用於植物照明的發光二極體及其製作方法與流程

2023-12-01 20:43:56 1

本發明涉及半導體照明領域，具體的說是用於植物照明的發光二極體及其製作方法。

背景技術：

植物照明應用的LED波長主要為深藍光（450nm） 、超紅光（~660nm）與遠紅光（~730nm)，其中深藍光和超紅光提供光合作用所需光線，遠紅光可控制植物從發芽到營養生長再到開花的整個過程。

目前，市場的使用方式多為將深藍光、超紅光及遠紅光LED晶片單一波長逐一封裝，再將個別封裝體按各種排列方式組裝於燈版上，如圖1所示。然而受控於空間有限與成本問題，未來所使用的LED顆數越少越好，尺寸越小越好。

技術實現要素：

針對前述問題，本發明提出一種用於植物照明的發光二極體及其製作方法，其使用超紅光與遠紅光疊層外延生長方式搭配晶片製程，減少封裝數目及植物照明燈板面積，降低成本。

根據本發明的第一個方面，用於植物照明的發光二極體外延片，從下到上依次包括：生長襯底、第一紅光發光外延疊層、DBR半導體疊層及第二紅光發光外延疊層，其中第一紅光發光外延疊層包含第一N型歐姆接觸層、第一N型覆蓋層、第一發光層、第一P型覆蓋層及第一P型歐姆接觸層，所述第二紅光發光外延疊層包含第二N型歐姆接觸層、第二N型覆蓋層、第二發光層、第二P型覆蓋層及第二P型歐姆接觸層。

優選地，所述DBR半導體疊層的摻雜溶度不大於5E17，形成一高阻值界面。

優選地，所述第一發光層的發光波長為710nm~750nm，所述第二發光層的發光波長為640~680nm。

優選地，所述第一發光層的發光波長為730nm，所述第二發光層的發光波長為660nm。

優選地，所述DBR半導體疊層與第二紅光發光外延疊層之間還設有一蝕刻截止層。

根據本發明的第二個方面，用於植物照明的發光二極體晶片，從上至下包括：第一紅光發光外延疊層、DBR半導體疊層、第二紅光發光外延疊層及導電基板；所述第一紅光發光外延疊層包含第一N型歐姆接觸層、第一N型覆蓋層、第一發光層、第一P型覆蓋層及第一P型歐姆接觸層；所述第二紅光發光外延疊層包含第二N型歐姆接觸層、第二N型覆蓋層、第二發光層、第二P型覆蓋層及第二P型歐姆接觸層；所述第二紅光發光外延疊層所述第一紅光發光外延疊層的發光面積小於所述第二紅光發光外延疊層的發光面積；所述第一N型歐姆接觸層上設有第一電極，所述第一P型歐姆接觸層與所述第二N型歐姆接觸層之間設有電連接結構，第二P型歐姆接觸層上設有第二電極。

優選地，所述第一發光層的發光波長為710nm~750nm，所述第二發光層的發光波長為640~680nm。

優選地，所述DBR半導體疊層的摻雜溶度不大於5E17，形成一高阻值界面。

優選地，所述第二紅光發光外延疊層的表面預設為發光區和非發光區，所述DBR半導體疊層形成於所述第二紅光發光外延疊層的非發光區之上。

優選地，所述DBR半導體疊層的面積小於所述第二紅光發光外延疊層的發光面積，但大於所述第一紅光發光外延疊層的發光面積。

優選地，所述第二N型歐姆接觸層表面上的非發光區設有電擴散結構。

優選地，所述DBR半導體疊層與第二紅光發光外延疊層之間還設有一蝕刻截止層。

根據本發明的第三個方面，用於植物照明的發光二極體晶片的製作方法，包括步驟：1）外延生長：提供一生長襯底，在其表面上形成前述任意一種用於植物照明的發光二極體外延片；2）襯底轉移：在前述形成的外延片表面上粘結導電基板，並去除生長襯底，裸露出所述外延片的第一N型歐姆接觸層表面；3）定義發光區：在所述外延片的表面上定義第一發光區和第二發光區，去除第二發光區的第一N型歐姆接觸層、第一N型覆蓋層、第一發光層、第一P型覆蓋層，裸露出所述第一P型歐姆接觸層；4）製作電極：去除所述第二發光區的DBR半導體疊層，裸露出第二N型歐姆接觸層的表面，在所述第一N型歐姆接觸層的表面上製作N型電極，並製作電連接結構，電性連接所述第一P型歐姆接觸層和第二N型歐姆接觸層。

