一种集成可见光指示装置的紫外发光二极管及其生产方法与流程

本发明涉及氮化物外延芯片技术领域，特别是提供一种集成可见光指示器的紫外发光二极管。

背景技术：

随着LED技术的不断发展，外延工艺水平逐渐成熟，紫外LED器件的制备成为可能，紫外LED虽然不能用来直接照明，但具备LED的所有优势，已经在杀菌消毒，分析测试设备，紫外光疗，防伪检测，空气净化，紫外固化等众多领域得以广泛应用，虽然紫外光LED可应用领域广泛，但因其波长短，人体在其长时间的曝光下将对皮肤，眼睛等造成严重的危害。同时正是由于其波长在不可见光波段，因此无法被人眼所探测到，导致在实际应用中存在被紫外光长时间照射的隐患。因此了解紫外光的存在，避免不知情的情况下紫外光对人体的长时间曝光是非常必要的。

目前已有一些紫外线的探测装置和强度指示装置，但都非集成于紫外发光器件，且寿命短，成本高。

技术实现要素：

本发明旨在克服传统紫外线探测装置和强度指示装置的不足，提供一种集成有可见光指示装置的紫外发光二极管，此装置可让人眼间接探测到紫外发光二极管是否在发射紫外光以及其发射强度，避免在不知情的情况下紫外光对人体的长时间曝光而造成危害。

本发明包括设置在P型电极同一侧的导电基板、键合层、金属反射层、P型GaN空穴供给层、P型AlGaN电子阻挡层、AlInGaN/AlInGaN多量子阱紫外光发光层、N-GaN电子供给层，在N-GaN电子供给层上设置的N型电极；其特征在于：在N型电极区域以外的N-GaN电子供给层上设置图形化的N-GaN电子供给层，在图形化的N-GaN电子供给层上依次设置InGaN/GaN多量子阱可见光发光层和U-GaN层。

本发明将紫外发光层设置在N-GaN电子供给层和P型AlGaN电子阻挡层之间，通过电致发光产生紫外光；本发明还将可见光发光层置于N-GaN电子供给层和U-GaN层之间，利用电致发光产生的紫外光激发可见光发光层，使可见光发光层通过光致发光产生可见光。可见光发光层通过紫外光光致发光辐射可见光，虽吸收了部分紫外光，一定程度上降低了紫外光的外量子效率，但该发光层不需要电注入，避免影响紫外光的内量子效率，减少对器件电能的损耗。

本发明紫外光产生后，将激发可见光发光层辐射可见光，可使得紫外光与可见光同步产生和泯灭。通过人眼对该可见光的识别，就可探测到紫外光的存在，紫外光强度越大，光致发光作用愈强，可见光的强度也愈大。该器件不仅能辐射紫外光，同时本身也作为自己的探测装置，不但可以间接探测自身是否发射紫外光，还可以探测自身发射紫外光的强弱。由于本发明可让该紫外发光二极管在工作状态下同时辐射部分可见光被人眼探测到，同时还可根据可见光的强度判断紫外光的强弱，避免在不知情的情况下紫外光对人体的长时间曝光而造成危害，提高了紫外发光二极管的安全特性。

进一步地，本发明还对除N型电极和P型电极外的器件裸露表面区域覆盖一层SiO2保护层，提高器件的可靠性。

另外，本发明InGaN/GaN多量子阱可见光发光层的上出光总面积占N-GaN电子供给层的上出光总面积的10%～50%。可采用选择性刻蚀的方法，使可见光的发光区域占整个器件上表面发光面积的10%～50%，在保证器件可发出可见光的情况下，既可避免可见光发光层对紫外光的大量吸收，同时刻蚀后的图案化表面类似于对出光面进行粗化的效果，可提高紫外光的出光效率。

优选地，InGaN/GaN多量子阱可见光发光层的上出光总面积占N-GaN电子供给层的上出光总面积的20%～40%。在该范围内，可保证紫外光的光功率损耗低于10%且辐射的可见光可达到指示的功能。

本发明另一目的是提出以上产品的生产方法，包括以下步骤：

1）在一临时衬底上制作形成缓冲层；

2）在缓冲层上依次外延生长形成U-GaN层、可见光发光层、N-GaN电子供给层、紫外光发光层、P型AlGaN电子阻挡层和P型GaN空穴供给层；

3）在P型空穴供给层上蒸镀金属反射层；

4）在金属反射层上通过蒸镀金属键合层将外延片键合在导电基板上；

5）剥离临时衬底、缓冲层和部分U-GaN层；

6）对剥离后的U-GaN层表面进行选择性刻蚀，保留图形化的U-GaN层，刻蚀深度直至N-GaN电子供给层；

7）在导电基板上制作形成P型电极；在N-GaN电子供给层上制作形成N型电极。

本发明方法将N型电极制作于刻蚀后的N-GaN层上，通过电流注入使紫外发光层发出紫外光，而在U-GaN层和N-GaN层之间生长可见光发光层，直接通过紫外光激发出可见光，无需额外损耗电功率；

