一种发光二极管及其制备方法
阅读说明：本技术 一种发光二极管及其制备方法 (Light emitting diode and preparation method thereof ) 是由 黄敏 刘小亮 彭康伟 林素慧 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种发光二极管及其制备方法,该发光二极管包括发光外延层,所述发光外延层包括第一台面和第二台面,形成在第一台面和所述第二台面的表面以及侧面上的绝缘保护层,绝缘保护层包括含Al的绝缘层,并且可以形成单层或者多层堆叠结构。采用含Al的绝缘保护层可以减少外延层中的Al离子被置换,同时可以有效补偿芯片制程中外延层缺失的Al离子,且不会影响外延层中的Si掺杂,从而不会损伤外延层,避免外延层老化失效。含Al的绝缘保护层在紫外波段的吸收率较低,同时形成多层结构的含Al绝缘层时,可以形成高低折射率的绝缘膜层叠结构,由此可达到提亮的目的。(The invention provides a light-emitting diode and a preparation method thereof, the light-emitting diode comprises a light-emitting epitaxial layer, the light-emitting epitaxial layer comprises a first table top and a second table top, and an insulating protective layer is formed on the surfaces and the side surfaces of the first table top and the second table top, the insulating protective layer comprises an insulating layer containing Al, and a single-layer or multi-layer stacked structure can be formed. The adoption of the Al-containing insulating protection layer can reduce the replacement of Al ions in the epitaxial layer, can effectively compensate the Al ions missing from the epitaxial layer in the chip manufacturing process, and can not influence the Si doping in the epitaxial layer, thereby not damaging the epitaxial layer and avoiding the aging failure of the epitaxial layer. The Al-containing insulating protective layer has a low absorptivity in the ultraviolet range, and when an Al-containing insulating layer having a multilayer structure is formed, an insulating film laminated structure having a high refractive index and a low refractive index can be formed, thereby achieving the purpose of brightness enhancement.)
本申请是申请人“厦门三安光电有限公司”于申请日2019年07月31日提交的申请号为2019107041772，发明名称为“一种紫外LED芯片及其制备方法”的发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
LED(light emitting diode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件。其中的紫外光LED(UV LED)，特别是深紫外光LED的巨大的应用价值引起了人们的高度关注，成为了新的研究热点。