優選地，所述步驟3）中，所述外延片的表面還定義有隔離區，其位於所述第一發光區和第二發光區之間。

優選地，所述步驟3）中，去除第二發光區和隔離區的第一N型歐姆接觸層、第一N型覆蓋層、第一發光層、第一P型覆蓋層。

優選地，完成所述步驟4）後，所述DBR層的面積大於所述第一發光區的面積，但小於所述第二發光區的面積。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪製。

圖1為現有的一種植物照明應用的LED燈版示意圖。

圖2為根據本發明實施的一種用於植物照明的發光二極體晶片的側面剖視圖。

圖3為圖2所示發光二極體晶片的俯視圖。

圖4~13根據本發明實施的一種用於植物照明的LED晶片的製作過程剖視圖。

圖中：

100：植物照明用LED燈版，110：封裝體；120：深藍光LED晶片；130：超紅光LED晶片；140：遠紅光LED晶片；200：生長襯底；210：遠紅光發光外延疊層；211：第一N型蝕刻截止層；212：第一N型歐姆接觸層；213：第一N型電極擴散層；214：第一N型覆蓋層；215：第一發光層；216：第一P型覆蓋層；217：第一P型歐姆接觸層；220：DBR半導體疊層；230：超紅光發光外延疊層；231：第二N型蝕刻截止層；232：第二N型歐姆接觸層、233：第二N型電極擴散層；234：第二N型覆蓋層；235：第二發光層；236：第二P型覆蓋層；237：P型轉換過渡層；238：第二P型歐姆接觸層；240：鏡面結構；250：導電粘結層；260：導電基板；271：N型電極；272：BeAu金屬層；273：電連接結構；274：電極擴展條；275：P型電極。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。

下面實施例公開了一種植物照明用的發光二極體，其利用疊層外延在單個晶片實現植物照明所需超紅光(~660nm)與遠紅光(~730nm)。

請參看圖2，根據本發明實施的一種垂直型發光二極體晶片，包括：遠紅光發光外延疊層210、DBR半導體疊層220、超紅光外延疊層230、鏡面結構240、導電粘結層250、導電基板260及N型電極271、P型電極275等。

其中，遠紅光發光外延疊層210的發光波長為710nm~750nm，較佳為~730nm，遠紅光發光外延疊層210的發光波長為640~680nm，較佳為~660nm。進一步地，遠紅光發光外延疊層210的發光面積210a小於或等於超紅光發光外延疊層230的發光面積230a，較佳的，遠紅光發光外延疊層210的發光面積210a為超紅光發光外延疊層230的發光面積230a的三分之一。

DBR半導體疊層220位於遠紅光發光外延疊層210與超紅光發光外延疊層230之間，一方面用於反射遠紅光發光外延疊層210發射的遠紅光，避免遠紅光發光外延疊層210發射的遠紅光被超紅光發光外延疊層230吸收，另一方面形成一高阻值界面，作為電流阻擋層功能，讓電流儘量流向上方無遠紅光發光外延疊層210的超紅光發光外延疊層230發光區，提升亮度。因此，DBR半導體疊層220的摻雜濃度為不高於5E17為佳，較佳值為4.00E17。

遠紅光發光外延疊層210和超紅光發光外延疊層230均可採用AlGaInP系材料，其中遠紅光發光外延疊層210從上至下可以包含N型歐姆接觸層212、第一N型電極擴散層213、第一N型覆蓋層214、第一發光層215、第一P型覆蓋層216和第一P型歐姆接觸層217，超紅光發光外延疊層230從上至下可以包含第二N型歐姆接觸層232、第二N型電極擴散層233、第二N型覆蓋層234、第二發光層235、第二P型覆蓋層236、P型轉換過渡層237和第二P型歐姆接觸層238。在超紅光發光外延疊層230與DBR半導體疊層220之間還可以設有N型蝕刻截止層231。

遠紅光發光外延疊層210和超紅光發光外延疊層230之間具有臺階狀結構，用於製作電連接結構271，其中一端連接遠紅光發光外延疊層210的歐姆接觸層261，另一端連接超紅光發光外延疊層230的歐姆接觸層237。較佳的，由於超紅光發光外延疊層230的發光面積230a大於遠紅光發光外延疊層210的發光面積210a，因此在超紅光發光外延疊層230的歐姆接觸層237上還可設有擴展條274，確保發光層發光均勻，如圖3所示。

