CN108110114A - 基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片10，包括：导电衬底11、反光层12、蓝光外延层13、黄光外延层14、隔离层15、电极16及钝化层17；其中，所述反光层12设置于所述导电衬底11上；所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15均设置于所述反光层12上；所述电极16分别设置于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14上；所述钝化层17覆盖与所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15上。本发明提供的基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片，在单芯片上能产生多种颜色的光，从而减少了后期封装时荧光粉的用量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件设计及制造领域，特别涉及一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片。
背景技术
由于具有发光效率高、耗电量小、使用寿命长及工作温度低等特点，LED越来越普遍地用在照明领域。LED是通过发光芯片配合荧光粉发出用户需要的各种颜色的光。
现有技术中，每个单独发光芯片只能发出单色的光，若需合成其他颜色的光就需要将不同颜色的发光芯片混合在一起，并填充大量的荧光粉，这样就存在可靠性差、封装难度大的问题。此外，由于荧光粉胶层中存在大量离散分布的荧光粉颗粒，光线入射到荧光粉胶层中会出现强烈的散射现象。这种散射一方面强化了荧光粉胶层对光线的吸收作用，另一方面也导致大量光线被反射，即透射过荧光粉层的光线会显著减少。
因此，如何设计出一种新型的LED芯片就变得极其重要。
发明内容
为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片。该LED芯片10包括：导电衬底11、反光层12、蓝光外延层13、黄光外延层14、隔离层15、电极16及钝化层17；其中，
所述反光层12设置于所述导电衬底11上；
所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15均设置于所述反光层12上且所述隔离层15位于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14之间；
所述电极16分别设置于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14上；
所述钝化层17覆盖与所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15上。
在本发明的一个实施例中，所述导电衬底11为导电Si片、铝板或者铜板。
在本发明的一个实施例中，所述反光层12材料为Ni、Pb、Ni/Pb合金或者Al。
在本发明的一个实施例中，所述蓝光外延层13包括：第一GaN缓冲层131、第一GaN稳定层132、第一n型GaN层133、第一有源层134、第一AlGaN阻挡层135及第一p型GaN层136；其中，
所述第一p型GaN层136、所述第一AlGaN阻挡层135、所述第一有源层134、所述第一n型GaN层133、所述第一GaN稳定层132及所述第一GaN缓冲层131依次层叠于所述反光层12上表面第一指定区域。
在本发明的一个实施例中，所述第一有源层134为由第一InGaN量子阱1341和第一GaN势垒1342形成的第一多重结构；其中，所述第一InGaN量子阱中In含量为10～20％。
在本发明的一个实施例中，所述第一多重结构中所述InGaN量子阱(1341)与所述第一GaN势垒(1342)交替层叠的周期为8～30。
在本发明的另一个实施例中，所述黄光外延层14包括：第二GaN缓冲层141、第二GaN稳定层142、第二n型GaN层143、第二有源层144、第二AlGaN阻挡层145及第二p型GaN层146；其中，
所述第二p型GaN层146、所述第二AlGaN阻挡层135、所述第二有源层144、所述第二n型GaN层143、所述第二GaN稳定层142及所述第二GaN缓冲层141依次层叠于所述反光层12上表面第二指定区域。
在本发明的一个实施例中，所述第二有源层144为由第二InGaN量子阱1441和第二GaN势垒1442形成的第二多重结构；其中，所述第二InGaN量子阱中In含量为20～30％。
在本发明的一个实施例中，所述第二多重结构中所述第二InGaN量子阱(1441)和第二GaN势垒(1442)交替层叠的周期为8～30。
在本发明的一个实施例中，所述钝化层17材料为二氧化硅。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.通过在单芯片上集成多种颜色的光，可以在后期封装时减少荧光粉的用量；
2.由于同一芯片上集成了黄色和蓝色两种发光器件，色温调节更加灵活；
