CN110010731B - 一种长波长led外延垒晶片、芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波长LED外延垒晶片的制备方法，制备步骤包括：把外延垒晶衬底放入外延生长反应室内；在外延垒晶衬底上生长GaN外延垒晶层，GaN外延垒晶层厚度为h，控制厚度6μm≥h≥0.35μm，在外延垒晶衬底表面生长GaN缓冲层，在GaN缓冲层上生长n型GaN，在n型GaN上生长量子阱，量子阱上生长p型GaN。本发明制备的氮化镓基长波长LED外延垒晶片制备成的LED电性性能与蓝绿GaN基LED电性性能一致。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延垒晶片。更具体地说，本发明涉及长波长LED外延垒晶片、芯片及其制备方法。
背景技术
现有技术中砷化镓二极管发红光、磷化镓二极管发绿光、碳化硅二极管发黄光、氮化镓二极管发蓝光。氮化镓是一种宽带隙化合物半导体材料，具有发射蓝光、高温、高频、高压、大功率、耐酸、耐碱、耐腐蚀等特点，是继锗、硅和砷化镓之后最主要的半导体材料之一，使得它在蓝光和紫外光电子学技术领域占有重要的地位，也是制作高温、大功率半导体器件的理想材料。目前氮化镓凭借其极占优势的物理性能、化学性能、光电性能已然成为了第三代LED的典型代表，行业内对氮化镓的研究也成为了前沿与热点，行业内各大巨头纷纷投入大量的资金及人力在此项目中，虽然对氮化镓的研究，近年来已经取得了突飞猛进的成功，但是还有很多方面需要我们去探索与开发，如目前现有技术中氮化镓发光二极管在蓝光、绿光、紫外光领域已经有所突破，并取得了一定的成绩，并且也早已实现了工业化量产，以其体积小、寿命长、亮度高、能耗小等优点开始广泛取代传统日常使用的白识灯、日光灯等照明灯具，成为主要照明光源。但是用为现有技术中的氮化镓不能直接发射红光，为了能发白光，需要通过特定的荧光粉来对蓝光或绿光进行激发，使其激发后发射白光，以用于日常照明领域，但由于荧光粉其为有毒有害、环境污染等因素，近年来受到了很多环保关注，所以各大企业已经开始规避使用荧光粉，大家都在尽力研究使用健康安全的替代方案。其实除此之外，要想获得白光，理论上也可以通过蓝光、绿光、红光，来混合制备成，但由于现有技术中红光主要是由砷化镓制备成，其各方面的性能，如光衰期、使用寿命等，尤其是光电性能都不能与用氮化镓制备的蓝、绿光的所配比，所以在白光制备及日常照明应用过程中大家都放弃了用砷化镓发红光的二极管，而极力寻找着其他可替代的解决方案。
另一方面LED电子显示器的应用越来越广泛，显示器中各像素中的子像素对应的LED发光体都需要单独进行电连接，不断变化其电通量来变化其对应的像素点中LED发光体光混合后的显示色彩，但由于目前红光LED的材料与蓝光LED、绿光LED的材料不同，在作为发光体应用于同一个显示器中，其对应的电压也不相同，并且其他的光电性能都有相应很大偏差，使其与蓝光LED、绿光LED应用于同一显示器中的制备工艺的难度加大，并且需要独立的一套电控装置，一方面提高的成本，使电控变的很困难，另一方面使LED电子显示器电路结构错综复杂，增加了显示器的体积。而如果能找到一种红光LED材料，能与蓝光LED、绿光LED具备高度相近的光电性能，就可以简化LED显示器的构造、能提高色彩的对比度，并且能最大限度地统一各色LED发光体的光效，降低LED显示器的厚度。
发明内容
本发明的目的是提供一种LED外延垒晶片及芯片，其为在MOCVD或HVPE等外延生长反应室内外延垒晶的氮化镓发光二极管，能在不需要荧光粉激发的情况下发射长波长的光，所述的长波长光为波长长于蓝光、绿光的光，如黄光或红光，尤其为红光。
本发明的另一个目的是提供一种长波长LED外延垒晶片的制备方法，一方面可以用于在反应室内外延垒晶氮化镓系长波长晶片，另一方面可以提高长波长LED外延垒晶片的垒晶质量。
本发明的另一个目的是提供一种用于电子显示器的LED全彩发光体，用本发明中的长波长LED外延垒晶片制备的LED芯片作为三原色光中的红光发光单元。
为了实现根据本发明的目的和其它优点，提供了一种长波长LED外延垒晶片制备方法，长波长LED外延垒晶片为长波长GaN LED外延垒晶片，制备步骤包括：
A把外延垒晶衬底放入外延生长反应室内；
B在外延垒晶衬底上生长GaN外延垒晶层，GaN外延垒晶层厚度为h，控制厚度6μm≥h≥0.35μm：
a在外延垒晶衬底表面生长GaN缓冲层；
b在GaN缓冲层上生长n型GaN；
