CN114864764A - 一种颜色可控单片led及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颜色可控单片LED及其制备方法和应用。本发明的颜色可控单片LED的组成包括衬底、金属键合层、第一绝缘层、反射镜金属层、第一p型GaN层、第一AlGaN电子阻挡层、第一InGaN/GaN多量子阱层、n型GaN层、第二InGaN/GaN多量子阱层、第二AlGaN电子阻挡层、第二p型GaN层、透明电流扩散层、第二绝缘层、第一p电极、n电极和第二p电极，第一和第二InGaN/GaN多量子阱层均独立地为红光量子阱层、绿光量子阱层、蓝光量子阱层、黄光量子阱层中的一种。本发明的单片LED可以实现多色可控发光，色彩均匀性好，器件的质量高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种颜色可控单片LED及其制备方法和应用。
背景技术
发光二极管(LED)是典型的单色光源，在可见光谱中理想的加色混合，使其非常适合用于情绪照明、面板显示和可见光通信中的颜色可调光源。目前，在实现多色调控及白光的过程中，多采用红-绿-蓝(RGB)光的LED芯片并联，但由于并联设备的发射锥彼此并不完全重叠，空间内颜色变化会导致不理想的颜色混合。光学混合方法(例如：插入额外的漫射器)可以促进来自离散发射器的辐射图案的重叠，但又不可避免地会引入光学损耗以及色彩锐度和丰富度的损失。综上可知，现有的LED并不能完全满足实际应用的需求。
因此，开发一种满足高均匀性要求的单片LED具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颜色可控单片LED及其制备方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种颜色可控单片LED，其组成包括依次层叠设置的衬底、金属键合层、第一绝缘层、反射镜金属层、第一p型GaN层、第一AlGaN电子阻挡层、第一InGaN/GaN多量子阱层、n型GaN层、第二InGaN/GaN多量子阱层、第二AlGaN电子阻挡层、第二p型GaN层、透明电流扩散层和第二绝缘层，还包括第一p电极、n电极和第二p电极；所述第一p电极与第一p型GaN层形成欧姆接触；所述n电极与n型GaN层形成欧姆接触；所述第二p电极与第二p型GaN层形成欧姆接触；所述第一InGaN/GaN多量子阱层和第二InGaN/GaN多量子阱层均独立地为红光量子阱层、绿光量子阱层、蓝光量子阱层、黄光量子阱层中的一种。
优选的，所述衬底为Si衬底，厚度为50μm～500μm。
优选的，所述金属键合层的组成成分为Ni、Au、Sn、Ti中的至少一种，厚度为0.5μm～5μm。
优选的，所述第一绝缘层为SiO2层，厚度为100nm～2000nm。
优选的，所述反射镜金属层的组成包括交替排布的多个SiO2层和多个TiO2层，厚度为0.5μm～4μm。
优选的，所述第一p型GaN层的厚度为10nm～300nm。
优选的，所述第一AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm～40nm。
优选的，所述第一InGaN/GaN多量子阱层的厚度为20nm～100nm。
优选的，所述n型GaN层的厚度为0.5μm～5μm。
优选的，所述第二InGaN/GaN多量子阱层的厚度为20nm～100nm。
优选的，所述第二AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm～40nm。
优选的，所述第二p型GaN层的厚度为10nm～300nm。
优选的，所述透明电流扩散层为透明In氧化物导电薄膜、透明Sb氧化物导电薄膜、透明Zn氧化物导电薄膜、透明Sn氧化物导电薄膜中的一种，厚度为10nm～800nm。
优选的，所述第二绝缘层为SiO2层，厚度为100nm～2000nm。
优选的，所述第一p电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种。
优选的，所述n电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种。
优选的，所述第二p电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种。
上述颜色可控单片LED的制备方法包括以下步骤：
1)在外延衬底上依次生长缓冲层、n型GaN层、第一InGaN/GaN多量子阱层、第一AlGaN电子阻挡层和第一p型GaN层；
2)剥离外延衬底和缓冲层，暴露出n型GaN层；
3)在n型GaN层上生长第二InGaN/GaN多量子阱层、第二AlGaN电子阻挡层、第二p型GaN层，再在第二p型GaN层上制备透明电流扩散层；
4)制备径向贯穿至第一p型GaN层的通孔和径向贯穿至n型GaN层的通孔；
5)在透明电流扩散层的上表面以及通孔结构的内壁上生长第二绝缘层，内壁不包括通孔底面；
6)在第二绝缘层上设置贯穿至第二p型GaN层的凹槽状结构，再在通孔结构和凹槽状结构内沉积第一p电极、n电极和第二p电极；
7)在第一p型GaN层上沉积反射镜金属层、第一绝缘层和金属键合层，再将金属键合层与衬底键合，即得颜色可控单片LED。
优选的，步骤2)中外延衬底的剥离采用的方法为机械减薄、化学抛光、激光剥离中的一种。
