CN108133990A - 基于GaN材料的垂直结构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LED芯片，包括：导电衬底11；反光层12，设置于所述导电衬底11上；第一电极13，设置于所述反光层12上；蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16，均设置于所述第一电极13上；隔离层17，设置于所述第一电极13上以使所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16之间相互隔离；所述第二电极18分别设置于所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16上；所述钝化层19覆盖于所述蓝光外延层14、红光外延层15、绿光外延层16及所述隔离层17上。本发明提供的基于GaN材料的垂直结构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LED芯片。该LED芯片10包括：
导电衬底11；
反光层12，设置于所述导电衬底11上；
第一电极13，设置于所述反光层12上；
蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16，均设置于所述第一电极13上；
隔离层17，设置于所述第一电极13上以使所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16之间相互隔离；
所述第二电极18分别设置于所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16上；
所述钝化层19覆盖于所述蓝光外延层14、红光外延层15、绿光外延层16及所述隔离层17上。
在本发明的一个实施例中，所述蓝光外延层14包括：第一缓冲层141、第一稳定层142、第一过渡层143、第一有源层144、第一阻挡层145及第一接触层146；其中，
所述第一接触层146、所述第一阻挡层145、所述第一有源层144、所述第一过渡层143、所述第一稳定层142及所述第一缓冲层141依次层叠于所述第一电极13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144为由第一InGaN量子阱1441和第一GaN势垒1442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1441与所述第一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，所述红光外延层15包括：第二缓冲层151、第二稳定层152、第二过渡层153、第二有源层154、第二阻挡层155及第二接触层156；其中，
所述第二接触层156、所述第二阻挡层155、所述第二有源层154、所述第二过渡层153、所述第二稳定层152及所述第二缓冲层151依次层叠于所述第一电极13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154为由GalnP量子阱1541和A1GaInP势垒1542形成的第二多重结构；其中，所述A1GaInP势垒1542中A1含量为10～40％。
在本发明的一个实施例中，所述第二多重结构中所述GalnP量子阱1541和A1GaInP势垒1542交替层叠的周期为8～30。
在本发明的一个实施例中，所述绿光外延层16包括：第三缓冲层161、第三稳定层162、第三过渡层163、第三有源层164、第三阻挡层165及第三接触层166；其中，
所述第三接触层166、所述第三阻挡层165、所述第三有源层164、所述第三过渡层163、所述第三稳定层162及所述第三缓冲层161依次层叠于所述第一电极13上表面第三指定区域。
在本发明的一个实施例中，所述第三有源层164为由第二InGaN量子阱1641与第二GaN势垒1642形成的第三多重结构；其中，所述第二InGaN量子阱1641中In含量为20～30％。
在本发明的一个实施例中，所述第三多重结构中所述第二InGaN量子阱1641与第二GaN势垒1642交替层叠的周期为8～30。
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蓝、红、绿三种颜色的光，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蓝、红、绿三种颜色的发光器件，使得LED的色温调节更加灵活；
3.通过采用导电衬底与电极相电连接的方式，可以将LED芯片产生的热量散发出去，从而改善了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红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绿光外延层的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；
图8a～图8i为本发明实施例的一种基于GaN材料的垂直结构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，设置于所述导电衬底11上；
第一电极13，设置于所述反光层12上；
蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16，均设置于所述第一电极13上；
隔离层17，设置于所述第一电极13上以使所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16之间相互隔离；
所述第二电极18分别设置于所述蓝光外延层14、红光外延层15及绿光外延层16上；
所述钝化层19覆盖于所述蓝光外延层14、红光外延层15、绿光外延层16及所述隔离层17上。
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14包括：第一缓冲层141、第一稳定层142、第一过渡层143、第一有源层144、第一阻挡层145及第一接触层146；
所述第一接触层146、所述第一阻挡层145、所述第一有源层144、所述第一过渡层143、所述第一稳定层142及所述第一缓冲层141依次层叠于所述第一电极13上表面第一指定区域。
