CN108123015A - 基于多量子阱的GaN横向LED的器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多量子阱的GaN横向LED的器件结构。该器件结构包括：蓝宝石衬底10；GaN蓝光外延层11，设置于所述蓝宝石衬底10上；多个黄光灯芯槽，依次间隔设置于所述GaN蓝光外延层11内；GaN黄光外延层21，设置于所述黄光灯芯槽中；第一正电极23，设置于所述GaN蓝光外延层11上；第二正电极24，设置于所述GaN黄光外延层21上钝化层，设置于所述GaN蓝光外延层11、所述GaN黄光外延层21、第一正电极23以及第二正电极24上。本发明通过将多种色彩的外延层设置在同一LED器件中，产生多种颜色的光，可以解决现有技术中LED封装器件涂覆荧光粉导致LED器件发光效率低、集成度低的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于多量子阱的GaN横向LED的器件结构。
背景技术
LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光。LED为一种新型的固态光源，其具有体积小、发光效率高、能耗低、寿命长、无汞污染、全固态、响应迅速、工作电压低、安全可靠等诸多方面的优点。
利用三基色原理，在LED器件封装时添加荧光粉，可以发出任意颜色的光，因此可以利用LED作为光源进行照明。现有技术中，LED涂敷荧光粉的方式主要有：荧光粉远离芯片、荧光粉均匀分布在封装材料和荧光粉紧贴芯片表面的封装方式。其中荧光粉均匀分布在封装材料的封装方式容易操作，但该封装方式荧光粉的激发效率较低；由于荧光粉远离芯片的工艺繁杂且难以控制至今还未实现工业化生产；荧光粉紧贴芯片的封装方式是借助中介封装材料与芯片粘结在一起，缺陷是中介封装材料的折射率较低，芯片发出的光容易产生全反射而导致热量聚集，反而降低芯片的出光效率并影响荧光粉的激发(荧光粉所处的激发温度相对较高)。将荧光粉直接涂覆已固晶焊线的半成品上，这又会造成荧光粉的大量浪费。
因此，如何设计出一种新型的LED，减少荧光粉的涂敷就变得极其重要。
发明内容
因此，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多量子阱的GaN横向LED的器件结构。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于多量子阱的GaN横向LED的器件结构，包括：
蓝宝石衬底10；
GaN蓝光外延层11，设置于所述蓝宝石衬底10上；
多个黄光灯芯槽，依次间隔设置于所述GaN蓝光外延层11内；
GaN黄光外延层21，设置于所述黄光灯芯槽中；
第一正电极23，设置于所述GaN蓝光外延层11上；
第二正电极24，设置于所述GaN黄光外延层21上；
钝化层，设置于所述GaN蓝光外延层11、所述GaN黄光外延层21、第一正电极23以及第二正电极24上。
在本发明的一个实施例中，所述GaN蓝光外延层11包括依次层叠设置于第一GaN缓冲层101上的第一GaN稳定层102、第一n型GaN层103、第一多量子阱层104、第一AlGaN阻挡层105以及第一p型GaN层106。
在本发明的一个实施例中，所述第一多量子阱层104包括第一GaN势垒层104a和第一InGaN量子阱层101b，其中，所述第一GaN势垒层104a和所述第一InGaN量子阱层101b依次周期性层叠分布。
在本发明的一个实施例中，所述第一GaN势垒层101a和所述第一InGaN量子阱层101b的层叠周期为8～30，所述第一InGaN量子阱层101b的In含量为10～20％。
在本发明的一个实施例中，所述GaN蓝光外延层11包括依次层叠设置于第二GaN缓冲层201上的第二GaN稳定层202、第二n型GaN层203、第二多量子阱层204、第二AlGaN阻挡层205以及第二p型GaN层206。
在本发明的一个实施例中，所述第二多量子阱层204包括第二GaN势垒层204a和第二InGaN量子阱层204b，其中，所述第二GaN势垒层204a和所述第二InGaN量子阱层204b依次周期性层叠分布。
在本发明的一个实施例中，所述第二GaN势垒层204a和所述第二InGaN量子阱层204b的层叠周期为8～30，所述第二InGaN量子阱层204b的In含量为30～40％。
在本发明的一个实施例中，还包括负电极22，设置于所述GaN蓝光外延层11作为整个器件结构的共用负电极。
在本发明的一个实施例中，还包括氧化隔离层12，设置于所述黄光灯芯槽的四周。
在本发明的一个实施例中，还包括反射层，设置于所述蓝宝石衬底的背面。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，单LED芯片即可产生多种颜色的光，因此极大地减小荧光粉的涂覆；
2)本发明将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，器件集成度高，降低LED的生产成本；
3)本发明通过分别制备不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
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多量子阱的GaN横向LED的器件结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种GaN蓝光外延层的生长示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一多量子阱层的生长示意图；
