CN109103351A - 应用于Micro-LED的外延片结构、其制作方法及包括其的LED芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用于Micro‑LED的外延片结构，包括由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层和P型GaN层，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽，所述沟槽裸露出所述U型GaN层，本发明中通过外延生长出N型GaN层和P型GaN层，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，这样的结构在后期旋涂有机发光层之后，这样可以提高整个外延片的波长的均匀性和一致性，极大拓展了Micro‑LED的应用和实现。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其是应用于Micro-LED的外延片结构、其制作方法及包括其的LED芯片。
背景技术
目前氮化镓基LED受到越来越多的关注和研究，其外延结构主体为：衬底、氮化镓或掺铝氮化镓缓冲层、未掺杂的GaN层、N型掺杂层、电流扩展层、MQW有源区、P型AlGaN层、P型层。当有电流通过时，N型区的电子和P型区的空穴进入MQW有源区并且复合，发出我们需要波段的可见光。
由于衬底与氮化镓晶格常数的差异，在外延过程中会积累应力和缺陷，缺陷会降低外延磊晶的长晶质量影响载流子输运和量子效率，同时应力的积累会进一步降低载流子在阱区的有效复合。另外，随着外延片尺寸的增大，高温外延过程中存在较大的翘曲造成边沿波长与中心的极大差异，影响到整个外延片波长的集中性。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种应用于Micro-LED的外延片结构、其制作方法及包括其的LED芯片。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种应用于Micro-LED的外延片结构，包括由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层和P型GaN层，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽，所述沟槽裸露出所述U型GaN层。
作为一种可实施方式，所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um。
作为一种可实施方式，所述GaN缓冲层的厚度为15nm-35nm。
作为一种可实施方式，所述U型GaN层的厚度为1.0um-5.0um。
一种LED芯片，包括衬底、设置在所述衬底上的外延片，以及设置在所述外延片上的有机发光层，所述有机发光层旋涂在第一柱状结构和第二柱状结构之间的沟槽内。
作为一种可实施方式，所述有机发光层的材料为八羟基喹啉铝、蓝光发光化合物、红荧烯或稀土络合物中的任意一种。
一种应用于Micro-LED的外延片制作方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层和P型GaN层；
其中，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽，所述沟槽裸露出所述U型GaN层。
作为一种可实施方式，所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um。
作为一种可实施方式，生长N型GaN层的条件为：生长温度为1000℃-1200℃，压力为100Torr-500Torr，所述N型GaN层的硅掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3。
作为一种可实施方式，生长P型GaN层的条件为：温度为850℃-1080℃，压力为100Torr-300Torr。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
常规外延设备在外延生长中衬底和氮化镓存在晶格失配，同时在高温外延中存在翘曲的差异，二者影响到外延片波长的集中性，限制了Micro-LED的广泛应用，本发明中通过外延生长出N型GaN层和P型GaN层，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，这样的结构在后期旋涂有机发光层之后，这样可以提高整个外延片的波长的均匀性和一致性，极大拓展了Micro-LED的应用和实现。
同时由于发光二极管轴向出光时受到电极和ITO等材料的影响，出光效率较低，但本发明中N型GaN层和P型GaN层做在侧面，轴向出光不会有任何材料干扰，外延生长厚度较薄保持了较理想的晶体特性，N型GaN层和P型GaN层形成的阱区应力和极化影响较小，极大改善了阱区载流子的复合效率，进一步提升了整个发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1的整体结构示意图；
图2是本发明实施例2的整体结构示意图；
图3是本发明实施例3的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
一种应用于Micro-LED的外延片结构，如图1所示，包括由衬底0表面向外依次设置的GaN缓冲层1、U型GaN层2、N型GaN层3和P型GaN层4，所述N型GaN层3为第一柱状结构，所述P型GaN层4为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽5，所述沟槽5裸露出所述U型GaN层2。第一柱状结构和第二柱状结构生长在U型GaN层2表面上并且分别位于边缘，第一柱状结构和第二柱状结构之间形成沟槽，并且，将U型GaN层2裸露出来，便于后期在沟槽内旋涂有机发光层物质。更加精确的，所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um，所述GaN缓冲层的厚度为15nm-35nm，所述U型GaN层的厚度为1.0um-5.0um。
传统N型GaN层和P型GaN层都是垂直结构，由于在高温外延段生长过程中翘曲导致边沿和中心温度分布的不均会导致外延片的各个外延层组分的一致性弱，并且会导致后期LED芯片的长发光有源区一致性弱，总之，传统的N型GaN层和P型GaN层难以将波长的一致性和均匀性有效控制均一，本实施例设置为第一柱状结构和所述第二柱状结构后，后期将有机发光层旋涂在第一柱状结构和所述第二柱状结构形成的沟槽之间，可以有效控制整个外延片的波长一致性，这样，可以有效的控制整个外延片结构的波长的一致性。