其中，第一缓冲层141为N型GaN材料，厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第一稳定层142为N型GaN材料，厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第一过渡层143为N型GaN材料，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144为由第一InGaN量子阱1441和第一GaN势垒1442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(1441)和第一GaN势垒(1442)交替层叠的周期为8～30，优选为20；其中，第一InGaN量子阱1441的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第一GaN势垒1442的厚度为5～10nm，优选为5nm；第一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10～20％；
第一阻挡层145的厚度为10～40nm，优选为20nm；
第一接触层146的厚度为100～300nm，优选为200nm。
进一步地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种红光外延层的结构示意图，该红光外延层形成红光LED结构；具体的，该红光外延层15包括：第二缓冲层151、第二稳定层152、第二过渡层153、第二有源层154、第二阻挡层155及第二接触层156；
所述第二接触层156、所述第二阻挡层155、所述第二有源层154、所述第二过渡层153、所述第二稳定层152及所述第二缓冲层151依次层叠于所述第一电极13上表面第二指定区域。
其中，第二缓冲层151为N型GaN材料，厚度为2000～3000nm，优选为2500nm；
第二稳定层152为N型GaAs材料，厚度为1000～2000nm，优选为1500nm，掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，优选为5×1017cm-3；
第二过渡层153为N型GaAs材料，厚度为500～1000nm，优选为700nm，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154为由GalnP量子阱1541和A1GaInP势垒1542形成的第二多重结构，第二多重结构中所述GalnP量子阱1541和A1GaInP势垒1542交替层叠的周期为8～30，优选为20；其中，GalnP量子阱1541的厚度为2～10nm，优选为7nm；A1GaInP势垒的厚度为5～10nm，优选为7nm；A1GaInP势垒中A1含量为10～40％(Al含量依据光波长而定，含量越高光波长越长)；
第二阻挡层155为P型A1GaInP材料，厚度为10～500nm，优选为100nm，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，优选为1×1018cm-3；
第二接触层156为P型GaAs材料，厚度为100～500nm，优选为150nm，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，优选为1×1018cm-3。
进一步地，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种绿光外延层的结构示意图；该绿光外延层16包括：第三缓冲层161、第三稳定层162、第三过渡层163、第三有源层164、第三阻挡层165及第三接触层166；
所述第三接触层166、所述第三阻挡层165、所述第三有源层164、所述第三过渡层163、所述第三稳定层162及所述第三缓冲层161依次层叠于所述第一电极13上表面第三指定区域。
其中，第三缓冲层161为N型GaN材料，其厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第三稳定层162为N型GaN材料，厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第三过渡层163为N型GaN材料，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7，图7为本发明实施例提供的一种第三有源层的结构示意图；该第三有源层164为由第二InGaN量子阱1641和第二GaN势垒1642形成的第三多重结构，该第三多重结构中所述第二InGaN量子阱1641和第二GaN势垒1642交替层叠的周期为8～30，优选为20；其中，第二InGaN量子阱1641的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第二GaN势垒1642的厚度为5～10nm，优选为5nm；第二InGaN量子阱1641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％；
第三阻挡层165的厚度为10～40nm，优选为20nm；
第三接触层166的厚度为100～300nm，优选为200nm。
进一步地，导电衬底11应选用电导率高的材料，厚度为500～2500nm。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，所述反光层12应选用反光性好的材料，其厚度为300～1500nm。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，隔离层15与钝化层17材料均可选为二氧化硅材料；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，第一电极13与第二电极18应选用导电性能好的材料，例如Ni、Au、或者Ni/Au合金等材料。在退火工艺条件下，上述金属材料与半导体材料发生反应并形成金属硅化物，该金属硅化物与半导体材料接触势垒小，易于形成欧姆接触，可以减小接触电阻；
在本方案中，第一电极13作为蓝光LED、红光LED及绿光LED共连的阳极；第二电极18分别作为蓝光LED、红光LED及绿光LED的阴极。
在实际应用中，蓝光LED、红光LED及绿光LED的数量可以根据需要而定。
本实施例提供的基于GaN材料的垂直结构LED芯片，通过在单芯片上形成蓝光、红光与绿光，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