3.通过采用导电衬底作为电极，改善了LED芯片的散热效果。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种蓝光外延层蓝光外延层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种黄光外延层的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第二有源层的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电极的结构示意图；
图7a～图7g为本发明实施例的一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片的制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片的结构示意图，该LED芯片10包括：导电衬底11、反光层12、蓝光外延层13、黄光外延层14、隔离层15、电极16及钝化层17；其中，
所述反光层12设置于所述导电衬底11上；
所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15均设置于所述反光层12上且所述隔离层15位于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14之间；
所述电极16分别设置于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14上；
所述钝化层17覆盖与所述蓝光外延层13、所述黄光外延层14及所述隔离层15上。
其中，导电衬底11应选用电导率高的材料。可选地，所述导电衬底11为导电Si片、铝板或者铜板。其中，导电Si片应为重掺杂硅片，以提高其电导率。进一步地，导电衬底11的厚度为500～2500nm。
所述反光层12应选用反光性好的材料。可选地，所述反光层12材料为Ni、Pb、Ni/Pb合金或者Al。进一步地，反光层12的厚度为300nm～1500nm。
进一步地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种蓝光外延层的结构示意图，该蓝光外延层形成蓝光LED结构；具体的，该蓝光外延层13包括：第一GaN缓冲层131、第一GaN稳定层132、第一n型GaN层133、第一有源层134、第一AlGaN阻挡层135及第一p型GaN层136；
所述第一p型GaN层136、所述第一AlGaN阻挡层135、所述第一有源层134、所述第一n型GaN层133、所述第一GaN稳定层132及所述第一GaN缓冲层131依次层叠于所述反光层12上表面第一指定区域。
其中，第一GaN缓冲层131的厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第一GaN稳定层132的厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第一n型GaN层133的厚度为200～1000nm，优选为400nm，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，优选为1×1019cm-3；
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；该第一有源层134为由第一InGaN量子阱1341和第一GaN势垒1342形成的第一多重结构，该第一多重结构中所述第一InGaN量子阱(1341)和第一GaN势垒(1342)交替层叠的周期为8～30，优选为20；其中，第一InGaN量子阱1341的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第一GaN势垒1342的厚度为5～10nm，优选为5nm；第一InGaN量子阱1341中In的含量依据光波长而定，含量越高光波长越长，通常为10～20％；
第一AlGaN阻挡层135的厚度为10～40nm，优选为20nm；
第一p型GaN层136的厚度为100～300nm，优选为200nm。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种黄光外延层的结构示意图，该黄光外延层形成黄光LED结构；具体的，该黄光外延层14包括：第二GaN缓冲层141、第二GaN稳定层142、第二n型GaN层143、第二有源层144、第二AlGaN阻挡层145及第二p型GaN层146；
所述第二p型GaN层146、所述第二AlGaN阻挡层145、所述第二有源层144、所述第二n型GaN层143、所述第二GaN稳定层142及所述第二GaN缓冲层141依次层叠于所述反光层12上表面第二指定区域。
其中，第二GaN缓冲层141的厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第二GaN稳定层142的厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第二n型GaN层143的厚度为200～1000nm，优选为400nm，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，优选为1×1019cm-3；