c在n型GaN上生长AlxInyGa(1-x-y)N量子阱：含C的有机生长源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长，生长温度控制在700℃-990℃之间，其中阱与磊生长温差w控制在100℃>w>0℃，控制量子阱生长速率在0.2A/sec——1.2A/sec之间，量子阱≥7对，量子阱中C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中In的含量>3％；
d在AlxInyGa(1-x-y)N量子阱上生长p型GaN。
本方面所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述外延垒晶衬底材料包括：蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、GaN衬底、AlN衬底、ZnO衬底、ZnSe衬底、GaP衬底、GaAs衬底中的一种，或两种或两种以上的复合衬底。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述外延垒晶衬底材料包括蓝宝石衬底、GaN衬底其中的一种，或两种复合衬底，如氮化镓蓝宝石复合衬底。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述在n型GaN上生长的AlxInyGa(1-x-y)N量子阱，其中x、y的值分别为：0<x<0.5，0.03<y<1。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述AlxInyGa(1-x-y)N量子阱中x大小为0<x<0.5，x通过在0——0.5之间的选择，控制LED外延垒晶片的波长在573nm——800nm范围之内选择。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述生长AlxInyGa(1-x-y)N量子阱：在垒晶生长完第3对量子阱后，含三甲基或含C的有机生长源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述AlxInyGa(1-x-y)N量子阱为多量子阱，量子阱≥7对，其中第三对量子阱之后的量子阱中分布有C。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其中所述含C的有机生长源为三甲基铝源。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法制备的长波长LED外延垒晶片，包括外延垒晶衬底、氮化镓基外延垒晶层：
外延垒晶衬底：用于放入反应室内，在上表面依次外延生长包括缓冲层、n型GaN、量子阱、p型GaN；
外延垒晶层厚度为h，6μm≥h≥0.35μm，外延垒晶层包括：
缓冲层：在n型GaN与外延垒晶衬底之间生长GaN缓冲层；
n型GaN：生长于GaN缓冲层之上，量子阱之下；
量子阱：为AlxInyGa(1-x-y)N多量子阱，量子阱≥7对，在n型GaN与p型GaN之间，在(In)GaN量子阱中引入C掺杂，C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中In的含量>3％；
p型GaN:生长于量子阱之上。
本发明所述的长波长LED外延垒晶片制备的LED芯片，包括：衬底、缓冲层、n型GaN、量子阱、p型GaN及分别制备于n型GaN层、p型GaN层之上的n电极和p电极。
本发明所述用于电子显示器的LED全彩发光体，包括：基板及固定在基板上的LED芯片：
第一基板划分有像素点区域，制备有同电压电路；
LED芯片包括三原色芯片，其中红光芯片为本发明所述的LED芯片；
每组三原色LED芯片包括红、绿、蓝三种色光的LED芯片各一个，与一个像素点区域对应固定于基板；
LED芯片与第一基板上的同电压电路电性连接。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的发明人在对长波长LED外延垒晶片的深入研究的过程中发现，在MOCVD中对外延垒晶时对量子阱制备进行改进，使量子阱≥7对，并在GaN量子阱中C的浓度范围为控制在1016——1020cm-3之间，In的含量>3％，如图1、图2所示，通过C的引入改变了能阶，产生了新的能阶，使带隙变窄，增加了其发光波长，制备出来的外延垒晶片在应用点亮时其能发射长波长光，并且其中外延垒晶衬底优选蓝宝石垒晶衬底、GaN衬底其中一种，或两种复合衬底，外延垒晶层总厚度优选0.35μm——6μm之间，其中分布有C的量子阱优选为以外延垒晶衬底为下，从下至上第三对量子阱之后的量子阱中。