图4为本发明实施例提供的一种黄光灯芯槽的制备示意图；
图5为本发明实施例提供的一种GaN黄光外延层的生长示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第二多量子阱层的生长示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电极制作俯视示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电极制作剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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多量子阱的GaN横向LED的器件结构。该器件结构包括：
蓝宝石衬底10；
GaN蓝光外延层11，设置于所述蓝宝石衬底10上；
多个黄光灯芯槽，依次间隔设置于所述GaN蓝光外延层11内；
GaN黄光外延层21，设置于所述黄光灯芯槽中；
第一正电极23，设置于所述GaN蓝光外延层11上；
第二正电极24，设置于所述GaN黄光外延层21上；
钝化层，设置于所述GaN蓝光外延层11、所述GaN黄光外延层21、第一正电极23以及第二正电极24上。
其中，所述GaN蓝光外延层11包括依次层叠设置于第一GaN缓冲层101上的第一GaN稳定层102、第一n型GaN层103、第一多量子阱层104、第一AlGaN阻挡层105以及第一p型GaN层106。
其中，所述第一多量子阱层104包括第一GaN势垒层104a和第一InGaN量子阱层101b，其中，所述第一GaN势垒层104a和所述第一InGaN量子阱层101b依次周期性层叠分布。
其中，所述第一GaN势垒层101a和所述第一InGaN量子阱层101b的层叠周期为8～30，所述第一InGaN量子阱层101b的In含量为10～20％。
其中，所述GaN蓝光外延层11包括依次层叠设置于第二GaN缓冲层201上的第二GaN稳定层202、第二n型GaN层203、第二多量子阱层204、第二AlGaN阻挡层205以及第二p型GaN层206。
其中，所述第二多量子阱层204包括第二GaN势垒层204a和第二InGaN量子阱层204b，其中，所述第二GaN势垒层204a和所述第二InGaN量子阱层204b依次周期性层叠分布。
其中，所述第二GaN势垒层204a和所述第二InGaN量子阱层204b的层叠周期为8～30，所述第二InGaN量子阱层204b的In含量为30～40％。
其中，器件还包括负电极22，设置于所述GaN蓝光外延层11作为整个器件结构的共用负电极。
其中，器件还包括氧化隔离层12，设置于所述黄光灯芯槽的四周。
其中，器件还包括反射层，设置于所述蓝宝石衬底的背面。
本实施例通过将多种色彩的外延层设置在同一LED器件中，产生多种颜色的光，可以解决现有技术中LED封装器件涂覆荧光粉导致LED器件发光效率低、集成度低的缺陷。
实施例二
请参见图2～图8，图2为本发明实施例提供的一种GaN蓝光外延层的生长示意图；图3为本发明实施例提供的一种第一多量子阱层的生长示意图；图4为本发明实施例提供的一种黄光灯芯槽的制备示意图；图5为本发明实施例提供的一种GaN黄光外延层的生长示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二多量子阱层的生长示意图；图7为本发明实施例提供的一种电极制作俯视示意图；图8为本发明实施例提供的一种电极制作剖面示意图，在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S10、GaN蓝光外延层的生长，如图2和图3所示
S101、选取蓝宝石衬底10，其中蓝宝石的晶面为(0001)，在蓝宝石衬底10上生长第一GaN缓冲层101，第一GaN缓冲层101的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400-600℃；
优选地，第一GaN缓冲层101的厚度为4000纳米；
优选地，第一GaN缓冲层101的生长温度为500℃。
S102、将温度升高至900-1050℃，在第一GaN缓冲层101上生长第一GaN稳定层102，第一GaN稳定层102的厚度为500～1500纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的厚度为1000纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的生长温度为1000℃。
S103、保持S102中的温度不变，在第一GaN稳定层102上生长第一n型GaN层103，第一n型GaN层103的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1x1018～5x1019cm-3；
优选地，第一n型GaN层103的生长温度为1000℃；
优选地，第一n型GaN层103的厚度为400纳米；
优选地，第一n型GaN层103的掺杂浓度为1x1019cm-3。
S104、在第一n型GaN层103上生长第一多量子阱层104，第一多量子阱层104为InGaN/GaN多量子阱结构。具体地，InGaN/GaN多量子阱结构为第一InGaN量子阱层104b和第一GaN势垒层104a依次层叠形成，层叠周期为8～30。第一InGaN量子阱层104b的生长温度为650～750℃，厚度为1.5～3.5纳米，其中In的含量约为10～20％，In的含量依据光波长定，含量越高光波波长越长。第一GaN势垒层104a的生长温度为750～850℃，厚度为5～10纳米；