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种第二有源层的结构示意图；该第二有源层144为由第二InGaN量子阱1441和第二GaN势垒1442形成的第二多重结构，第二多重结构中所述第二InGaN量子阱(1441)和第二GaN势垒(1442)交替层叠的周期为8～30，优选为20；其中，第二InGaN量子阱1441的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第二GaN势垒1442的5～10nm，优选为5nm；第二InGaN量子阱1441中In的含量依据光波长而定，含量越高光波长越长，通常为20～30％；
第二AlGaN阻挡层145的厚度为10～40nm，优选为20nm，其中Al的组分比例大于70％；
第二p型GaN层146的厚度为100～300nm，优选为200nm。
优选地，隔离层15与钝化层17材料均为二氧化硅；其中，隔离层15的厚度为50～150nm，钝化层17的厚度为300～800nm
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种电极的结构示意图；该电极16包括金属硅化物161与金属162；其中，
所述金属硅化物161设置于所述蓝光外延层13与所述黄光外延层14上表面；具体地，金属硅化物161设置于第一GaN缓冲层131与第二GaN缓冲层141表面；
所述金属162设置于所述金属硅化物161上表面；
金属硅化物161与金属162共同形成电极结构，其中金属硅化物161与半导体材料接触势垒小，形成欧姆接触，可以减小接触电阻；
在本方案中，导电衬底11形成蓝光LED与黄光LED共连的阳极；第一GaN缓冲层131与第二GaN缓冲层141表面的金属硅化物161与金属162分别形成蓝光LED与黄光LED的阴极。
在实际应用中，蓝光LED与黄光LED的数量可以根据实际需要而定。
本实施例提供的蓝黄LED芯片，通过在单芯片上形成蓝光与黄光，可以减少后期封装时荧光粉的用量，且色温调节更加灵活；此外，采用导电衬底作为LED的阳极，可以提高LED的散热效果。
实施例二
请参照图7a～图7g，图7a～图7g为本发明实施例的一种基于GaN材料的垂直结构双色LED的制备方法示意图。本实施例在上述实施例提供的LED芯片结构的基础上重点对其制备工艺进行详细描述。具体地，该制备方法包括如下步骤：
第1步、选取厚度为4000nm的蓝宝石衬底700，如图7a所示。
第2步、在500℃温度下，在所述蓝宝石衬底700上表面生长厚度为4000nm的第一GaN缓冲层701；在1000℃温度下，在所述第一GaN缓冲层701上表面生长厚度为1000nm的第一GaN稳定层702；在1000℃温度下，在所述第一GaN稳定层702上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的第一n型GaN层703；在所述第一n型GaN层703上表面生长由第一InGaN量子阱和第一GaN势垒形成的第一多重结构作为第一有源层704；其中，所述第一InGaN量子阱的生长温度为750℃，厚度为2.8nm；所述第一GaN势垒的生长温度为850℃、厚度为5nm；所述第一InGaN量子阱和第一GaN势垒交替层叠的周期为20；在400℃温度下，在所述第一有源层704上表面生长厚度为20nm的第一AlGaN阻挡层705；在400℃温度下，在所述第一AlGaN阻挡层705上表面生长厚度为200nm的第一p型GaN层706，如图7b所示，其中，第一GaN缓冲层701、第一GaN稳定层702、第一n型GaN层703、第一有源层704、第一AlGaN阻挡层705及第一p型GaN层706形成蓝光LED结构。
第3步、在所述第一p型GaN接触层706上表面淀积厚度为500nm的第一二氧化硅层；利用湿法刻蚀工艺，择性刻蚀所述第一二氧化硅层，在所述第一二氧化硅层上形成第一待刻蚀区域；利用干法刻蚀工艺，在所述第一待刻蚀区域刻蚀所述第一p型GaN层706、所述第一p型AlGaN阻挡层705、所述第一有源层704、所述第一n型GaN层703、所述第一GaN稳定层702及所述第一GaN缓冲层701，形成第一凹槽；去除所述第一二氧化硅层，并在所述第一凹槽内淀积第二二氧化硅层作为隔离层800，所述二氧化硅隔离层内部区域作为所述黄光灯芯槽，如图7c所示。
第4步、在500℃温度下，在所述黄光灯芯槽底部生长厚度为4000nm的第二GaN缓冲层801；在1000℃温度下，在所述第二GaN缓冲层801上表面生长厚度为1000nm的第二GaN稳定层802；1000℃温度下，在所述第二GaN稳定层802上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的第二n型GaN层803；在所述第二n型GaN层803上表面生长由第二InGaN量子阱和第二GaN势垒形成的第二多重结构作为第二有源层804；其中，第二InGaN量子阱的生长温度为750℃、厚度为2.8nm；第二GaN势垒的生长温度为850℃、厚度为5nm；所述第二多重结构中所述第二InGaN量子阱和第二GaN势垒交替层叠的周期为20；在400℃温度下，在所述第二有源层804上表面生长厚度为20nm的第二AlGaN阻挡层805；在850℃温度下，在所述第二AlGaN阻挡层805上表面生长厚度为200nm的第二p型GaN层806，如图7d所示，其中，第二GaN缓冲层801、第二GaN稳定层802、第二n型GaN层803、第二有源层804、第二AlGaN阻挡层805及第二p型GaN层806形成黄光LED结构。