目前市面上的UV LED产品的绝缘保护层通常采用SiO2。在沉积绝缘保护层的过程中，由于绝缘保护层不仅覆盖在P-AlGaN及其金属接触层上，还覆盖在了切割道以及量子肼的位置。因此，在沉积SiO2过程中(无论使用PECVD还是ALD)，其沉积温度都需要达到240℃以上，以达到致密度高的目的，由于沉积时Si含量比例远远低于量子肼中的Si掺比例(若与量子肼中的Si掺比例相符，SiO2膜层的Si含量变大，膜层的吸收率变高，会导致亮度损失)，因此量子肼中的Si会通过扩散原理被置换出来进入SiO2膜层，使其量子肼中的Si含量发生变化，使得EPI(发光外延层)在沉积过程中被损伤，导致EPI容易在老化过程中失效。此理论已在蓝光GaN和FC上得到验证。在其他公开专利中有提出，采用SiO2系叠层，即高、低折射的方式来达到提亮的效果，但SiO2的Si掺较多时，其折射率会变大，再与其他高折膜层相堆叠，其提亮效果大打折扣。且SiO2导热率仅1.4W/m·k，其膜层厚度越厚，散热效果越差，其老化过程中会由于热效应而导致失效。另外，SiO2为亲水性材料，调整recipe比例或者增加厚度仅延缓其水汽进入时间，无法从本质上避免水汽进入，这一特性使其抗高湿老化能力较弱。
发明内容
针对现有技术中紫外LED芯片的绝缘保护层存在的不足与缺陷，本发明提供一种紫外LED芯片及其制备方法，本发明的紫外LED芯片的绝缘保护层为含Al的绝缘层，该含Al的绝缘层的沉积过程，反应温度控制在240℃以下，减少了量子阱中的离子被置换。同时采用含Al的绝缘层，还能补偿在芯片制备过程中发光外延层缺失的Al离子，达到保护发光外延层的目的。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种紫外LED芯片，包括：
发光外延层，所述发光外延层包括第一台面和第二台面，所述第一台面包括第一半导体层，所述第二台面包括形成在所述第一半导体层上的有源层以及形成在所述有源层上方与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层；以及
形成在所述发光外延层上方的绝缘保护层，所述绝缘保护层形成在所述第一台面和所述第二台面的表面以及侧面上，所述绝缘保护层包括含Al的绝缘层。
可选地，所述绝缘保护层包括至少一层绝缘层，其中与所述发光外延层直接接触的底层绝缘层包括含Al的绝缘层。可选地，所述绝缘保护层包括至少一层绝缘层，所述至少一层绝缘层均包括含Al的绝缘层。
可选地，所述绝缘保护层由Al2O3、AlN、AlON和AlF3中的至少一种形成。
可选地，所述绝缘保护层具有电极通孔，所述紫外LED芯片还包括通过所述电极通孔形成的第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一半导体层电连接，所述第二电极与所述第二半导体层电连接。
可选地，所述第一电极包括形成在所述第一半导体层上方的第一金属接触层以及形成在所述电极通孔内并覆盖所述电极通孔与所述第一金属接触层连接的第一电极层；所述第二电极包括形成在所述第二半导体层上方的金属反射层以及形成在所述电极通孔内并覆盖所述电极通孔与所述金属反射层连接的第二电极层。
可选地，所述绝缘保护层包括由第一绝缘层和第二绝缘层交替形成的层叠结构，其中，所述第一绝缘层的折射率小于所述第二绝缘层的折射率，所述绝缘保护层的所述层叠结构形成所述紫外LED芯片的反射结构。
可选地，所述第一绝缘层包括AlF3，所述第二绝缘层包括AlN。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种紫外LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
形成发光外延层，依次沉积第一半导体层、有源层、与所述第一半导体层导电类型相反的第二半导体层，所述第一半导体层形成所述发光外延层的第一台面，所述有源层及所述第二半导体层形成所述发光外延层的第二台面；
在所述发光外延层上方形成绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述第一台面和所述第二台面的表面及侧面，并且所述绝缘保护层包括含Al的绝缘层。
可选地，在所述发光外延层上方形成绝缘保护层包括在所述发光外延层上方依次沉积至少一层绝缘层，其中与所述发光外延层直接接触的底层绝缘层包括含Al的绝缘层。
可选地，在所述发光外延层上方形成绝缘保护层包括在所述发光外延层上方依次沉积至少一层绝缘层，所述至少一层绝缘层均包括含Al的绝缘层。
可选地，所述绝缘保护层由Al2O3、AlN、AlON和AlF3中的至少一种形成。
可选地，所述紫外LED芯片的制备方法还包括以下步骤：
分别在所述第一台面和所述第二台面上方的所述绝缘保护层中形成电极通孔；
在所述电极通孔中分别形成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一半导体层电连接，所述第二电极与所述第二半导体层电连接。
可选地，在所述电极通孔中分别形成第一电极和第二电极包括以下步骤：
在所述第一半导体层上方形成第一金属接触层，在所述电极通孔内及所述电极通孔的上方形成与所述第一金属接触层连接的第一电极层；
