CN111048637A - 高落差台阶结构的多色led外延芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高落差台阶结构的多色LED外延芯片，包括衬底层，其特征在于：所述衬底层上形成至少一层的台阶结构，台阶与衬底层表面之间的落差≥5μm，每层台阶之间的落差≥5μm，在含有台阶结构的衬底层上依次生长GaN缓冲层、InGaN多量子阱结构，形成多色LED外延芯片。并公开了其制备方法。本发明利用紫外曝光、刻蚀等技术制备蓝宝石的高低落差，进MOCVD、MBE炉外延生长时，这种高低落差会造成表面具有较大的温度差，进而调控了不同区域铟镓组分。本方法可有效在同一外延片上获得不同发光波长区域，从而实现双色甚至多色LED芯片，该方法可低成本、高稳定实现全色高清显示芯片。
Description
技术领域
本发明涉及一种高落差台阶结构的多色LED外延芯片及其制备方法。
背景技术
传统的全色LED芯片大多采用在蓝光氮化镓LED器件激发荧光粉、量子点，荧光粉及量子点主要依靠吸收蓝光激发而辐射发光的。专利CN10112172A提出了一种基于氮化镓纳米孔阵列/量子点混合结构的全色micro-LED芯片，然而这种发光显色指数偏低，而相关色温偏高，技术上采用二次或者多次配色方案，使得工艺变得复杂且不可靠，尤其当器件尺寸缩小至百μm以下的micro-LED时，量子点或荧光粉的精准定位会变差，器件良率降低。
目前，又有科研人员提出多个micro-LED并行发光来取代上述二次激发辐射其他材料的方案，采用RGB三基色(红、绿、蓝)发光单元按照一定排列方式装配而成，靠控制每组发光单元的亮灭来显示色彩丰富、饱和度高、显示频率高的动态图像。这些独立发光单元均采用MOCVD技术在衬底上分别外延红、绿、蓝三色LED，后进行分割、抓取、焊接等工艺，其工序复杂，且需上万次的分割、抓取造成生长成本急剧增加、生产效率低，最终限制了全色LED在显示行业的发展。专利CN107833878B提出一种红、绿、蓝全色堆栈式外延的micro-LED倒桩阵列的制备方法，在外延材料部分采用氧化硅或氮化硅作为区域外延阻挡层，在特定区域内实现红光、绿光、蓝光三种发光单元，但这种用氧化物作为阻挡层会造成腔体污染，生长不同波长不能同时进行，需要二次或多次外延，每长完一个波长需要取出做图形，然后再长其他波长，易造成污染物进入腔体且成本上升。
对于氮化物器件来说，影响材料晶体质量的因素有很多，例如：衬底结构，生长温度，气体流量，Ⅲ/Ⅴ比，压强，载气等。其中，温度在生长过程中影响尤其大，低温生长环境下，氨气的活化程度低，难以有效生长，所获得晶体质量差。在高温生长环境下，InN的N平衡压强远高于GaN中的N平衡压强，导致GaN材料和InN材料难以有效互溶，易造成高In组分的InGaN薄膜中出现严重的In组分分凝现象。因此，微小的温度差就可造成样品中铟镓组分的不同，借由此可利用这种微小温度差获得同一外延片发光波长不同，实现双色甚至多色LED芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高落差台阶结构的多色LED外延芯片。
本发明采用的技术方案为：一种高落差台阶结构的多色LED外延芯片，包括衬底层，所述衬底层上形成至少一层的台阶结构，台阶与衬底层表面之间的落差≥5μm，每层台阶之间的落差≥5μm，在含有台阶结构的衬底层上依次生长GaN缓冲层、InGaN多量子阱结构，形成多色LED外延芯片。
优选的，所所述台阶结构横截面为方形、圆形、椭圆形或多边形，所述台阶结构横截面的面积从50*50～300*300μm2，同一层或不同层的台阶结构在衬底层表面的投影之间的最小距离≥5μm。
优选的，所述GaN缓冲层的厚度为2～3μm，InGaN多量子阱结构包括依次生长的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层。
优选的，n型GaN层厚度为2-4μm，InGaN/GaN多量子阱层的周期数为5-10个周期，同一外延芯片内每个周期的InGaN阱宽相同、GaN垒层厚度相同，所述电子阻挡层为AlGaN薄膜层，厚度为100-300nm，P型GaN层厚度为300nm-600nm。
优选的，所述台阶结构为1-3层。
本发明还公开了上述的多色LED外延芯片的制备方法，为：在衬底层上刻蚀出至少一层的台阶结构，台阶与衬底层表面之间的落差≥5μm，每层台阶之间的落差≥5μm，然后在衬底层上依次生长GaN缓冲层、InGaN多量子阱结构。
根据权利要求5所述的多色LED外延芯片的制备方法，其步骤具体为：
步骤1，选择(0001)面蓝宝石作为衬底层，清洗衬底层；
