CN112968087A - 一种同轴生长npn双色外延micro-led结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同轴生长NPN双色外延MICRO‑LED结构，包括：衬底；N型第一色掺杂半导体层生长于衬底上；第一色发光层生长于N型第一色掺杂半导体层上；P型第一色掺杂半导体层生长于第一色发光层上；第二色发光层生长于P型第一色掺杂半导体层上；N型第二色掺杂半导体层生长于第二色发光层上。N型第一色掺杂半导体层与第一N型电极电连接；P型电极与P型第一色掺杂半导体层电连接；第二N型电极与N型第二色掺杂半导体层电连接。本发明将两种颜色发光外延结构生长在一起，无需键合工艺，简化了后续多色MICRO‑LED的制备工艺，降低了成本。并且避免了后续MICRO‑LED制备工艺中的对准问题，提高了器件质量和良率。

Description

一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构
技术领域
本发明涉及一种外延生长技术领域，具体涉及一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构。
背景技术
传统外延生长工艺中，均是NP或PN结构生长，导致后续的MICRO-LED制备工艺中，需要将两个不同颜色的外延结构垂直键合或并排键合在一起，不仅工艺复杂，导致成本较高，而且在键合过程中需要对准，对准精度要求更高，很容易出现对准误差，导致良率下降。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，两种颜色发光外延结构直接生长在一起，无需键合工艺。
为了达到上述目的，本发明提供了一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，包括：
第一N型电极；
N型第一色掺杂半导体层，与第一N型电极电连接；
第一色发光层，生长于所述N型第一色掺杂半导体层上；
P型第一色掺杂半导体层，生长于所述第一色发光层上；
第二色发光层，生长于所述P型第一色掺杂半导体层上；
N型第二色掺杂半导体层，生长于所述第二色发光层上；
P型电极，与P型第一色掺杂半导体层电连接；
第二N型电极，与N型第二色掺杂半导体层电连接。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：N型第一色掺杂半导体第一层、电流扩散层、N型第一色掺杂半导体第二层。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体层与所述第一色发光层之间还生长有第一多周期应力调节层。
在一些实施例中，所述P型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：P型电子阻挡第一层、P型第一色掺杂半导体子层和P型电子阻挡第二层。
在一些实施例中，所述第二色发光层与所述N型第二色掺杂半导体层之间还生长有第二多周期应力调节层。
在一些实施例中，所述衬底的材料为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC、中的一种或多种的复合。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体第一层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；所述N型第一色掺杂半导体第二层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；所述电流扩散层的材料为单周期或多周期调变的GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InN复合而成。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度大于所述N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度；所述电流扩散层中的掺杂浓度小于所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度为1.5E19～3E19atoms/cm3；所述N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度为1E18～3E18atoms/cm3；所述电流扩散层中的掺杂浓度为5E17～8E17atoms/cm3。
在一些实施例中，所述N型第一色掺杂半导体第一层的厚度大于所述电流扩散层的厚度，所述N型第一色掺杂半导体第二层的厚度大于所述电流扩散层的厚度；所述N型第一色掺杂半导体第一层的厚度与所述N型第一色掺杂半导体第二层的厚度相同。
在一些实施例中，所述第一多周期应力调节层的结构为(AlxInyGa1-x-yN/Alx1Iny1Ga1-x1-y1N)n；其中，n为周期数。
在一些实施例中，所述周期n小于5，x为0～0.5，x1为0～0.5，y为0～0.5，y1为0～0.5。
在一些实施例中，AlxInyGa1-x-yN的厚度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度。
在一些实施例中，AlxInyGa1-x-yN的厚度为2.0～20nm，Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度为1.0～3.0nm。
在一些实施例中，AlxInyGa1-x-yN的禁带宽度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的禁带宽度。
在一些实施例中，所述第一多周期应力调节层中掺杂有N型元素，掺杂浓度小于电流扩散层中的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述第一多周期应力调节层中的掺杂浓度为1E17～3E17atoms/cm3。
在一些实施例中，所述P型电子阻挡第一层的结构为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或多种、或这些材料的超晶格结构的一种或多种。
在一些实施例中，所述P型电子阻挡第一层的总厚度与所述P型电子阻挡第二层的总厚度相同，所述P型第一色掺杂半导体子层的厚度大于所述P型电子阻挡第一层的厚度。
在一些实施例中，所述P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度小于所述P型第一色掺杂半导体子层中P型元素的掺杂浓度；所述P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度与所述P型电子阻挡第二层的掺杂浓度相同。