优选的，步骤2)中缓冲层的剥离采用的方法为ICP干法刻蚀。
优选的，步骤3)所述透明电流扩散层的制备方法为脉冲激光沉积工艺。
优选的，步骤4)所述通孔的制备方法为光刻剥离或ICP干法刻蚀。
一种光源，其组成包括上述颜色可控单片LED。
本发明的有益效果是：本发明的单片LED可以实现多色可控发光，色彩均匀性好，器件的质量高。
具体来说：
1)本发明的单片LED采用垂直结构替代并联结构，可以解决并联设备中发射锥彼此不完全重叠的问题，保证了色彩的均匀性；
2)本发明的单片LED可以实现多色可控发光，且通过设置隔离层减小了多发光单元间的应力，提高了器件的质量。
附图说明
图1为实施例1的颜色可控单片LED的横截面的结构示意图。
图2为实施例1的颜色可控单片LED的俯视图。
附图标识说明：10、Si衬底；20、金属键合层；30、第一绝缘层；40、反射镜金属层；50、第一p型GaN层；60、第一AlGaN电子阻挡层；70、第一InGaN/GaN多量子阱层；80、n型GaN层；90、第二InGaN/GaN多量子阱层；100、第二AlGaN电子阻挡层；110、第二p型GaN层；120、透明电流扩散层；130、第二绝缘层；140、第一p电极；150、n电极；160、第二p电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种颜色可控单片LED(横截面的结构示意图如图1所示，俯视图如图2所示)，其组成包括依次层叠设置的Si衬底10、金属键合层20、第一绝缘层30、反射镜金属层40、第一p型GaN层50、第一AlGaN电子阻挡层60、第一InGaN/GaN多量子阱层70、n型GaN层80、第二InGaN/GaN多量子阱层90、第二AlGaN电子阻挡层100、第二p型GaN层110、透明电流扩散层120和第二绝缘层130，还包括第一p电极140、n电极150和第二p电极160；
第一p电极140依次贯穿第二绝缘层130、透明电流扩散层120、第二p型GaN层110、第二AlGaN电子阻挡层100、第二InGaN/GaN多量子阱层90、n型GaN层80、第一InGaN/GaN多量子阱层70和第一电子阻挡层60，其底部与第一p型GaN层50形成欧姆接触；
n电极150依次贯穿第二绝缘层130、透明电流扩散层120、第二p型GaN层110、第二AlGaN电子阻挡层100和第二InGaN/GaN多量子阱层90，其底部与n型GaN层80形成欧姆接触；
第二p电极160依次贯穿第二绝缘层130和透明电流扩散层120，其底部与第二p型GaN层110形成欧姆接触。
上述颜色可控单片LED的制备方法包括以下步骤：
1)通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)法在Si衬底上依次生长1μm厚的AlGaN缓冲层、2μm厚的n型GaN层、50nm厚的第一InGaN/GaN多量子阱层(红光量子阱层)、20nm厚的第一AlGaN电子阻挡层和200nm厚的第一p型GaN层；
2)通过氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液剥离Si衬底，并通过ICP干法刻蚀剥离AlGaN缓冲层，暴露出n型GaN层；
3)在n型GaN层上生长50nm厚的第二InGaN/GaN多量子阱层(蓝光量子阱层)、30nm厚的第二AlGaN电子阻挡层、200nm厚的第二p型GaN层，再在第二p型GaN层上制备10nm厚的透明电流扩散层(由石墨烯层和ITO层构成)；
4)通过ICP干法刻蚀制备径向贯穿至第一p型GaN层的通孔和径向贯穿至n型GaN层的通孔；
5)通过等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)法在透明电流扩散层的上表面以及通孔结构的内壁上生长400nm厚的第二绝缘层(SiO2层)，内壁不包括通孔底面；
6)在第二绝缘层上设置贯穿至第二p型GaN层的凹槽状结构，再在通孔结构和凹槽状结构内沉积第一p电极(Cr/Pt/Au复合电极)、n电极(Cr/Pt复合电极)和第二p电极(Cr/Pt/Au复合电极)；
7)在第一p型GaN层上沉积600nm厚的反射镜金属层(由5层70nm厚的SiO2层和5层50nm厚的TiO2层交替层叠而成)、400nm厚的第一绝缘层(SiO2层)和厚度为600nm的金属键合层(Ni/Au复合层)，再将金属键合层与厚度为400μm的Si衬底键合，键合在压力为2MPa、温度为300℃的条件下进行，键合时间为2h，再200℃下退火30min，即得颜色可控单片LED。
经测试，本实施例的颜色可控单片LED结合电路控制可分别实现红光、蓝光和紫光等三色光的发射，色彩均匀性较好。
实施例2：
一种颜色可控单片LED，其制备方法包括以下步骤：
1)通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)法在Si衬底上依次生长1μm厚的AlGaN缓冲层、2μm厚的n型GaN层、50nm厚的第一InGaN/GaN多量子阱层(黄光量子阱层)、20nm厚的第一AlGaN电子阻挡层和200nm厚的第一p型GaN层；
2)通过氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液剥离Si衬底，并通过ICP干法刻蚀剥离AlGaN缓冲层，暴露出n型GaN层；