步骤2，采用PECVD法在衬底层上生长一层氧化硅薄膜：
步骤3，在氧化硅薄膜层上旋涂光刻胶，将具有第一层台阶结构的光刻图形结构显影在光刻胶上；
步骤4，利用电子束蒸发技术，在光刻胶上蒸镀一层Ni金属膜作为掩膜；
步骤5，在第一次外延生长的金刚石薄膜上蒸镀一层金属掩膜；
步骤6，将镀上金属掩膜后的样品置于丙酮溶液中浸泡，并辅以超声清洗，将未曝光区域的金属掩膜层随光刻胶一并去除；
步骤7，采用RIE技术，以曝光区域的金属Ni为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将光刻结构转移至氧化硅薄膜层上；
步骤8，采用ICP技术，以氧化硅薄膜层为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀衬底层，刻蚀深度不低于5μm，在衬底层上形成第一层台阶结构；
步骤9，采用HF等酸性溶液去除剩余氧化硅薄膜层；
步骤10，制作二色LED外延芯片时，直接进入步骤11，制作三色或三色以上LED外延芯片时，重复步骤2-9，将第二层台阶、第三层台阶……的光刻图形转移到衬底层上，在衬底层上形成第二层台阶结构、第三层台阶结构……，第二层台阶结构的刻蚀深度不低于10μm，第三层台阶结构的刻蚀深度不低于15μm，以后每一层台阶结构的刻蚀深度不低于上一层台阶结构的刻蚀深度+5μm；
步骤11，使用MOCVD法，在衬底层上依次生长GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层，形成多色LED外延芯片。
优选的，步骤11中控制InGaN/GaN多量子阱层的生长温度，使得在不同层台阶结构上及衬底层表面上生长的InGaN/GaN多量子阱层中InGaN具有不同的In组分及Ga组分。
优选的，在生长InGaN/GaN多量子阱层时，生长温度控制在600-650℃，通入氨气7500sccm，TMGa流量30sccm，TMI流量在生长InGaN阱层为50sccm，生长GaN垒层时为5sccm，腔体气压为100torr，使得InGaN阱宽约3nm，GaN垒层厚度约12nm。
本发明利用衬底刻蚀出高低不同的台阶差，这种高低落差会造成表面具有较大的温度差，温度差就可造成样品中铟镓组分的不同，借由此可利用这种微小温度差获得同一外延片发光波长不同，实现双色甚至多色LED芯片，该发明大幅降低成本，提高效率。
附图说明
图1、蓝宝石衬底示意图。
图2、实施例2中生长完氧化硅、金属Ni薄膜的结构示意图。
图3、实施例2中紫外光刻剥离区域2的结构示意图。
图4、实施例2中RIE刻蚀区域2的结构示意图。
图5、实施例2中ICP刻蚀区域2的结构示意图。
图6、实施例2中在上述衬底上生长氧化硅、金属Ni薄膜的结构示意图。
图7、实施例2中紫外光刻剥离区域3的结构示意图。
图8、实施例2中RIE、ICP刻蚀区域3的结构示意图。
图9、实施例2中在上述衬底上外延GaN缓冲层。
图10、实施例2中外延生长蓝光、绿光、青光三色LED外延片。
图11、外延生长后四色LED光谱图。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例中给出了双色、三色、四色外延片的制备，但是不局限于此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本利用高落差台阶结构调控铟镓材料组分的方法制备双色LED外延片，其步骤包括：
步骤1，选用(0001)面蓝宝石作为衬底。
步骤2，清洗蓝宝石衬底：将蓝宝石衬底依次置于丙酮、无水乙醇、水，超声清洗20min，超声功率约600W，去除晶体表面的有机物杂质，最后在真空干燥箱烘干，获得洁净的衬底。
步骤3，采用PECVD技术在蓝宝石衬底上生长400nm厚的氧化硅介质层。
步骤4，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤5，采用紫外光刻机，设计第一层台阶结构的光刻图形结构：每个台阶的面积约50μm*50μm，周期约100μm，周期指同一层台阶结构上台阶之间的最小距离，第一层台阶结构的区域定义为区域2，衬底层表面无需刻蚀的区域定义为区域1。
步骤6，利用电子束蒸发技术，蒸镀100nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除。
步骤7，采用RIE技术，以区域1金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域2结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：13min。