在所述第二半导体层上方形成金属反射层，在所述电极通孔内及所述电极通孔的上方形成与所述金属反射层连接的第二电极层，所述绝缘保护层形成所述紫外LED芯片的反射结构。
可选地，在所述发光外延层上方依次沉积至少一层绝缘层包括交替沉积第一绝缘层及第二绝缘层，其中，所述第一绝缘层的折射率小于所述第二绝缘层的折射率，所述绝缘保护层的所述层叠结构形成所述紫外LED芯片的反射结构。
可选地，所述第一绝缘层包括AlF3，所述第二绝缘层包括AlN。
如上所述，本发明的紫外LED芯片及其制备方法具有如下技术效果：
本发明的紫外LED芯片包括形成在发光外延层上方的绝缘保护层，所述绝缘保护层包括含Al的绝缘层，例如Al2O3、AlN和AlF3等，可采用沉积形成含Al的单层结构，也可形成叠层的多层结构。采用含Al的绝缘保护层可以减少外延层中的Al离子被置换，同时可以有效补偿芯片制程中外延层缺失的Al离子，且不会影响外延层中的Si掺杂，从而不会损伤外延层，避免外延层老化失效。
含Al的绝缘保护层在紫外波段的吸收率比SiO2/SiNx等Si系材料低，同时形成多层结构的含Al绝缘层时，可以形成高、低折射率的绝缘膜层叠结构，由此可达到提亮的目的。
另外，例如其中的Al2O3防水性高，绝缘性优于SiO2。含Al膜层的导热性比SiO2的高，因此形成含Al的绝缘保护层能够提高LED芯片的散热性、抗湿性，因此能够有效减缓LED芯片的老化失效。
在所述绝缘保护层为含Al的绝缘层的多层结构的情况下，形成具有高低折射率的堆叠结构，由于不同绝缘层对入射光的不同的折射率，能够达到提高紫外LED芯片的亮度的效果。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明实施例一提供的紫外LED芯片的结构示意图。
图2显示为实施例一的优选实施例提供的紫外LED芯片的结构示意图。
图3显示为实施例一的另一优选实施例提供的紫外LED芯片的结构示意图。
图4本发明实施例二提供的紫外LED芯片制备方法的流程示意图。
图5显示为图4所示方法中形成的发光外延层的示意图。
图6显示为在图5所示结构上形成绝缘保护层的结构示意图。
图7显示为在图6所示的绝缘保护层中形成电极通孔的结构示意图。
图8显示为在实施例二的优选实施例中形成的绝缘保护层的结构示意图。
图9显示为实施例二的另一优选实施例中形成的绝缘保护层的结构示意图。
附图标记
100 衬底
100-11 发光外延层
100-1 第一台面
100-2 第二台面
101 第一半导体层
102 AlN层
103 有源层
104 第二半导体层
105 绝缘保护层
1051 第一绝缘层
1052 第二绝缘层
1053 第三绝缘层
1054 电极通孔
106 透明导电层
107 金属反射层
1081 第一电极
1082 第二电极
109 第一金属接触层
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的下述实施例中，涉及到表示方位的词，例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”等，仅仅是为了使本领域技术人员更好地理解本发明，而不能被理解为限定本发明。
实施例一
如图1-4所示，本实施例中发光外延层100-11形成在衬底100上方，所述发光外延层包括依次形成在衬底100上方的第一半导体层102、有源层103、与第一半导体层导电类型相反的第二半导体层104。上述第一半导体层102形成发光外延层100-11的第一台面100-1(参照附图4所示)，有源层103以及第二半导体层104形成发光外延层100-11的第二台面100-2。
在本实施例的优选实施例中，所述衬底可以是蓝宝石衬底，所述第一半导体层102可以是N型半导体层，该N型半导体层例如可以包括AlN/AlGaN超晶格层、重掺杂N型AlGaN层、轻掺杂N型AlGaN层等形成紫外LED芯片的常见N型半导体层。在优选实施例中，衬底100和第一半导体层102之间还形成有AlN层101。所述第二半导体层104为P型AlGaN层。
如图1所示，所述紫外LED芯片还包括形成在第一台面100-1和第二台面100-2的表面及侧面上的绝缘保护层105。在本实施例中，所述绝缘保护层由含Al的绝缘材料形成。
在图1所示的实施例中，该绝缘保护层105为单层结构，该单层的绝缘保护层可以由例如Al2O3、AlN、AlON、AlF3等中的一种形成。例如该绝缘保护层可以由Al2O3形成。有实验表明，Al2O3的防水性高，绝缘性更是优于SiO2。含Al膜层的导热性比SiO2的高，Al2O3为30W/m·k，AlN为150-200W/m·k，因此其老化失效时间可拉长。