本发明方法结合衬底剥离技术，将外延层倒置于导电基底上形成垂直结构，可提升器件的发光效率；

本发明方法通过选择性刻蚀，形成图形化的出光表面，可提高器件的出光效率。

为了生产更可靠的器件，本发明还可在步骤7）后，对除N型电极和P型电极外的器件裸露表面区域覆盖一层SiO₂保护层。

所述步骤6）中，选择性刻蚀后保留的U-GaN层上出光总面积占N-GaN电子供给层上出光总面积的10%～50%。

所述步骤6）中，选择性刻蚀后保留的U-GaN层上出光总面积占N-GaN电子供给层上出光总面积的20%～40%。

附图说明

图1为本发明的一种外延结构示意图。

图2为本发明在制作过程中形成的芯片器件结构示意图。

具体实施方式

一、制作工艺过程：

1、如图1所示，首先在蓝宝石衬底1上采用PVD蒸镀一层10-50nm厚的AlN缓冲层2。

2、将蒸镀有AlN缓冲层2的蓝宝石衬底1置于MOCVD反应腔中分别生长以下结构：

生长一层U-GaN层3，生长厚度0.5-3μm。

在U-GaN层3上生长可见光发光层4。其中可见光发光层4包含3-10个周期的InGaN/GaN多量子阱层，其中InGaN阱层厚度1～6nm，GaN垒层厚度2-12nm，In组分浓度在0.1～0.3之间，控制其In组分浓度保证其发出的为可见光。

在可见光发光层4上生长N-GaN电子供给层5，掺杂浓度在 5*10¹⁷～5*10¹⁹，材料厚度1～4μm。

在N-GaN电子供给层5上生长紫外光发光层6，紫外光发光层6包含3～20个周期的AlInGaN/AlInGaN多量子阱层，其中阱层厚度1～6nm，垒层厚度2～12nm，且阱层厚度小于垒层厚度；阱层Al组分在0～0.1之间，垒层Al组分在0.1～0.3之间且阱层In组分大于垒层In组分。

在紫外光发光层6上生长P型AlGaN电子阻挡层7，掺杂浓度在1*10¹⁷～1*10¹⁹，Al组分在0.2～0.6，厚度10～100nm。

在P型AlGaN电子阻挡层7上生长P型GaN空穴供给层8，掺杂浓度在1*10¹⁷～1*10¹⁹，厚度在50～500nm。

至此，完成MOCVD反应腔中的生长，取得的外延片结构，如图1所示。

3、在P型空穴供给层8上蒸镀一层Ag金属反射层9，厚度100～300nm。

4、在金属反射层9上蒸镀金属键合层10，将整个器件键合在导电基板11上。

5、利用激光衬底剥离技术，剥离掉衬底1，AlN缓冲层2和部分U-GaN层3。

6、对剥离后的U-GaN层3表面进行选择性刻蚀，刻蚀后保留的U-GaN层3上出光总面积占N-GaN电子供给层5上出光总面积的10%～50%，优选20%～40%，刻蚀深度直至N-GaN电子供给层5，如图2所示。

7、在导电基板11上制作形成P型电极12，在N-GaN电子供给层5上制作形成N型电极13。

8、对除N型电极13和P型电极12外的器件裸露表面区域覆盖一层SiO₂保护层14。

至此，完成如图2所示结构的芯片器件工艺。

二、产品结构特点：

如图2所示，本发明在P型电极12的同一侧依次设置有导电基板11、键合层10、金属反射层9、P型GaN空穴供给层8、P型AlGaN电子阻挡层7、AlInGaN/AlInGaN多量子阱紫外光发光层6、N-GaN电子供给层5。

在N-GaN电子供给层5上设置有N型电极13和图形化的N-GaN电子供给层5-1。

InGaN/GaN多量子阱可见光发光层4的上出光总面积（即图形化的N-GaN电子供给层5-1的横截面总面积）占N-GaN电子供给层5上出光总面积的10%～50%。

在图形化的N-GaN电子供给层5-1上依次设置InGaN/GaN多量子阱可见光发光层4和U-GaN层3。在除N型电极13和P型电极12外的器件裸露表面区域覆盖一层SiO₂保护层14。

三、产品效果

本发明制备的集成可见光指示装置的紫外发光二极管通过将紫外发光层6

设置在N-GaN电子供给层5和P型AlGaN电子阻挡层7之间，通过电致发光产生紫外光；还将可见光发光层4置于N-GaN电子供给层5-1和U-GaN层3之间，利用电致发光产生的紫外光激发可见光发光层，使可见光发光层通过光致发光产生可见光。可见光发光层通过紫外光激发出可见光，虽吸收了部分紫外光，一定程度上降低了紫外光的外量子效率，但该可见光发光层不需要电注入，无需额外损耗电功率。本发明器件在电致发光和光致发光的共同作用下，既达到辐射紫外光的功能，并且可见光和紫外光同时产生和泯灭，使该可见光还可作为探测装置探测紫外光的存在，且可见光的强度随紫外光强弱线性变化。由于本发明可让该紫外发光二极管在工作状态下同时辐射部分可见光被人眼探测到，同时还可根据可见光的强度判断紫外光的强弱，避免在不知情的情况下紫外光对人体的长时间曝光而造成危害，提高了紫外发光二极管的安全特性。该集成可见光指示装置的紫外发光二极管在实际应用中无需额外增加紫外探测装置，使用方便。