在一些实施例中，所述P型电子阻挡第一层的厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3；
所述P型第一色掺杂半导体子层的厚度为40～4000nm，P型元素的掺杂浓度为5E19atoms/cm3～1.5E21atoms/cm3；
所述P型电子阻挡第二层的总厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3。
在一些实施例中，所述第一色发光层与所述第二色发光层的结构相同。
在一些实施例中，第一色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-a N)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度为2.0～4.0nm，势垒的厚度为4～15nm；所述第二色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-a N)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度为2.0～4.0nm，势垒的厚度为4～15nm。
在一些实施例中，所述第二多周期应力调节层与所述第一多周期应力调节层的结构相同。
在一些实施例中，所述N型第二色掺杂半导体层的材料为GaN，AlGaN、AlInGaN的一种或多种。
在一些实施例中，所述N型第二色掺杂半导体层的掺杂浓度与所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度相同。
本发明的一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，将两种颜色发光外延结构生长在一起，无需键合工艺，简化了后续多色MICRO-LED的制备工艺，降低了成本。并且避免了后续MICRO-LED制备工艺中的对准问题，提高了器件质量和良率。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的一种同轴生长NPN外延MICRO-LED的结构示意图
图2为本发明的一个实施例的一种较佳的同轴生长NPN外延MICRO-LED的结构示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1和图2，一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，包括：
第一N型电极，与N型第一色掺杂半导体层连接。
N型第一色掺杂半导体层，生长于所述衬底上；具体的，N型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：N型第一色掺杂半导体第一层、电流扩散层、N型第一色掺杂半导体第二层。这里，N型第一色掺杂半导体第一层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；N型第一色掺杂半导体第二层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；电流扩散层的材料为单周期或多周期调变的GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InN复合而成。较佳的，N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度大于N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度；电流扩散层中的掺杂浓度小于N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度。举例来说，N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度为1.5E19～3E19atoms/cm3；N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度为1E18～3E18atoms/cm3；电流扩散层中的掺杂浓度为5E17～8E17atoms/cm3。此外，N型第一色掺杂半导体第一层的厚度大于电流扩散层的厚度，N型第一色掺杂半导体第二层的厚度大于电流扩散层的厚度；N型第一色掺杂半导体第一层的厚度与N型第一色掺杂半导体第二层的厚度相同。举例来说，N型第一色掺杂半导体第一层的厚度为2～4μm，N型第一色掺杂半导体第二层的厚度为2～4μm，电流扩散层的厚度为1～300nm。
此外，N型第一色掺杂半导体层与第一色发光层之间还生长有第一多周期应力调节层。第一多周期应力调节层的结构为(AlxInyGa1-x-yN/Alx1Iny1Ga1-x1-y1N)n；其中，n为周期数。周期n小于5，x为0～0.5，x1为0～0.5，y为0～0.5，y1为0～0.5。AlxInyGa1-x-yN的厚度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度。AlxInyGa1-x-yN的厚度为2.0～20nm，Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度为1.0～3.0nm。AlxInyGa1-x-yN的禁带宽度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的禁带宽度。第一多周期应力调节层中掺杂有N型元素，掺杂浓度小于电流扩散层中的掺杂浓度。第一多周期应力调节层中的掺杂浓度为1E17～3E17atoms/cm3。
第一色发光层，生长于N型第一色掺杂半导体层上，这里具体为第一多周期应力调节层上。具体的，第一色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-aN)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度可以为2.0～4.0nm，势垒的厚度可以为4～15nm。