如图1所述，本实施例的紫外LED芯片还包括第一电极1081和第二电极1082。绝缘保护层105中形成有电极通孔1054(参照附图6所示)，第一电极1081和第二电极1082形成在电极通孔1054中并且覆盖所述电极通孔。如图1所示，第一电极1081包括形成在第一半导体层102上方的第一金属接触层109，以及形成在电极通孔内并覆盖电极通孔的第一电极层(未图示)。第一电极1081通过第一金属接触层109与第一半导体层102电性连接。第二电极1082包括形成在形成在第二半导体层上方金属反射层107，以及形成在电极通孔内并覆盖电极通孔的第二电极层(未图示)。优选地，在金属反射层107的和第二半导体层之间还可以形成透明导电层106，该透明导电层106可以是ITO(氧化铟锡)。第二电极1082通过金属反射层107和透明导电层106与第二半导体层电连接。
在本实施例的一优选实施例中，所述绝缘保护层105形成包括多层绝缘层的层叠结构。如图2所示，在该优选实施例中绝缘保护层105包括自所述第一台面和第二台面的表面和侧面边依次形成的第一绝缘层1051、第二绝缘层1052及第三绝缘层1053。第一绝缘层1051、第二绝缘层1052及第三绝缘层1053均为含Al的绝缘层，例如Al2O3、AlN、AlON、AlF3等。或者在另外的优选实施例中，与第一台面和第二台面接触的第一绝缘层1051为含Al的绝缘层，而形成在第一绝缘层外侧的第二绝缘层1052和第三绝缘层1053可以是不含Al的绝缘层，例如可以是含Si的绝缘层SiO2或SiN等。
在更加优选的实施例中，如图3所示，所述绝缘保护层105形成为层叠结构，该层叠结构由交替层叠的第一绝缘层1051和第二绝缘层1052形成。在本优选实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层均为含Al的绝缘层，并且第一绝缘层的折射率小于第二绝缘层的折射率，由此所述绝缘保护层的层叠结构形成紫外LED芯片的反射结构。在更加优选的实施例中，第一绝缘层1051为AlF3层，第二绝缘层可以是折射率大于AlF3的是AlN层或Al2O3层或AlON层等。由此所述绝缘保护层105形成具有高、低折射率的层叠结构，由于不同绝缘层对入射光的不同的折射率(例如AlF3的折射率为1.35，Al2O3的折射率介于1.6～1.7，AlN的折射率为2.15)，能够达到提高紫外LED芯片的亮度的效果。
在更加优选实施例中，其中第一绝缘层1051为含Al的绝缘层，第二绝缘层1052可以是不含Al的绝缘层，例如可以是含Si的绝缘层SiO2或SiN等。
本实施例的绝缘保护层采用含Al的绝缘层，可减少外延层中的Al离子被置换，且不会影响外延层中的Si掺杂，从而不会损伤到外延，保证外延层不会因此而失效，而传统的采用SiO2膜层，会由于量子肼中的Si掺含量改变而导致外延层失效。
另外，由于含Al的绝缘层的绝缘性和散热性均比含Si的绝缘层的绝缘性和散热性好，因此本实施例的绝缘保护层在保护外延层的基础上还能够提高紫外LED芯片的散热性。
实施例二
本实施例同样提供一种紫外LED芯片的制备方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
形成发光外延层，依次沉积第一半导体层、有源层、与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，所述第一半导体层形成所述发光外延层的第一台面，所述有源层及第二半导体层形成所述发光外延层的第二台面；
在所述发光外延层上方形成绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述第一台面和所述第二台面的表面及侧面，并且所述绝缘保护层包括含Al的绝缘层。
可以采用本领域常用的方法形成发光外延层。如图5所示，例如，首先提供一衬底100，然后在衬底100上依次沉积第一半导体层102、有源层103及第二半导体层104。然后对上述结构进行刻蚀，露出第一半导体层102，由此形成第一台面100-1，其余部分的有源层和第二半导体层形成图4所示的第二台面100-2，至此形成紫外LED芯片的发光外延层100-11。优选地，所述方法还包括在露出的第一半导体层102上方形成第一金属接触层109。另外在第二半导体层104上方形成金属反射层107，更优选地，还可以在金属反射层和第二半导体层之间沉积透明导电层106。
在本实施例的优选实施例中，所述衬底可以是蓝宝石衬底，所述第一半导体层101可以是N型半导体层，该N型半导体层例如可以包括AlN/AlGaN超晶格层、重掺杂N型AlGaN层、轻掺杂N型AlGaN层等形成紫外LED芯片的常见N型半导体层。在优选实施例中，衬底100和第一半导体层102之间还形成有AlN层101。所述第二半导体层104为P型AlGaN层，其上的透明导电层106可以选择ITO(氧化铟锡)。