步骤8，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀区域2的蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为7μm。
步骤9.，采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层，溶液温度设为40℃。此步骤完成后形成两个区域，这两个区域相互间的深度差不低于7μm。
步骤10，采用金属有机物化学气相沉积设备，在上述台阶状蓝宝石衬底上进行选择性外延。采用两步法生长2μm的GaN层，具体为：先采用低温生长GaN层，温度范围600-680℃，镓源流量设置为75sccm，氨气流量设置为10000sccm；再采用高温生长剩余厚度的GaN层，镓源流量和氨气流量为低温生长阶段的2-3倍，在低温生长GaN层外延表面超过台阶顶面1μm的空间范围内切换为高温外延工艺，温度范围1050-1150℃，长GaN层的镓源流量设置为210sccm，氨气流量设置为30000sccm。高温生长GaN层的过程中，还加入1000sccm的硅烷。
步骤11，采用金属有机化合物化学气相沉积法外延后续的2μm的n型GaN层、5个周期的InGaN/GaN多量子阱层、100nm的电子阻挡层、300nm的p型GaN层。MOCVD所使用的典型气体包括氨气(NH3)，载气(H2或N2)，三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)。环戊二烯基镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)作为掺杂剂。生长多色外延片主要控制多量子阱的生长温度，InGaN/GaN多量子阱层中InGaN的生长温度650℃，通入氨气7500sccm，TMGa流量30sccm，TMI流量生长InGaN阱层50sccm和垒层5sccm。腔体气压为100torr。在InGaN/GaN多量子阱层生长过程中，通过TMI流量控制进行量子阱结构的生长，其中InGaN阱宽约3nm，GaN垒层厚度约12nm。其余薄膜层按常规条件外延生长。本方案中实现双色结构就是利用生长过程中不同区域的温度差异进行组分的控制。此步骤后区域1，2上分别外延出蓝，绿光双色外延片。
实施案例2
本利用高落差台阶结构调控铟镓材料组分的方法制备三色LED外延片，其步骤包括：
步骤1，如图1所示，选用(0001)面蓝宝石作为衬底。
步骤2，清洗蓝宝石衬底：将蓝宝石衬底依次置于丙酮、无水乙醇、水，超声清洗20min，超声功率约600W，去除晶体表面的有机物杂质，最后在真空干燥箱烘干，获得洁净的衬底。
步骤3，采用PECVD技术在蓝宝石衬底上生长300nm厚的氧化硅介质层。
步骤4，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤5，采用紫外光刻机，设计光刻图形结构：区域2面积约100μm*100μm，周期约200μm。
步骤6，如图2所示，利用电子束蒸发技术，蒸镀100nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除，如图3所示。
步骤7，采用RIE技术，以区域1金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域2结构转移至氧化硅介质薄膜层上，如图4所示，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：10min。
步骤8，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为5μm。
步骤9，采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层，溶液温度设为40℃，如图5所示。
步骤10，采用PECVD技术在上述蓝宝石衬底上生长500nm厚的氧化硅介质层。
步骤11，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤12，采用紫外光刻机，设计光刻图形结构：区域3面积约100μm*100μm，周期约400μm，区域2的台阶与区域3的台阶投影到衬底层表面的间距200μm，区域3为第二次台阶结构对应的区域。