本发明提供一种应用于Micro-LED的外延片结构及制作方法，通过外延生长出N型GaN层和P型GaN层，第一柱状结构和所述第二柱状结构，有机材料层作为发光有源区提高了整个外延片的波长的均匀性和一致性，极大拓展了Micro-LED的应用和实现。
实施例2：
一种LED芯片，如图2所示，包括衬底0、设置在所述衬底上的外延片，以及设置在所述外延片上的有机发光层11，所述有机发光层11旋涂在第一柱状结构和第二柱状结构之间的沟槽内。
更具体地，所述有机发光层的材料为八羟基喹啉铝、蓝光发光化合物、红荧烯或稀土络合物中的任意一种，具体地，当有机发光层为八羟基喹啉铝时，N型GaN层3和P型GaN层4形成的电子和空穴在有机发光层3复合发出绿光。当有机发光层为蓝光发光化合物时，N型GaN层3和P型GaN层4形成的电子和空穴在有机发光层复合发出蓝光；当有机发光层为红荧烯时，N型GaN层3和P型GaN层4形成的电子和空穴在有机发光层复合发出红光。
更具体地，所述蓝光发光化合物为二苯基蒽、四苯基丁二烯以及二苯乙烯基苯衍生物的混合物，蓝光发光化合物中的这几种物质可以以任意比例混合，都能实现蓝光发光化合物的用途，亦或者蓝光发光化合物可以为现有的蓝光发光化合物，只要能发出蓝光即可。
实施例3：
一种应用于Micro-LED的外延片制作方法，如图3所示，包括以下步骤：
S100、提供一衬底0；
S200、在所述衬底0上依次生长GaN缓冲层1、U型GaN层2、N型GaN层3和P型GaN层4；
其中，所述N型GaN层3为第一柱状结构，所述P型GaN层4为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽5，所述沟槽裸露出所述U型GaN层。
所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um。生长N型GaN层的条件为：生长温度为1000℃-1200℃，压力为100Torr-500Torr，所述N型GaN层的硅掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3。生长P型GaN层的条件为：温度为850℃-1080℃，压力为100Torr-300Torr。
结合传统的制作过程与本实施例改进的过程，以下是形成的详细步骤：
提供衬底0，一般采用二氧化硅PSS衬底，氢气的气氛中退火处理8分钟，清洁衬底0表面，退火温度在1000℃与1200℃之间，然后进行氮化处理；
将生长温度调整至400℃-600℃，生长出15nm至35nm厚的GaN缓冲层2，生长压力为400Torr-600Torr；
GaN缓冲层1进行退火处理，退火温度在1000℃-1200℃，时间为5分钟至10分钟，压力为400Torr-600Torr；
退火完成后，经温度调节至1000℃-1100℃，生长出厚度在1.0至5.0微米的U型GaN层2，生长压力在100Torr至500Torr之间；
U型GaN层2生长结束后，在其表面设置掩膜版生长N型GaN层3和P型型GaN层4，设置所需厚度的N型GaN层3掩膜版，裸漏位置生长型GaN层3，将掩膜版P型GaN层位置漏出，同时，将N型GaN层位置覆盖住(防止生长出p型GaN层)，生长出P型GaN层4，N型GaN层，厚度在0.05-3um之间，生长温度在1000℃-1200℃，压力在100Torr至500Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间；
N型GaN层3生长结束后生长P型GaN层4，厚度在0.05-3um之间，生长温度在850℃-1080℃之间，生长压力区间为100Torr-300Torr；所述N型GaN层3为第一柱状结构，所述P型GaN层4为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽5，就生长好整个外延片了。后期在沟槽内旋涂有机发光层物质就可以形成LED芯片。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种应用于Micro-LED的外延片结构，包括由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层和P型GaN层，其特征在于，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽，所述沟槽裸露出所述U型GaN层。
2.根据权利要求1所述应用于Micro-LED的外延片结构，其特征在于，所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um。
3.根据权利要求2所述应用于Micro-LED的外延片结构，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为15nm-35nm。
4.根据权利要求3所述的应用于Micro-LED的外延片结构，其特征在于，所述U型GaN层的厚度为1.0um-5.0um。
5.一种LED芯片，包括衬底、设置在所述衬底上的外延片，以及设置在所述外延片上的有机发光层，其特征在于，所述外延片结构为权利要求1至4中任一项所述的外延片结构，所述有机发光层旋涂在第一柱状结构和第二柱状结构之间的沟槽内。
6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于，所述有机发光层的材料为八羟基喹啉铝、蓝光发光化合物、红荧烯或稀土络合物中的任意一种。
7.一种应用于Micro-LED的外延片制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层和P型GaN层；
其中，所述N型GaN层为第一柱状结构，所述P型GaN层为第二柱状结构，所述第一柱状结构和所述第二柱状结构之间设有沟槽，所述沟槽裸露出所述U型GaN层。
8.根据权利要求7所述的应用于Micro-LED的外延片制作方法，其特征在于，所述第一柱状结构的高度为0.05um-3um，所述第二柱状的高度为0.05um-3um。
9.根据权利要求7所述的应用于Micro-LED的外延片制作方法，其特征在于，生长N型GaN层的条件为：生长温度为1000℃-1200℃，压力为100Torr-500Torr，所述N型GaN层的硅掺杂浓度为1018cm-3-1019cm-3。
10.根据权利要求7所述的应用于Micro-LED的外延片制作方法，其特征在于，生长P型GaN层的条件为：温度为850℃-1080℃，压力为100Torr-300Torr。
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