优选地，第一InGaN量子阱层104b的生长温度为750℃；
优选地，第一InGaN量子阱层104b的厚度为2.8纳米；
优选地，第一GaN势垒层104a的生长温度为850℃；
优选地，第一GaN势垒层104a的厚度为5纳米；
优选地，第一InGaN量子阱层104b和第一GaN势垒层104a的层叠周期为20。
S105、将温度升高至850～950℃，在第一多量子阱层104上生长p型第一AlGaN阻挡层105，第一AlGaN阻挡层105的厚度为10～40纳米；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为900℃；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为20纳米。
S106、在第一AlGaN阻挡层105上生长第一p型GaN层106，作为接触用，第一p型GaN层106的厚度为100～300纳米的；
优选地，第一p型GaN层106的生长温度为900℃；
优选地，第一p型GaN层106的厚度为200纳米。
S11、在器件中制作黄光灯芯槽，如图4所示，黄光灯芯槽为在GaN蓝光外延层中间隔排列的凹槽，其数量根据需求确定，图4以黄光灯芯槽的数量为3个为例进行描述：
S111、利用PECVD工艺在第一p型GaN 106表面淀积一层SiO2层，厚度为300～800纳米，优选地SiO2层的厚度为500纳米；
S112、利用湿法刻蚀工艺在SiO2层上刻蚀一个矩形窗口，矩形窗口的长和宽分别大于50微米，小于300微米，优选地，矩形窗口的长和宽为100微米；
S113、利用干法刻蚀工艺刻蚀SiO2矩形窗口下的材料，一直刻蚀到第一GaN缓冲层101，形成黄光灯芯槽；
S114、去掉器件表面的SiO2层；
S115、在整个器件上表面重新淀积一层SiO2层，厚度为20～100纳米，优选地SiO2层的厚度为50纳米；
S116、利用干法刻蚀工艺刻蚀器件表面SiO2层，在黄光灯芯槽四周形成氧化隔离层12。
S12、GaN黄光外延层的生长，如图5和图6所示；
S121、在黄光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层201，第二GaN缓冲层201的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400～600℃；
优选地，第二GaN缓冲层201的厚度为4000纳米；
优选地，第二GaN缓冲层201的温度为500℃。
S122、将温度升高至900-1050℃，在第二GaN缓冲层201上生长第二GaN稳定层202，第二GaN稳定层202的厚度为500～1500纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的厚度为1000纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的生长温度为1000℃。
S123、保持S122中的温度不变，在第二GaN稳定层202上生长第二n型GaN层203，第二n型GaN层203的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1x1018～5x1019cm-3；
优选地，第二n型GaN层203的生长温度为1000℃；
优选地，第二n型GaN层203的厚度为400纳米；
优选地，第二n型GaN层203的掺杂浓度为1x1019cm-3。
S124、在第二n型GaN层203上生长第二多量子阱层204，第二多量子阱层204为InGaN/GaN多量子阱结构。具体地，InGaN/GaN多量子阱结构为第二InGaN量子阱层204b和第二GaN势垒层204a依次周期层叠形成，层叠周期为8～30。第二InGaN量子阱层204b的生长温度为650～750℃，厚度为1.5～3.5纳米，其中In的含量约为30-40％，In含量依据光波长定，含量越高光波波长越长。第二GaN势垒204a的生长温度为750～850℃，厚度均为5～10纳米；
优选地，第二InGaN量子阱层204b的生长温度为750℃；
优选地，第二InGaN量子阱层204b的厚度为2.8纳米；
优选地，第二GaN势垒层204a的生长温度为850℃；
优选地，第二GaN势垒层204a的厚度为5纳米；
优选地，第二InGaN量子阱层204b和第二GaN势垒层204a的层叠周期为20。
S125、将温度升高至850～950℃，在第二多量子阱层204上生长p型第二AlGaN阻挡层205，第二AlGaN阻挡层205的厚度为10～40纳米；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为900℃；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为20纳米。
S126、在第二AlGaN阻挡层205上生长第二p型GaN层206，作为接触用，第二p型GaN层206的厚度为100～300纳米的；
优选地，第二p型GaN层206的生长温度为850℃；
优选地，第二p型GaN层206的厚度为200纳米。
S13、电极制作与划片，如图7和图8所示；
S131、利用PECVD工艺在整个器件上表面(即第一p型GaN层106表面和第二p型GaN层206表面)淀积SiO2层，SiO2层的厚度为300～800纳米；