第5步、利用溅射工艺，在所述第一p型GaN层706与所述第二p型GaN层806表面生长厚度为300nm的Ni作为第一接触金属层901；在所述第一接触金属层901表面生长厚度为800nm的Ni作为反光层902；选取导电衬底904，利用溅射工艺在导电衬底904表面生长厚度为1000nm的第二接触金属层903；在400℃温度下，通过第二接触金属层903将导电衬底904紧贴在反光层902表面60min以在导电衬底904与反光层902之间形成键合，如图7e所示，其中，导电衬底904作为蓝光LED与黄光LED共连的阳极。
第6步、利用准分子激光器去除蓝宝石衬底700，露出所述第一GaN701缓冲层与所述第二GaN缓冲层801；如图7f所示。
第7步、在所述第一GaN缓冲层701与所述第二GaN缓冲层801下表面淀积厚度为500nm的二氧化硅作为钝化层905；利用光刻工艺，选择性刻蚀钝化层905，在所述第一GaN缓冲层701与所述第二GaN缓冲层801下表面形成电极孔；在电极孔中淀积Ni，并对整个材料进行退火处理，以在第一GaN缓冲层701与所述第二GaN缓冲层801表面形成金属硅化物；在金属硅化物上淀积Ni作为蓝光LED与黄光LED的阴极906，如图7g所示。
本实施例，通过采用上述工艺步骤及工艺参数，实现上述LED芯片的制备工艺，极大简化了工艺流程，同时降低了制备成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片(10)，其特征在于，包括：导电衬底(11)、反光层(12)、蓝光外延层(13)、黄光外延层(14)、隔离层(15)、电极(16)及钝化层(17)；其中，
所述反光层(12)设置于所述导电衬底(11)上；
所述蓝光外延层(13)、所述黄光外延层(14)及所述隔离层(15)均设置于所述反光层(12)上且所述隔离层(15)位于所述蓝光外延层(13)与所述黄光外延层(14)之间；
所述电极(16)分别设置于所述蓝光外延层(13)与所述黄光外延层(14)上；
所述钝化层(17)覆盖于所述蓝光外延层(13)、所述黄光外延层(14)及所述隔离层(15)上。
2.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述导电衬底(11)为导电Si片、铝板或者铜板。
3.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述反光层(12)材料为Ni、Pb、Ni/Pb合金或者Al。
4.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述蓝光外延层(13)包括：第一GaN缓冲层(131)、第一GaN稳定层(132)、第一n型GaN层(133)、第一有源层(134)、第一AlGaN阻挡层(135)及第一p型GaN层(136)；其中，
所述第一p型GaN层(136)、所述第一AlGaN阻挡层(135)、所述第一有源层(134)、所述第一n型GaN层(133)、所述第一GaN稳定层(132)及所述第一GaN缓冲层(131)依次层叠于所述反光层(12)上表面第一指定区域。
5.根据权利要求4所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第一有源层(134)为由第一InGaN量子阱(1341)和第一GaN势垒(1342)形成的第一多重结构；其中，所述第一InGaN量子阱中In含量为10～20％。
6.根据权利要求5所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第一多重结构中所述InGaN量子阱(1341)与所述第一GaN势垒(1342)交替层叠的周期为8～30。
7.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述黄光外延层(14)包括：第二GaN缓冲层(141)、第二GaN稳定层(142)、第二n型GaN层(143)、第二有源层(144)、第二AlGaN阻挡层(145)及第二p型GaN层(146)；其中，
所述第二p型GaN层(146)、所述第二AlGaN阻挡层(135)、所述第二有源层(144)、所述第二n型GaN层(143)、所述第二GaN稳定层(142)及所述第二GaN缓冲层(141)依次层叠于所述反光层(12)上表面第二指定区域。
8.根据权利要求7所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第二有源层(144)为由第二InGaN量子阱(1441)和第二GaN势垒(1442)形成的第二多重结构；其中，所述第二InGaN量子阱中In含量为20～30％。
9.根据权利要求8所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第二多重结构中所述第二InGaN量子阱(1441)和第二GaN势垒(1442)交替层叠的周期为8～30。
10.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述钝化层(17)材料为二氧化硅。
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| CN201711382636.7A CN108110114A (zh) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | 基于GaN材料的垂直结构双色LED芯片 |
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