本发明的发明人在对长波长LED外延垒晶片的深入研究的过程中发现，在制备AlxInyGa(1-x-y)N量子阱时对三甲基铝进行控制，以此控制量子阱中Al的含量，即使x在0——0.5之间的选择，以此可以控制LED外延垒晶片的波长在573nm——800nm长波长范围之内选择。即本发明的LED外延垒晶片的波长通过在制备AlxInyGa(1-x-y)N量子阱时对量子阱中铝含量进行控制实现。
本发明的发明人为提高长波长LED外延垒晶片的质量，在研究制备长波长LED外延垒晶片过程中发现在生长量子阱过程中提高生长温度，温度提高至700℃-990℃之间，其中阱与磊生长温差w控制在100℃>w>0℃，同时控制量子阱生长速率在0.2A/sec——1.2A/sec之间，利用三甲基铝做为铝源和碳源，利用氯气或氯化物作为量子阱的垒晶催化剂，有效提高了C在量子阱中的沉积，提高了长波长LED外延垒晶片的质量。
本发明再一个有益效果，一般氮化镓LED的波长为270-570之间，在运用于户外大型显示器中通常以红、蓝、绿来组合成白光及其他颜色，其中的红光不是氮化镓，一般是四元的砷化镓，与蓝、绿的氮化镓不是同一种材料，其电控就比较空难，对于户外大型显示屏由于其面积比较大，可以有很大空间用于做光源的电控，但对于小型显示器，就没有足够的空间来进行红、蓝、绿来组合成白光及其他颜色，而本发明的氮化镓长波长LED，在红光氮化镓LED中的制备，可以有效解决现有技术中由于光源之间的光电性能不匹配所以需要大量的电控空间问题，并且在另一方面本发明的长波长LED外延垒晶片也提高了长波长光的亮度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
说明书附图是为了进一步解释本发明，不是对本发明的发明保护范围的限制。
图1为一般氮化镓LED外延垒晶片的带宽示意图。
图2为本发明长波长LED外延垒晶片的带宽示意图。
图3为一般氮化镓LED外延垒晶片的结构示意图。
图4为本发明长波长LED外延垒晶片结构示意图a。
图5为本发明长波长LED外延垒晶片结构示意图b。
图6为本发明用于电子显示器LED全彩发光体结构示意图。
具体实施方式
在说明书中描述了本公开的实施例。所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。数字不一定按比例；某些功能可能被夸大或最小化，以显示特定组件的细节。因此，公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员各种应用实施例的代表性基础。
下面结合具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，而非对本发明发明范围的限制。
在本说明书中，所述定义：长波长LED，现有氮化镓基LED一般只是短波长LED，发射蓝光或绿光，若想要其波长变长，如发射红光等，现有GaN LED不能凭自身单独实现，而现有技术一般通过蓝光GaN LED在荧光粉激发下转化为红光来实现，或者利用非GaN材料来制备红光LED，如红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，以GaP衬底、GaAs衬底为衬底，以GaP衬底使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构；以GaAs衬底为衬底使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm；使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间；而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构。本发明所述的长波长氮化镓LED为能发生黄光或红光等长波长的氮化镓LED，本发明淡化镓基长波长LED外延垒晶片为其波长选自573-800nm之间。本发明氮化镓基长波长LED外延垒晶片，可以在mocvd反应室内生长也可以在HVPE反应室内生长。
本发明中：外延垒晶层厚度为h，6μm≥h≥0.35μm，其中0.35μm——6μm之间的厚度为本发明的优选厚度，因外延垒晶层厚度与成本、光电性能等有直接关系，若外延垒晶层厚度超过6μm或小于0.35μm，也是可以制备成本发明长波长LED外延垒晶片，但从成本、光电性能等不能达到最佳效果，所以外延垒晶层厚度超过6μm或小于0.35μm时其在技术可实现方面是可以被认定为与本发明等同。