优选地，SiO2层的厚度为500纳米。
S132、在SiO2层刻蚀出整个器件的负电极窗口，利用干法刻蚀工艺刻蚀负电极窗口下的材料，即依次刻蚀第一p型GaN层106、第一AlGaN阻挡层105、第一多量子阱层104和第一n型GaN层103，直至刻蚀到第一GaN稳定层102；
S133、去掉器件表面的SiO2层，在整个器件上表面(即在第一p型GaN层106表面、第二p型GaN层206表面和第一GaN稳定层102)淀积SiO2层，厚度为300～800纳米，刻蚀SiO2层，分别在第一GaN稳定层102表面形成第一接触电极窗口，在第一p型GaN层106表面形成第二接触电极窗口，在第二p型GaN层206表面形成所述第三接触电极窗口。
S134、在接触电极窗口蒸镀金属Cr/Pt/Au，其中，Cr厚度为20～40纳米，Pt厚度为20～40纳米，Au厚度为800～1500纳米；
优选地，Cr厚度为30纳米；
优选地，Pt厚度为30纳米；
优选地，Au厚度为1200纳米。
S135、在300～500℃温度下进行退火形成金属化合物，并去掉金属Cr/Pt/Au；
优选地，退火温度为350℃。
S136、在金属化合物表面淀积金属，光刻金属，在第一接触电极窗口上形成整个器件的负电极22，在第二接触电极窗口上形成第一正电极23即GaN蓝光外延层的正电极以及在第三接触电极窗口上形成第二正电极24即GaN黄光外延层的正电极；
S137、利用PECVD工艺，在整个器件表面淀积SiO2钝化层；
S138、图形光刻，露出电极焊盘所在的区域，以便后续在器件封装过程中引金线；
S139、从蓝宝石衬底10背面开始将蓝宝石衬底10减薄至150微米以下；
S140、在蓝宝石衬底10背面镀金属反射层，反射层的金属可以为Al、Ni、Ti等。
本实施例通过分别设置不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于多量子阱的GaN横向LED的器件结构的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于多量子的GaN横向LED的器件结构，其特征在于，包括：
蓝宝石衬底(10)；
GaN蓝光外延层(11)，设置于所述蓝宝石衬底(10)上；
多个黄光灯芯槽，依次间隔设置于所述GaN蓝光外延层(11)内；
GaN黄光外延层(21)，设置于所述黄光灯芯槽中；
第一正电极(23)，设置于所述GaN蓝光外延层(11)上；
第二正电极(24)，设置于所述GaN黄光外延层(21)上；
钝化层，设置于所述GaN蓝光外延层(11)、所述GaN黄光外延层(21)、第一正电极(23)以及第二正电极(24)上。
2.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述GaN蓝光外延层(11)包括依次层叠设置于第一GaN缓冲层(101)上的第一GaN稳定层(102)、第一n型GaN层(103)、第一多量子阱层(104)、第一AlGaN阻挡层(105)以及第一p型GaN层(106)。
3.如权利要求2所述的器件结构，其特征在于，所述第一多量子阱层(104)包括第一GaN势垒层(104a)和第一InGaN量子阱层(101b)，其中，所述第一GaN势垒层(104a)和所述第一InGaN量子阱层(101b)依次周期性层叠分布。
4.如权利要求3所述的器件结构，其特征在于，所述第一GaN势垒层(101a)和所述第一InGaN量子阱层(101b)的层叠周期为8～30，所述第一InGaN量子阱层(101b)的In含量为10～20％。
5.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述GaN蓝光外延层(11)包括依次层叠设置于第二GaN缓冲层(201)上的第二GaN稳定层(202)、第二n型GaN层(203)、第二多量子阱层(204)、第二AlGaN阻挡层(205)以及第二p型GaN层(206)。
6.如权利要求5所述的器件结构，其特征在于，所述第二多量子阱层(204)包括第二GaN势垒层(204a)和第二InGaN量子阱层(204b)，其中，所述第二GaN势垒层(204a)和所述第二InGaN量子阱层(204b)依次周期性层叠分布。
7.如权利要求6所述的器件结构，其特征在于，所述第二GaN势垒层(204a)和所述第二InGaN量子阱层(204b)的层叠周期为8～30，所述第二InGaN量子阱层(204b)的In含量为30～40％。
8.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，还包括负电极(22)，设置于所述GaN蓝光外延层(11)作为整个器件结构的共用负电极。
9.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，还包括氧化隔离层(12)，设置于所述黄光灯芯槽的四周。
10.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，还包括反射层，设置于所述蓝宝石衬底的背面。
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| CN109273571B (zh) * | 2018-09-06 | 2020-04-14 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法 |
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