P型第一色掺杂半导体层，生长于所述第一色发光层上；具体的，P型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：P型电子阻挡第一层、P型第一色掺杂半导体子层和P型电子阻挡第二层。P型电子阻挡第一层的结构为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或多种、或这些材料的超晶格结构的一种或多种。较佳的，P型电子阻挡第一层的总厚度与P型电子阻挡第二层的总厚度相同，P型第一色掺杂半导体子层的厚度大于P型电子阻挡第一层的厚度，具体的，P型电子阻挡第一层的厚度为10～70μm，P型第一色掺杂半导体子层的厚度为40～4000nm，P型电子阻挡第二层的厚度为10～70μm。P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度小于P型第一色掺杂半导体子层中P型元素的掺杂浓度；P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度与P型电子阻挡第二层的掺杂浓度相同。P型电子阻挡第一层的厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3；P型第一色掺杂半导体子层的厚度为40～4000nm，P型元素的掺杂浓度为5E19atoms/cm3～1.5E21atoms/cm3；P型电子阻挡第二层的总厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3。
此外，第二色发光层与N型第二色掺杂半导体层之间还生长有第二多周期应力调节层。第二多周期应力调节层与第一多周期应力调节层的结构相同。第二多周期应力调节层的结构为(AlxInyGa1-x-yN/Alx1Iny1Ga1-x1-y1N)n；其中，n为周期数。周期n小于5，x为0～0.5，x1为0～0.5，y为0～0.5，y1为0～0.5。AlxInyGa1-x-yN的厚度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度。AlxInyGa1-x-yN的厚度为2.0～20nm，Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度为1.0～3.0nm。AlxInyGa1-x-yN的禁带宽度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的禁带宽度。第二多周期应力调节层中掺杂有N型元素，掺杂浓度小于电流扩散层中的掺杂浓度。第二多周期应力调节层中的掺杂浓度为1E17～3E17atoms/cm3。
第二色发光层，生长于P型第一色掺杂半导体层，这里具体为第二多周期应力调节层上；第一色发光层与第二色发光层的结构相同具体的，第二色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-a N)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度为2.0～4.0nm，势垒的厚度为4～15nm。
N型第二色掺杂半导体层，生长于第二色发光层上。具体的，N型第二色掺杂半导体层的材料为GaN，AlGaN、AlInGaN的一种或多种。N型第二色掺杂半导体层的掺杂浓度与N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度相同。这里，N型第二色掺杂半导体层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种。N型第二色掺杂半导体层中的掺杂浓度为1.5E19～3E19atoms/cm3。较佳的，N型第二色掺杂半导体层的厚度小于N型第一色掺杂半导体第一层的厚度，N型第二色掺杂半导体层的厚度可以为100～300nm。
本实施例中，第一色可以为红、蓝、绿等颜色的一种，第二色可以为不同于第一色的其它颜色。
本实施例中还包括P型电极和第二N型电极。P型电极与P型第一色掺杂半导体层电连接，第二N型电极与N型第二色掺杂半导体层电连接。需要说明的是，第一N型电极、第二N型电极和P型电极的连接方式不作限定，任何能够实现电连接的方式都可以涵盖在本发明的思想之内。
此外，如图1和2所示，在第二N型电极上还连接有电路衬底，例如IC衬底。图中所示的结构出光方向不作限制。
此外，需要说明的是，本实施例中虽然揭示了同轴生长的双色外延结构为基础的MICRO-LED结构，然则，同轴生长的多色外延MICRO-LED结构也同样涵盖于本发明的思想之内。
综上所述，本发明的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，将两种颜色发光外延结构生长在一起，无需键合工艺，简化了多色MICRO-LED的制备工艺，降低了成本。并且避免了MICRO-LED制备工艺中的对准问题，提高了器件质量和良率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (26)

1.一种同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，包括：
第一N型电极；
N型第一色掺杂半导体层，与第一N型电极电连接；
第一色发光层，生长于所述N型第一色掺杂半导体层上；
P型第一色掺杂半导体层，生长于所述第一色发光层上；
第二色发光层，生长于所述P型第一色掺杂半导体层上；
N型第二色掺杂半导体层，生长于所述第二色发光层上；
P型电极，与P型第一色掺杂半导体层电连接；
第二N型电极，与N型第二色掺杂半导体层电连接。
2.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：N型第一色掺杂半导体第一层、电流扩散层、N型第一色掺杂半导体第二层。
3.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体层与所述第一色发光层之间还生长有第一多周期应力调节层。
4.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述P型第一色掺杂半导体层从下往上依次包括：P型电子阻挡第一层、P型第一色掺杂半导体子层和P型电子阻挡第二层。
5.根据权利要求3所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第二色发光层与所述N型第二色掺杂半导体层之间还生长有第二多周期应力调节层。
6.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC、中的一种或多种的复合。
7.根据权利要求2所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体第一层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；所述N型第一色掺杂半导体第二层的材料为GaN、AlGaN、AlInGaN的一种或多种；所述电流扩散层的材料为单周期或多周期调变的GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InN复合而成。