如图3所示，氮化镓LED外延垒晶片现有技术一般情况下其结构包括：外延垒晶衬底1、氮化镓基外延垒晶层，氮化镓基外延垒晶层依次包括：缓冲层2、n型GaN3、量子阱4、p型GaN5。
实施例1 0<x<0.5，0.03<y<1。
本发明长波长LED外延垒晶片如图4所示，包括：蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型GaN3、量子阱41、p型GaN5，对现有技术量子阱4进行了改进，量子阱为AlxInyGa(1-x-y)N量子阱，x＝0.1，y＝0.4。通过含C的有机生长源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长，生长温度控制在700℃-990℃之间，其中阱与磊生长温差w控制在80℃左右，控制量子阱生长速率在0.6A/sec左右，量子阱≥7对，量子阱中C的浓度范围为1016——1020cm-3，在量子阱41上生长P型GaN5，外延垒晶层总厚度控制在5μm或5μm以内。
实施例2
本发明长波长LED外延垒晶片如图5所示，包括：蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型GaN3、AlxInyGa(1-x-y)N量子阱包括(量子阱41、量子阱42)、p型GaN5，对现有技术量子阱4进行了改进，使量子阱大于等于7对，量子阱42为第一、第二、第三对量子阱其中没有C的沉积分布，量子阱41为第三对量子阱之后的量子阱，其中x＝0.1，y＝0.5，第4对量子阱生长时，三甲基铝源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长，生长温度控制在700℃-990℃之间，其中阱与磊生长温差w控制在70℃左右，控制生长速率在0.5A/sec左右，使第4对量子阱开始其中C的浓度范围为1016——1020cm-3，外延垒晶层总厚度控制在5μm左右。
实施例3
如图4所示，本发明的长波长LED外延垒晶片制备方法包括；
a把蓝宝石衬底1放入MOCVD反应室内；
b在蓝宝石衬底1上外延垒晶生长缓冲层2、n型GaN3；
c在外延垒晶生长完n型GaN3后，开始生长AlxInyGa(1-x-y)N量子阱，其中x＝0.23，y＝0.51。控制外延生长温度在860℃左右，反应室内通入三甲基镓为镓源，同时通入催化剂的氯气，控制量子阱生长速率为0.6A/sec左右，其中阱与磊的生长温差55℃左右，量子阱41中C的浓度范围为1017cm-3左右，外延垒晶生长分布有C堆积的多量子阱41，量子阱41数15对；
d量子阱之上外延垒晶生长p型GaN，外延垒晶层总厚度5μm左右。
实施例4
如图5所示，本发明的长波长LED外延垒晶片制备方法包括；
a把蓝宝石衬底1放入反应室内；
b在蓝宝石衬底1上外延垒晶生长缓冲层2、n型GaN3；
c在外延垒晶生长完n型GaN3后，生长量子阱42，生长完第三对量子阱后，控制外延生长温度在875℃左右，反应室内通入三甲基铝源及其他反应源，同时通入生长催化剂的氯气，控制量子阱生长速率为1.0A/sec左右，其中阱与磊的生长温差70℃，量子阱41中C的浓度范围为1018cm-3左右，外延垒晶生长分布有C堆积的多量子阱41，量子阱41数13对，第四对量子阱开始，量子阱中的In含量不低于3％；
d量子阱之上外延垒晶生长p型GaN，外延垒晶层总厚度4.7μm左右。
实施例5
本发明所述用于电子显示器的LED全彩发光体，如图6本发明用于电子显示器LED全彩发光体结构示意图所示，基板01上包括像素点区域04，同电压电路02及三原色芯片03，红色光的LED芯片03a、绿色光的LED芯片03b、蓝色光的LED芯片03c，一组三原色芯片03固定一个像素点区域内，通过基板01设置的同压电路02与外界电源电性连接，为提高发光体在显示器中的显色效果，本发明的各LED芯片单元均单独于电路02电性连接。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (11)
1.一种长波长LED外延垒晶片制备方法，其特征在于，长波长LED外延垒晶片为长波长GaN LED外延垒晶片，制备步骤包括：
A把外延垒晶衬底放入外延生长反应室内；
B在外延垒晶衬底上生长GaN外延垒晶层，GaN外延垒晶层厚度为h，控制厚度6μm≥h≥0.35μm：
a在外延垒晶衬底表面生长GaN缓冲层；