然后，如图6所示，在第一台面100-1和第二台面100-2的上方表面及侧面上形成绝缘保护层105。如图5所示，该绝缘保护层105为单层结构，该单层的绝缘保护层可以由例如Al2O3、AlN、AlON、AlF3等中的一种形成。例如该绝缘保护层可以由Al2O3形成，可以采用ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)工艺或者PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)工艺亦或物理沉积(如溅射或者电子蒸镀)的方式，无论采用哪一种方式，其沉积的反应温度均控制在240℃以下，由此能够减少有源层中的Al粒子被置换。
另外，有试验表明，Al2O3的防水性高，绝缘性更是优于SiO2。含Al膜层的导热性比SiO2的高，Al2O3为30W/m·k，AlN为150-200W/m·k，因此其老化失效时间可拉长。
之后，如图7所示，在绝缘保护层105中形成电极孔1054，然后在电极孔1054中沉积导电材料分别形成图1所示的第一电极1081和第二电极1082。该第一电极1081和第二电极1082覆盖电极孔1054。
在本实施例的一优选实施例中，在所述第一台面和第二台面的上方表面及侧面上依次包括多层绝缘层的层叠结构，即该优选实施例中所述绝缘保护层105形成层叠结构。如图8所示，在该优选实施例中绝缘保护层105包括自所述第一台面和第二台面的表面和侧面依次形成的第一绝缘层1051、第二绝缘层1052及第三绝缘层1053。同样可以采用ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)工艺或者PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)工艺亦或物理沉积(如溅射或者电子蒸镀)的方式依次沉积第一绝缘层1051、第二绝缘层1052及第三绝缘层1053。
在优选实施例中第一绝缘层1051、第二绝缘层1052及第三绝缘层1053均为含Al的绝缘层，例如Al2O3、AlN、AlON、AlF3等。或者在另外的优选实施例中，与第一台面和第二台面接触的第一绝缘层1051为含Al的绝缘层，而形成在第一绝缘层外侧的第二绝缘层1052和第三绝缘层1053可以是不含Al的绝缘层，例如可以是含Si的绝缘层SiO2或SiN等。
在更加优选的实施例中，如图9所示，在所述第一台面和第二台面上方及侧面交替沉积第一绝缘层1051和第二绝缘层1052，绝缘保护层105由交替沉积的第一绝缘层和第二绝缘层形成层叠结构。在本实施例的优选实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层均为含Al的绝缘层，并且第一绝缘层的折射率小于第二绝缘层的折射率，由此所述绝缘保护层的层叠结构形成紫外LED芯片的反射结构。在更加优选的实施例中，第一绝缘层1051为AlF3层，第二绝缘层可以是是折射率大于AlF3的是AlN层或Al2O3层或AlON层等。由此所述绝缘保护层105形成具有高、低折射率的层叠结构，由于不同绝缘层对入射光的不同的折射率(例如AlF3的折射率为1.35，Al2O3的折射率介于1.6～1.7，AlN的折射率为2.15)，能够达到提高紫外LED芯片的亮度的效果。
之后与图7所示相同，在图8或图9所示的绝缘保护层中形成电极孔并在电极孔中形成第一电极和第二电极(如图2和3所示)。
本实施例的绝缘保护层采用含Al的绝缘层，可减少外延层中的Al离子被置换，且不会影响外延层中的Si掺杂，从而不会损伤到外延，保证外延层不会因此而失效，而传统的LED芯片一般采用SiO2膜层，会由于量子肼中的Si掺含量改变而导致外延层失效。
另外，由于含Al的绝缘层的绝缘性和散热性均比含Si的绝缘层的绝缘性和散热性好，因此本年实施例的绝缘保护层在保护外延层的基础上还能够提高紫外LED芯片的散热性。
如上所述，本发明的紫外LED芯片及其制备方法具有如下技术效果：
本本发明的紫外LED芯片包括形成在发光外延层上方的绝缘保护层，所述绝缘保护层包括含Al的绝缘层，例如Al2O3、AlN和AlF3等，可采用沉积形成含Al的单层结构，也可形成叠层的多层结构。采用含Al的绝缘保护层可以减少外延层中的Al离子被置换，同时可以有效补偿芯片制程中外延层缺失的Al离子，且不会影响外延层中的Si掺杂，从而不会损伤外延层，避免外延层老化失效。
含Al的绝缘保护层在紫外波段的吸收率比SiO2/SiNx等Si系材料低，同时形成多层结构的含Al绝缘层时，可以形成高、低折射率的绝缘膜层叠结构，由此可达到提亮的目的。
另外，例如其中的Al2O3防水性高，绝缘性优于SiO2。含Al膜层的导热性比SiO2的高，因此形成含Al的绝缘保护层能够提高LED芯片的散热性、抗湿性，因此能够有效减缓LED芯片的老化失效。
在所述绝缘保护层为含Al的绝缘层的多层结构的情况下，形成具有高、低折射率的堆叠结构，由于不同绝缘层对入射光的不同的折射率，能够达到提高紫外LED芯片的亮度的效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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