步骤13，如图6所示，利用电子束蒸发技术，蒸镀130nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡6分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除，如图7所示。
步骤14，采用RIE技术，以区域1、2金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域3结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：18min。
步骤15，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为10μm。采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层。如图8所示，此步骤完成后形成三个区域，这三个区域相互间的深度差不低于5μm。据此，样品高度依次区域1高于区域2，区域2高于区域3。
步骤16，采用金属有机物化学气相沉积设备，在上述台阶状蓝宝石衬底上进行选择性外延。采用两步法生长2.5μm的GaN层，如图9所示，具体为：先采用低温生长GaN层，温度范围600-680℃，镓源流量设置为75sccm，氨气流量设置为10000sccm；再采用高温生长剩余厚度的GaN层，镓源流量和氨气流量为低温生长阶段的2-3倍，在低温生长GaN层外延表面超过台阶顶面1μm的空间范围内切换为高温外延工艺，温度范围1050-1150℃，长GaN层的镓源流量设置为210sccm，氨气流量设置为30000sccm。高温生长GaN层的过程中，还加入1000sccm的硅烷。
步骤17，采用金属有机化合物化学气相沉积法外延后续的3μm的n型GaN层、8个周期的InGaN/GaN多量子阱层、200nm的电子阻挡层、500nm的p型GaN层。MOCVD所使用的典型气体包括氨气(NH3)，载气(H2或N2)，三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)。环戊二烯基镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)作为掺杂剂。生长多色外延片主要控制多量子阱的生长温度，InGaN/GaN多量子阱层中InGaN的生长温度630℃，通入氨气7500sccm，TMGa流量30sccm，TMI流量生长InGaN阱层50sccm和垒层5sccm。腔体气压为100torr。在InGaN/GaN多量子阱层生长过程中，通过TMI流量控制进行量子阱结构的生长，其中InGaN阱宽约3nm，GaN垒层厚度约12nm。其余薄膜层按常规条件外延生长。本方案中实现三色结构就是利用生长过程中不同区域的温度差异进行组分的控制。此步骤后区域1，2，3上分别外延出蓝，青，绿光三色外延片，如图10所示。
实施案例3
本利用高落差台阶结构调控铟镓材料组分的方法制备四色LED外延片，其步骤包括：
步骤1，选用(0001)面蓝宝石作为衬底。
步骤2，清洗蓝宝石衬底：将蓝宝石衬底依次置于丙酮、无水乙醇、水，超声清洗20min，超声功率约600W，去除晶体表面的有机物杂质，最后在真空干燥箱烘干，获得洁净的衬底。
步骤3，采用PECVD技术在蓝宝石衬底上生长300nm厚的氧化硅介质层。
步骤4，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤5，采用紫外光刻机，设计光刻图形结构：区域2面积约100μm*100μm，周期约600μm。
步骤6，利用电子束蒸发技术，蒸镀100nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除。
步骤7，采用RIE技术，以区域1金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域2结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：10min。
步骤8，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为5μm。
步骤9，采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层，溶液温度设为40℃。
步骤10，采用PECVD技术在上述蓝宝石衬底上生长500nm厚的氧化硅介质层。
步骤11，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤12，采用紫外光刻机，设计光刻图形结构：区域3面积约100μm*100μm，周期约600μm，区域2与区域3的间距200μm。