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。
请参照图8a～图8i，图8a～图8i为本发明实施例的一种基于GaN材料的垂直结构LED芯片的制备方法示意图。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500，如图8a所示。
第2步、在500℃温度下，在所述蓝宝石衬底500上表面生长厚度为4000nm的N型GaN材料作为第一缓冲层501；在1000℃温度下，在所述第一缓冲层501上表面生长厚度为1000nm的N型GaN材料作为第一稳定层502；在1000℃温度下，在所述第一稳定层502上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的N型GaN材料作为第一过渡层503；在所述第一过渡层503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504，第一InGaN量子阱中In含量为15％；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504上表面生长厚度为20nm的P型AlGaN材料作为第一阻挡层505；在400℃温度下，在所述第一阻挡层505上表面生长厚度为200nm的P型GaN材料作为第一接触层506，如图8b所示，其中，第一缓冲层501、第一稳定层502、第一过渡层503、第一有源层504、第一阻挡层505及第一接触层506形成蓝光LED结构。
第3步、在所述第一P型GaN接触层506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接触层506、所述第一阻挡层505、所述第一有源层504、所述第一过渡层503、所述第一稳定层502及所述第一缓冲层501，形成第一凹槽；在所述第一凹槽四周淀积二氧化硅材料作为隔离层600，所述二氧化硅隔离层内部区域作为所述红光灯芯槽，如图8c所示。
第4步、在所述红光灯芯槽底部生长厚度为2500nm的N型GaN材料作为第二缓冲层601；在所述第二缓冲层601上表面生长厚度为1500nm、掺杂浓度为5×1017cm-3的N型GaN材料作为第二稳定层602；在所述第二稳定层602上表面生长厚度为厚度为700nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的N型GaN材料作为第二过渡层603；在所述第二过渡层603上表面生长由GalnP量子阱和A1GaInP势垒形成的第二多重结构作为第二有源层604；其中，GalnP量子阱的厚度为7nm；A1GaInP势垒的厚度为7nm；所述第二多重结构中GalnP量子阱和A1GaInP势垒交替层叠的周期为20；在所述第二有源层604上表面生长厚度为100nm、掺杂浓度为1×1018cm-3的P型AlGaN材料作为第二阻挡层605；在所述第二阻挡层605上表面生长厚度为150nm、掺杂浓度为1×1018cm-3的P型GaAs材料作为第二接触层606，如图8d所示，其中，第二缓冲层601、第二稳定层602、第二过渡层603、第二有源层604、第二阻挡层605及第二接触层606形成红光LED结构。
第5步、选择性刻蚀第一二氧化硅层，在所述第一二氧化硅层上形成第二待刻蚀区域；利用干法刻蚀工艺，在所述第二待刻蚀区域刻蚀所述第一接触层506、所述第一阻挡层505、所述第一有源层504、所述第一过渡层503、所述第一稳定层502及所述第一缓冲层501，形成第二凹槽；去除所述第一二氧化硅层，并在所述第二凹槽四周淀积二氧化硅材料作为隔离层600，所述第二凹槽内部区域作为所述绿光灯芯槽，如图8e所示。
第6步、在700℃温度下，在所述蓝宝石衬底700上表面生长厚度为4000nm的N型GaN材料作为第三缓冲层701；在1000℃温度下，在所述第三缓冲层701上表面生长厚度为1000nm的N型GaN材料作为第三稳定层702；在1000℃温度下，在所述第三稳定层702上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的N型GaN材料作为第三过渡层703；在所述第三过渡层703上表面生长由第二InGaN量子阱和第二GaN势垒形成的第三多重结构作为第三有源层704，第二InGaN量子阱中In含量为25％；其中，所述第二InGaN量子阱的生长温度为770℃，厚度为2.8nm；所述第二GaN势垒的生长温度为870℃、厚度为5nm；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，在所述第三有源层704上表面生长厚度为20nm的P型AlGaN材料作为第三阻挡层705；在400℃温度下，在所述第三阻挡层705上表面生长厚度为200nm的P型GaN材料作为第三接触层706，如图8f所示，其中，第三缓冲层701、第三稳定层702、第三过渡层703、第三有源层704、第三阻挡层705及第三接触层706形成绿光LED结构。
第7步、利用溅射工艺，在所述第一接触层506、第二接触层606及第三接触层706表面生长厚度为300nm的Ni材料作为第一电极801；在所述第一电极801表面生长厚度为600nm的Ni材料作为反光层802；选取导电衬底803，利用溅射工艺在导电衬底803表面生长厚度为1000nm的接触金属层；在400℃温度下，通过接触金属层将导电衬底803紧贴在反光层802表面以使导电衬底803与反光层802之间形成键合，如图8g所示，其中，第一电极801作为蓝光LED、红光LED及绿光LED共连的阳极。
第8步、利用准分子激光器去除蓝宝石衬底500，露出所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701；如图8h所示。
第9步、在所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701下表面淀积厚度为500nm的二氧化硅材料作为钝化层804；利用光刻工艺，选择性刻蚀钝化层804，在所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701下表面形成电极孔；在电极孔中淀积Ni材料，并对整个材料进行退火处理，以在第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701表面形成金属硅化物；在金属硅化物上淀积Ni作为蓝光LED与红光LED的阴极805，如图8i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LED芯片(10)，其特征在于，包括：