下面結合附圖4-13及製作方法對上述發光二極體晶片的具體結構進行詳細說明，其主要包括以下幾個大步驟：（一）外延生長；（二）襯底轉移；（三）定義發光區；（四）電極製作。

（一）外延生長

在生長襯底上形成一外延結構，如圖4所示，其結構最主要重點依序在GaAs襯底上成長如下表所示外延層。需注意的是，關於外延結構的各層的材料在下表僅列出一種較為典型的材料，並不代表各層僅能使用表中列的材料，其還可以根據具體的應用選擇所需其他材料。

表一：

（二）襯底轉移

在本步驟中，粘接導電基板260，再去除生長襯底。為達到足夠的發光，一般還可在導電基板260與外延結構之間設計鏡面結構。在下面實施例中，先製作鏡面結構再進行襯底轉移，具體如下。

首先，在前述形成的外延結構的外延表面第二P型歐姆接觸層238表面上依序鍍上透光性介電層、將介電層部分做開孔去除後鍍上P型金屬歐姆接觸層（如AuZn）及金屬鏡面層（如Au），形成鏡面結構240。作為另一種變形，也可在第二P型歐姆接觸層238表面上依序沉積透明導層（如ITO）與金屬鏡面層（如Ag），形成另一種鏡面結構。

接著，在鏡面結構240上鍍上鍵合層250，並與帶有一鍵合層的導電基板260做鍵合製程，完成金屬鍵合製程，其結構如圖5所示。其中，金屬鍵合層250的材料可為Au/Au、Au/In、Au/Sn、Ni/Sn等金屬。

然後，採用鹼性溶液將GaAs襯底去，並使用鹽酸系列酸性溶液將第一N型蝕刻截止層211去除，裸露出第一N型歐姆接觸層212，完成襯底轉換製程，如圖6所示。

（三）定義發光區

在前述外延結構的第一N型歐姆接觸層212表面預設遠紅光發光區210a，去除遠紅光發光區210的第一N型歐姆接觸層212、第一N型電流擴散層213、第一N型覆蓋層214、第一發光層215、第一P型覆蓋層216，裸露出第一P型歐姆接觸層217，如圖7所示。其中，遠紅光發光區210a可參考圖3所示。

（四）製作電極

首先，第一P型歐姆接觸層217的表面上製作BeAu金屬層272，經過退火與第一P型歐姆接觸層217形成歐姆接觸，如圖8所示。

接著，在裸露出的第一P型歐姆接觸層217表面上預設超紅光發光區230a，去除超紅光發光區230a的第一P型歐姆接觸層217、DBR半導體疊層220及第二N型蝕刻截止層231，裸露出第二N型歐姆接觸層232，如圖9所示。其中使用磷酸系列酸性溶液去除第一P型歐姆接觸層217和DBR半導體疊層220去除，再使用鹽酸系列酸性溶液去除第二N型蝕刻截止層231。

然後，使用黃光製程與磷酸系列酸性溶液將第二N型歐姆接觸層232部分去除，僅留下歐姆接觸區，形成一圖形化，如圖10所示。其中保留的區域可參考圖3所示的電連接結構273及電極擴展條274對應的區域。

接著，在第一N型歐姆接觸層212上蒸鍍GeAu金屬作為N型電極271，在第二N型歐姆接觸層232上形成 GeAu金屬並連接至第一P型歐姆接觸層217表面上的BeAu金屬層272，作為電連接結構273和電極擴展條274，進行退火形成歐姆接觸，如圖11所示。

接著，進行晶片單一化處理，使用蝕刻去除部分第二N型電極擴散層233、第二N型覆蓋層234、第二發光層235、第二P型覆蓋層236和P型轉換過渡層237，至第二P型歐姆接觸層238，形成一圖形化，如圖12所示。

較佳的，可以使用鹽酸系列酸性溶液在第一N型電極擴散層213和第二N型電極擴散層233表面上形成增光結構，如圖13所示。

最後，在導電基板260的背面上形成P型電極275，完成植物照明應用的垂直型發光二級管晶片。

很明顯地，本發明的說明不應理解為僅僅限制在上述實施例，而是包括利用本發明構思的所有可能的實施方式。