步骤13，利用电子束蒸发技术，蒸镀130nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡7分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除。
步骤14，采用RIE技术，以区域1、2金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域3结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：18min。
步骤15，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为10μm。
步骤16，采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层，溶液温度设为40℃。
步骤17，采用PECVD技术在上述蓝宝石衬底上生长700nm厚的氧化硅介质层。
步骤18，在上述基片上旋涂光刻胶，光刻胶选用反转胶AZ5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
步骤19，采用紫外光刻机，设计光刻图形结构：区域4面积约100μm*100μm，周期约600μm，区域4与区域2、3的间距200μm，区域4为第三层台阶结构对应的区域。
步骤20，利用电子束蒸发技术，蒸镀150nm厚度的Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡9分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除。
步骤21，采用RIE技术，以区域1、2、3金属为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将区域4结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：CHF3和O2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2Pa，刻蚀时间：25min。
步骤22，采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀参数：Cl2和Ar流量分别为48±12sccm和18±6sccm，腔体气压：25±5mTorr，DC偏压：600±60V，RF功率250±30w，ICP功率：1200±100W，频率13.56MHz，控制刻蚀时间，使得台阶高度为15μm。
步骤23，采用1：1浓度的HF去除氧化硅薄膜层，溶液温度设为40℃。
此步骤完成后形成四个区域，这四个区域相互间的深度差不低于5μm。据此，样品高度依次区域1高于区域2，区域2高于区域3，区域3高于区域4。
步骤24，采用金属有机物化学气相沉积设备，在上述台阶状蓝宝石衬底上进行选择性外延。采用两步法生长3μm的GaN层，具体为：先采用低温生长GaN层，温度范围600-680℃，镓源流量设置为75sccm，氨气流量设置为10000sccm；再采用高温生长剩余厚度的GaN层，镓源流量和氨气流量为低温生长阶段的2-3倍，在低温生长GaN层外延表面超过台阶顶面1μm的空间范围内切换为高温外延工艺，温度范围1050-1150℃，长GaN层的镓源流量设置为210sccm，氨气流量设置为30000sccm。高温生长GaN层的过程中，还加入1000sccm的硅烷。
步骤25，采用金属有机化合物化学气相沉积法外延后续的4μm的n型GaN层、10个周期的InGaN/GaN多量子阱层、300nm的电子阻挡层、600nm的p型GaN层。MOCVD所使用的典型气体包括氨气(NH3)，载气(H2或N2)，三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)。环戊二烯基镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)作为掺杂剂。生长多色外延片主要控制多量子阱的生长温度，InGaN/GaN多量子阱层中InGaN的生长温度600℃，通入氨气7500sccm，TMGa流量30sccm，TMI流量生长InGaN阱层50sccm和垒层5sccm。腔体气压为100torr。在InGaN/GaN多量子阱层生长过程中，通过TMI流量控制进行量子阱结构的生长，其中InGaN阱宽约3nm，GaN垒层厚度约12nm。其余薄膜层按常规条件外延生长。本方案中实现四色结构就是利用生长过程中不同区域的温度差异进行组分的控制。此步骤后区域1，2，3，4上分别外延出紫，蓝，青，绿光四色外延片，四色外延片的光谱图如图11所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高落差台阶结构的多色LED外延芯片，包括衬底层，其特征在于：所述衬底层上形成至少一层的台阶结构，台阶与衬底层表面之间的落差≥5μm，每层台阶之间的落差≥5μm，在含有台阶结构的衬底层上依次生长GaN缓冲层、InGaN多量子阱结构，形成多色LED外延芯片。