导电衬底(11)；
反光层(12)，设置于所述导电衬底(11)上；
第一电极(13)，设置于所述反光层(12)上；
蓝光外延层(14)、红光外延层(15)及绿光外延层(16)，均设置于所述第一电极(13)上；
隔离层(17)，设置于所述第一电极(13)上以使所述蓝光外延层(14)、红光外延层(15)及绿光外延层(16)之间相互隔离；
所述第二电极(18)分别设置于所述蓝光外延层(14)、红光外延层(15)及绿光外延层(16)上；
所述钝化层(19)覆盖于所述蓝光外延层(14)、红光外延层(15)、绿光外延层(16)及所述隔离层(17)上。
2.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(14)包括：第一缓冲层(141)、第一稳定层(142)、第一过渡层(143)、第一有源层(144)、第一阻挡层(145)及第一接触层(146)；其中，
所述第一接触层(146)、所述第一阻挡层(145)、所述第一有源层(144)、所述第一过渡层(143)、所述第一稳定层(142)及所述第一缓冲层(141)依次层叠于所述第一电极(13)上表面第一指定区域。
3.根据权利要求2所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第一有源层(144)为由第一InGaN量子阱(1441)和第一GaN势垒(1442)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％。
4.根据权利要求3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(1441)与所述第一GaN势垒(1442)交替层叠的周期为8～30。
5.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述红光外延层(15)包括：第二缓冲层(151)、第二稳定层(152)、第二过渡层(153)、第二有源层(154)、第二阻挡层(155)及第二接触层(156)；其中，
所述第二接触层(156)、所述第二阻挡层(155)、所述第二有源层(154)、所述第二过渡层(153)、所述第二稳定层(152)及所述第二缓冲层(151)依次层叠于所述第一电极(13)上表面第二指定区域。
6.根据权利要求5所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第二有源层(154)为由GalnP量子阱(1541)和A1GaInP势垒(1542)形成的第二多重结构；其中，所述A1GaInP势垒(1542)中A1含量为10～40％。
7.根据权利要求6所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第二多重结构中所述GalnP量子阱(1541)和A1GaInP势垒(1542)交替层叠的周期为8～30。
8.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述绿光外延层(16)包括：第三缓冲层(161)、第三稳定层(162)、第三过渡层(163)、第三有源层(164)、第三阻挡层(165)及第三接触层(166)；其中，
所述第三接触层(166)、所述第三阻挡层(165)、所述第三有源层(164)、所述第三过渡层(163)、所述第三稳定层(162)及所述第三缓冲层(161)依次层叠于所述第一电极(13)上表面第三指定区域。
9.根据权利要求8所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第三有源层(164)为由第二InGaN量子阱(1641)与第二GaN势垒(1642)形成的第三多重结构；其中，所述第二InGaN量子阱(1641)中In含量为20～30％。
10.根据权利要求9所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第三多重结构中所述第二InGaN量子阱(1641)与第二GaN势垒(1642)交替层叠的周期为8～30。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201711382262.9A CN108133990A (zh) | 2017-12-20 | 2017-12-20 | 基于GaN材料的垂直结构LED芯片 |
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| CN108133990A true CN108133990A (zh) | 2018-06-08 |
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ID=62391934
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| CN (1) | CN108133990A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109148676A (zh) * | 2018-08-29 | 2019-01-04 | 佛山市国星半导体技术有限公司 | 一种高密度微显示led器件及其制作方法 |
| CN114420783A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-04-29 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于双雪崩机制的台面型雪崩单光子探测器 |
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2017
- 2017-12-20 CN CN201711382262.9A patent/CN108133990A/zh active Pending
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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