多量子阱层23逃逸到p型层25，从而可以提高led的内量子效率。
48.可选的，紫外发光二极管100还包括第一接触层51和第二接触层52。
49.p型层25的除p型电极40设置区域外的其他区域上、第一凹槽a1的侧壁上、以及第一凹槽a1槽底除n型电极30设置区域外的其他区域上均铺设有第一接触层51，第一接触层51为钝化层或增透膜层。
50.第二凹槽a2的侧壁和槽底均铺设有第二接触层52，第二接触层52为增透膜层或反射层，或者，第二接触层52的材料与n型电极或n型层的材料相同。
51.其中，当第一接触层51为钝化层时，可以起到绝缘和保护的作用。增透膜是一种表面光学镀层，它通过减少反射光来增加光在表面的透过率。当第一接触层51和第二接触层52均为增透膜层时，可以进一步减少紫外led中光的全反射，从而光的提取效率。
52.当第二接触层52为反射层时，可以将原本被损耗的光子尽可能反射到衬底背面，进一步提高芯片的光提取效率。当第二接触层的材料与n型电极或n型层的材料相同时，可以充当电流扩展层或者二次外延的接触电极，降低器件电压的同时，减少工艺步骤，降低器件成本提高良率等。在本实施例中，第二接触层的材料可以为例如cr、ti、al、pt、au等单层或者叠层金属材料。
53.可选的，紫外发光二极管100还包括反射层60，反射层60覆盖n型电极30、p型电极40、第一接触层51和第二接触层52。
54.在本实施例中，反射层60可以为al、rh等单层结构的反射层，或者多层金属构成的odr(omni-directionasrefiector，全角反射镜)或者dbr(distributed bragg reflection，分布式布拉格反射镜)结构。
55.可选地，反射层可以为cr/al基反射结构，即掺cr/al的反射层。这样反射层不仅可以起到反射作用，同时也是对n型电极与p型电极进行加厚，使其具有更均匀的电流扩展。
56.可选的，紫外发光二极管还包括n型焊盘70、p型焊盘80和p型焊盘连接层81。
57.其中，p型焊盘连接层81设置在反射层60的远离衬底10的一面上，且p型焊盘连接层81位于p型电极40的正上方，p型焊盘80位于p型焊盘连接层81的远离衬底10的一面上。
58.n型焊盘70设置在反射层60的远离衬底10的一面上，且n型焊盘70位于n型电极30的正上方。
59.在本实施例中，p型焊盘连接层81可以为cr/al/ti/pt/au层，厚度例如可以为300nm。p型焊盘连接层81不仅可以起到连接p型电极的作用，还可以起到加厚p型电极的作用。n型焊盘70和p型焊盘80的材料可以为ausn，厚度可以为1.9um。
60.可选的，紫外发光二极管还包括钝化层90，反射层60上除p型焊盘连接层81和n型焊盘70的设置区域外的其它区域上均铺设有钝化层90。钝化层90可以起到绝缘和保护作用。示例性的，钝化层90的厚度可以为1um。
61.需要说的是本发明实施例提供的紫外发光二极管可以为uva长波紫外发光二极管，也可以为uvb中波紫外发光二极管或者uvc短波紫外发光二极管，本发明对此不作限定。
62.本发明实施例还提供了一种紫外发光二极管的制造方法，用于制造如图1所示的紫外发光二极管。图2是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
63.步骤201、在衬底上生长外延层得到外延片。
64.其中，衬底可以为蓝宝石衬底。外延层包括依次生长在衬底上的缓冲层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层。外延层各层的具体可以参见如图1的相关描述，在此不再赘述。
65.在本实施例中，可以采用veeco k465i or c4 or rb mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延层的生长。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。
66.在执行完步骤s201之后，执行步骤s202之前，该制造方法还可以包括：
67.将外延片使用丙酮和异丙醇分别超声清洗5min，去除表面的有机物；再用去离子水冲洗5min，甩干机甩干。
68.步骤202、对外延层进行多次刻蚀，以在外延层上形成第一凹槽和第二凹槽。
69.其中，第一凹槽从p型层开设至n型层，第一凹槽的槽底为n型层；第二凹槽从第一凹槽槽底的n型层开设至缓冲层或衬底，第二凹槽的槽底为缓冲层或衬底。
70.在本实施例中，第一凹槽a1可以通过一次刻蚀成型。具体可以通过正性光刻胶作为掩膜，使用感应耦合等离子体(icp)对外延片进行mesa台面刻蚀，刻蚀比为3∶1，刻蚀深度为450～850nm，较优的刻蚀角度为35
°
。将刻蚀后的外延片放在85℃去胶液、丙酮和异丙醇各超声10min、5min和5min，去离子水冲洗5min，去除表面正性光刻胶，以形成第一凹槽。
71.在本实施例中，可以通过多次刻蚀得到第二凹槽。例如，通过对n型层进行一次刻蚀，刻蚀深度为h4，0um＜h4≤h5，h5为剩余n型层的厚度，刻蚀角度在5
°
～80
°
；对缓冲层进
行二次刻蚀，刻蚀深度为h6在0＜h6≤h7，h7为缓冲层厚度，刻蚀角度在10
°
～85
°
；得到槽底为缓冲层的第二凹槽。此时第二凹槽通过两次刻蚀得到。
72.或者，通过对n型层进行一次刻蚀，刻蚀深度为h4，0um＜h4≤h5，h5为剩余n型层的厚度，刻蚀角度在5
°