2.根据权利要求1所述的多色LED外延芯片，其特征在于：所述台阶结构横截面为方形、圆形、椭圆形或多边形，所述台阶结构横截面的面积从50*50～300*300μm2，同一层或不同层的台阶结构在衬底层表面的投影之间的最小距离≥5μm。
3.根据权利要求2所述的多色LED外延芯片，其特征在于：所述GaN缓冲层的厚度为2～3μm，InGaN多量子阱结构包括依次生长的n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层。
4.根据权利要求3所述的多色LED外延芯片，其特征在于：n型GaN层厚度为2-4μm，InGaN/GaN多量子阱层的周期数为5-10个周期，同一外延芯片内每个周期的InGaN阱宽相同、GaN垒层厚度相同，所述电子阻挡层为AlGaN薄膜层，厚度为100-300nm，P型GaN层厚度为300nm-600nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的多色LED外延芯片，其特征在于：所述台阶结构为1-3层。
6.权利要求1-5中任一项所述的多色LED外延芯片的制备方法，为：在衬底层上刻蚀出至少一层的台阶结构，台阶与衬底层表面之间的落差≥5μm，每层台阶之间的落差≥5μm，然后在衬底层上依次生长GaN缓冲层、InGaN多量子阱结构。
7.根据权利要求6所述的多色LED外延芯片的制备方法，其步骤具体为：
步骤1，选择(0001)面蓝宝石作为衬底层，清洗衬底层；
步骤2，采用PECVD法在衬底层上生长一层氧化硅薄膜：
步骤3，在氧化硅薄膜层上旋涂光刻胶，将具有第一层台阶结构的光刻图形结构显影在光刻胶上；
步骤4，利用电子束蒸发技术，在光刻胶上蒸镀一层Ni金属膜作为掩膜；
步骤5，在第一次外延生长的金刚石薄膜上蒸镀一层金属掩膜；
步骤6，将镀上金属掩膜后的样品置于丙酮溶液中浸泡，并辅以超声清洗，将未曝光区域的金属掩膜层随光刻胶一并去除；
步骤7，采用RIE技术，以曝光区域的金属Ni为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将光刻结构转移至氧化硅薄膜层上；
步骤8，采用ICP技术，以氧化硅薄膜层为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀衬底层，刻蚀深度不低于5μm，在衬底层上形成第一层台阶结构；
步骤9，采用酸性溶液去除剩余氧化硅薄膜层；
步骤10，制作二色LED外延芯片时，直接进入步骤11，制作三色或三色以上LED外延芯片时，重复步骤2-9，将第二层台阶、第三层台阶……的光刻图形转移到衬底层上，在衬底层上形成第二层台阶结构、第三层台阶结构……，第二层台阶结构的刻蚀深度不低于10μm，第三层台阶结构的刻蚀深度不低于15μm，以后每一层台阶结构的刻蚀深度不低于上一层台阶结构的刻蚀深度+5μm；
步骤11，使用MOCVD法，在衬底层上依次生长GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层，形成多色LED外延芯片。
8.根据权利要求7所述的多色LED外延芯片的制备方法，其特征在于：步骤11中控制InGaN/GaN多量子阱层的生长温度，使得在不同层台阶结构上及衬底层表面上生长的InGaN/GaN多量子阱层中InGaN具有不同的In组分及Ga组分。
9.根据权利要求8所述的多色LED外延芯片的制备方法，其特征在于：在生长InGaN/GaN多量子阱层时，生长温度控制在600-650℃。
10.根据权利要求9所述的多色LED外延芯片的制备方法，其特征在于：在生长InGaN/GaN多量子阱层时，通入氨气7500sccm，TMGa流量30sccm，TMI流量在生长InGaN阱层为50sccm，生长GaN垒层时为5sccm，腔体气压为100torr，使得InGaN阱宽约3nm，GaN垒层厚度约12nm。
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