b在GaN缓冲层上生长n型GaN；
c在n型GaN上生长AlxInyGa(1-x-y)N量子阱：含C的有机生长源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长，生长温度控制在700℃-990℃之间，其中阱与磊生长温差w控制在100℃>w>0℃，控制量子阱生长速率在0.2埃/sec——1.2埃/sec之间，量子阱≥7对，量子阱中C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中In的含量>3％；
d在AlxInyGa(1-x-y)N量子阱上生长p型GaN。
2.根据权利要求1所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述外延垒晶衬底材料包括：蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、GaN衬底、AlN衬底、ZnO衬底、ZnSe衬底、GaP衬底、GaAs衬底中的一种，或两种或两种以上的复合衬底。
3.根据权利要求2所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述外延垒晶衬底材料包括蓝宝石衬底、GaN衬底其中的一种，或两种复合衬底。
4.根据权利要求1所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述在n型GaN上生长的AlxInyGa(1-x-y)N量子阱，其中x、y的值分别为：0<x<0.5，0.03<y<1。
5.根据权利要求4所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述AlxInyGa(1-x-y)N量子阱中x大小为0<x<0.5，x通过在0——0.5之间的选择，控制LED外延垒晶片的波长在573nm——800nm范围之内选择。
6.根据权利要求1所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述生长AlxInyGa(1-x-y)N量子阱：在垒晶生长完第3对量子阱后，含三甲基或含C的有机生长源通入反应室内在Cl2或HCl的催化下参与量子阱生长。
7.根据权利要求6所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述AlxInyGa(1-x-y)N量子阱为多量子阱，量子阱≥7对，其中第三对量子阱之后的量子阱中分布有C。
8.根据权利要求1所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法，其特征在于，其中所述含C的有机生长源为三甲基铝源。
9.根据权利要求1-8任一项所述的长波长LED外延垒晶片的制备方法制备的长波长LED外延垒晶片，其特征在于，包括外延垒晶衬底、氮化镓基外延垒晶层：
外延垒晶衬底：用于放入反应室内，在上表面依次外延生长包括缓冲层、n型GaN、量子阱、p型GaN；
外延垒晶层厚度为h，6μm≥h≥0.35μm，外延垒晶层包括：
缓冲层：在n型GaN与外延垒晶衬底之间生长GaN缓冲层；
n型GaN：生长于GaN缓冲层之上，量子阱之下；
量子阱：为AlxInyGa(1-x-y)N多量子阱，量子阱≥7对，在n型GaN与p型GaN之间，在(In)GaN量子阱中引入C掺杂，C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中C的浓度范围为1016——1020cm-3，量子阱中In的含量>3％；
p型GaN:生长于量子阱之上。
10.用权利要求9所述的长波长LED外延垒晶片制备的LED芯片，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、n型GaN、量子阱、p型GaN及分别制备于n型GaN层、p型GaN层之上的n电极和p电极。
11.一种用于电子显示器的LED全彩发光体，其特征在于，包括：基板及固定在基板上的LED芯片：
第一基板划分有像素点区域，制备有同电压电路；
LED芯片包括三原色芯片，其中红光芯片为权利要求10所述的LED芯片；
每组三原色LED芯片包括红、绿、蓝三种色光的LED芯片各一个，与一个像素点区域对应固定于基板；
LED芯片与第一基板上的同电压电路电性连接。
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