8.根据权利要求2所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度大于所述N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度；所述电流扩散层中的掺杂浓度小于所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度。
9.根据权利要求8所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度为1.5E19～3E19atoms/cm3；所述N型第一色掺杂半导体第二层中的掺杂浓度为1E18～3E18atoms/cm3；所述电流扩散层中的掺杂浓度为5E17～8E17atoms/cm3。
10.根据权利要求2所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第一色掺杂半导体第一层的厚度大于所述电流扩散层的厚度，所述N型第一色掺杂半导体第二层的厚度大于所述电流扩散层的厚度；所述N型第一色掺杂半导体第一层的厚度与所述N型第一色掺杂半导体第二层的厚度相同。
11.根据权利要求3所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第一多周期应力调节层的结构为(AlxInyGa1-x-yN/Alx1Iny1Ga1-x1-y1N)n；其中，n为周期数。
12.根据权利要求11所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述周期n小于5，x为0～0.5，x1为0～0.5，y为0～0.5，y1为0～0.5。
13.根据权利要求11所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，AlxInyGa1-x-yN的厚度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度。
14.根据权利要求13所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，AlxInyGa1-x-yN的厚度为2.0～20nm，Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的厚度为1.0～3.0nm。
15.根据权利要求11所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，AlxInyGa1-x-yN的禁带宽度大于Alx1Iny1Ga1-x1-y1N的禁带宽度。
16.根据权利要求11所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第一多周期应力调节层中掺杂有N型元素，掺杂浓度小于电流扩散层中的掺杂浓度。
17.根据权利要求16所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第一多周期应力调节层中的掺杂浓度为1E17～3E17atoms/cm3。
18.根据权利要求4所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述P型电子阻挡第一层的结构为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或多种、或这些材料的超晶格结构的一种或多种。
19.根据权利要求18所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述P型电子阻挡第一层的总厚度与所述P型电子阻挡第二层的总厚度相同，所述P型第一色掺杂半导体子层的厚度大于所述P型电子阻挡第一层的厚度。
20.根据权利要求18所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度小于所述P型第一色掺杂半导体子层中P型元素的掺杂浓度；所述P型电子阻挡第一层中P型元素的掺杂浓度与所述P型电子阻挡第二层的掺杂浓度相同。
21.根据权利要求21所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述P型电子阻挡第一层的厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3；
所述P型第一色掺杂半导体子层的厚度为40～4000nm，P型元素的掺杂浓度为5E19atoms/cm3～1.5E21atoms/cm3；
所述P型电子阻挡第二层的总厚度为10～70nm；P型元素掺杂浓度为2E19atoms/cm3～1.5E20atoms/cm3。
22.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第一色发光层与所述第二色发光层的结构相同。
23.根据权利要求22所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，第一色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-a N)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度为2.0～4.0nm，势垒的厚度为4～15nm；所述第二色发光层为多周期量子阱结构复合层(InbAlaGa1-b-a N/InbAlaGa1-b-a N)n，In的组分b是0～1，Al的组分a为0～1，势阱的厚度为2.0～4.0nm，势垒的厚度为4～15nm。
24.根据权利要求5所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述第二多周期应力调节层与所述第一多周期应力调节层的结构相同。
25.根据权利要求1所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第二色掺杂半导体层的材料为GaN，AlGaN、AlInGaN的一种或多种。
26.根据权利要求2所述的同轴生长NPN双色外延MICRO-LED结构，其特征在于，所述N型第二色掺杂半导体层的掺杂浓度与所述N型第一色掺杂半导体第一层中的掺杂浓度相同。
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