～80
°
(优选为45
°
)；对缓冲层进行二次刻蚀，刻蚀深度为h6在0＜h6≤h7，h7为缓冲层厚度，刻蚀角度在10
°
～85
°
(优选为55
°
)；对衬底进行三次刻蚀，h8在0＜h8≤h9，h9为衬底厚度，刻蚀角度在5
°
～85
°
，得到槽底为衬底的第二凹槽。
73.其中，在刻蚀n型层和缓冲层时，可以采用正性光刻胶作为掩膜，在bcl3和cl2的混合气氛下，使用感应耦合等离子体(icp)进行刻蚀。通过调节掩膜版与样品的距离，可以使得光刻胶在台面具有一定的角度，光刻胶的胶厚可以为8～10um。由于衬底相对于外延层更难刻蚀，因此，可以通过二氧化硅与光刻胶共同掩膜的方法，采用干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的方法对衬底进行刻蚀，刻蚀衬底时，较优的刻蚀角度为36
°
，刻蚀深度为20～30um。
74.图3是本发明实施例提供的一种外延片刻蚀截面示意图，如图3所示，此时外延片上形成有第一凹槽a1和第二凹槽a2。
75.可选地，在执行完步骤s202之后，执行步骤s203之前，该方法还可以包括：
76.对外延片进行划片道刻蚀。
77.示例性的，可以采用icp刻蚀法对外延片进行划片道刻蚀，刻蚀深度为4～5um。通过对外延片进行划片道刻蚀，以便于后续对外延片进行划片。
78.步骤203、在第一凹槽槽底的n型层上形成n型电极。
79.其中，n型电极的材料包括但不限于cr、al、ti、pt、au等组合金属或者叠层金属、外延二次生长的高电导性n型半导体等。例如，当n型电极的材料为组合金属结构时，厚度为200～500nm。
80.在本实施例中，可以通过蒸镀、退火、刻蚀的方法形成n型电极，此为常规技术，在此不再赘述。其中，n型电极的退火条件可以为氮气氛围、800～900℃、快速退火1min。
81.步骤204、在第一凹槽外的p型层上形成p型电极。
82.其中，p型电极的材料包括但不限于niau、氧化铟锡、rh等。例如当p型电极的材料为氧化铟锡时，厚度为10～70nm。
83.在本实施例中，可以通过蒸镀、退火、刻蚀的方法形成p型电极，此为常规技术，在此不再赘述。其中，p型电极的退火条件可以为氧气氛围、500℃、快速退火5min。
84.可选地，该制造方法还可以包括：
85.在p型层的除p型电极设置区域外的其他区域上、第一凹槽的侧壁上、以及第一凹槽槽底除n型电极设置区域外的其他区域上形成第一接触层，第一接触层为钝化层或增透膜层。
86.在第二凹槽的侧壁和槽底形成第二接触层，第二接触层为增透膜层或反射层，或者，第二接触层的材料与n型电极或n型层的材料相同。
87.示例性的，当第一接触层为钝化层时，可以采用pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学的气相沉积)法沉积钝化层。当第一接触层和第二接触层为增透膜层时，可以采用pecvd法沉积一层厚度为四分之一波长奇数倍的二氧化硅层，得到增透膜层。当第二接触层为反射层时，可以采用电子束蒸发沉积反射层，或者采用pecvd设备或者电子枪真空蒸镀系统(e-gun)沉积高低折射率差的多层钝化层材
料，得到反射层。当第二接触层的材料与n型电极或n型层的材料相同时，可以采用电子束蒸发或者磁控溅射等方法制备得到。
88.可选地，该制造方法还可以包括：
89.在n型电极、p型电极、第一接触层和第二接触层上形成反射层。
90.在本实施例中，可以使用负性光刻胶作为掩膜，采用电子束蒸发蒸镀的方法制备反射层，然后使用剥离液将负性光刻胶进行剥离。
91.可选地，该制造方法还可以包括：
92.在反射层的远离衬底的一面上形成p型焊盘连接层，p型焊盘连接层位于p型电极的正上方；
93.在p型焊盘连接层的远离衬底的一面上形成p型焊盘；
94.在反射层的远离衬底的一面上形成n型焊盘，n型焊盘位于n型电极的正上方。
95.在本实施例中，可以采用蒸镀的方法制备p型焊盘连接层、p型焊盘和n型焊盘。具体的，在制备p型焊盘连接层n型焊盘之前，可以先采用pecvd法在反射层的远离衬底的一面上沉积一层二氧化硅保护层，以对n区进行保护。然后将p型层正上方的二氧化硅保护层进行腐蚀在腐蚀区域蒸镀金属cr/al/ti/pt/au以形成p型焊盘连接层。最后，可以通过光刻掩膜与icp刻蚀工艺去除剩余的二氧化硅保护层。p型焊盘和n型焊盘的蒸镀方式与p型焊盘连接层类似蒸镀的金属可以为ausn电极。
96.可选地，该制造方法还可以包括：
97.在反射层上除p型焊盘连接层和n型焊盘的设置区域外的其它区域上形成钝化层。
98.在本实施例中，可以采用蒸镀的方法制备钝化层，蒸镀厚度约1um，蒸镀温度约220℃。
99.需要说的是，可以在制备p型焊盘连接层之后，制备p型焊盘和n型焊盘之前，形成上述钝化层。
100.本发明实施例通过在紫外led内形成第一凹槽和第二凹槽，以改变led的内部结构。其中，第一凹槽从p型层开设至n型层，第二凹槽从第一凹槽槽底的n型层开设至缓冲层或衬底。通过设置第二凹槽可以减少多量子阱层产生的光子在n型层到缓冲层或衬底内产生的全反射效应。多量子阱层产生的光子不仅可以从衬底方向出光，还可以从第一凹槽和第二凹槽的侧壁出光，以改变光子的传播方向，使得光子在led内部形成多次反射，从而可以减少光子在器件内的全反射效应，提高芯片的光提取效率。
101.以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。