3)在n型GaN层上生长50nm厚的第二InGaN/GaN多量子阱层(蓝光量子阱层)、30nm厚的第二AlGaN电子阻挡层和200nm厚的第二p型GaN层；
4)在第二p型GaN层上沉积600nm厚的反射镜金属层(由5层70nm厚的SiO2层和5层50nm厚的TiO2层交替层叠而成)和400nm厚的第一绝缘层(SiO2层)；
5)通过ICP干法刻蚀制备径向贯穿至n型GaN层的通孔，并于其上沉积n电极层；
6)在n电极层上制备厚度为600nm的金属键合层(Ni/Au复合层)，再将金属键合层与厚度为400μm的Si衬底键合，键合在压力为2MPa、温度为300℃的条件下进行，键合时间为2h，再200℃下退火30min；
7)翻转180°后，通过ICP干法刻蚀制备径向贯穿至第二p型GaN层的台面，并在此基础上沉积10nm厚的透明电流扩散层(由石墨烯层和ITO层构成)和400nm厚的第二绝缘层(SiO2层)；
8)在第二绝缘层上设置贯穿至第二p型GaN层和第一p型GaN层的凹槽状结构，再在凹槽状结构内沉积第一p电极(Cr/Pt/Au复合电极)和第二p电极(Cr/Pt/Au复合电极)，即得颜色可控单片LED。
经测试，本实施例的颜色可控单片LED结合电路控制可分别实现黄光、蓝光和白光等三色光的发射，色彩均匀性较好，相较于传统横向串联LED，其在3000K～8000K的色温范围内的白光发光效率提高了5％。
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)
1.一种颜色可控单片LED，其特征在于，组成包括依次层叠设置的衬底、金属键合层、第一绝缘层、反射镜金属层、第一p型GaN层、第一AlGaN电子阻挡层、第一InGaN/GaN多量子阱层、n型GaN层、第二InGaN/GaN多量子阱层、第二AlGaN电子阻挡层、第二p型GaN层、透明电流扩散层和第二绝缘层，还包括第一p电极、n电极和第二p电极；所述第一p电极与第一p型GaN层形成欧姆接触；所述n电极与n型GaN层形成欧姆接触；所述第二p电极与第二p型GaN层形成欧姆接触；所述第一InGaN/GaN多量子阱层和第二InGaN/GaN多量子阱层均独立地为红光量子阱层、绿光量子阱层、蓝光量子阱层、黄光量子阱层中的一种。
2.根据权利要求1所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述衬底为Si衬底，厚度为50μm～500μm；所述金属键合层的组成成分为Ni、Au、Sn、Ti中的至少一种，厚度为0.5μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述第一绝缘层为SiO2层，厚度为100nm～2000nm；所述第二绝缘层为SiO2层，厚度为100nm～2000nm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述反射镜金属层的组成包括交替排布的多个SiO2层和多个TiO2层，厚度为0.5μm～4μm。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述第一p型GaN层的厚度为10nm～300nm；所述第二p型GaN层的厚度为10nm～300nm。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述第一AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm～40nm；所述第二AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm～40nm；所述第一InGaN/GaN多量子阱层的厚度为20nm～100nm；所述第二InGaN/GaN多量子阱层的厚度为20nm～100nm。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述n型GaN层的厚度为0.5μm～5μm；所述透明电流扩散层为透明In氧化物导电薄膜、透明Sb氧化物导电薄膜、透明Zn氧化物导电薄膜、透明Sn氧化物导电薄膜中的一种，厚度为10nm～800nm。
8.根据权利要求1～3中任意一项所述的颜色可控单片LED，其特征在于：所述第一p电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种；所述n电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种；所述第二p电极的组成成分为Cr、Pt、Au中的至少一种。
9.权利要求1～8中任意一项所述的颜色可控单片LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在外延衬底上依次生长缓冲层、n型GaN层、第一InGaN/GaN多量子阱层、第一AlGaN电子阻挡层和第一p型GaN层；
2)剥离外延衬底和缓冲层，暴露出n型GaN层；
3)在n型GaN层上生长第二InGaN/GaN多量子阱层、第二AlGaN电子阻挡层、第二p型GaN层，再在第二p型GaN层上制备透明电流扩散层；
4)制备径向贯穿至第一p型GaN层的通孔和径向贯穿至n型GaN层的通孔；
5)在透明电流扩散层的上表面以及通孔结构的内壁上生长第二绝缘层，内壁不包括通孔底面；
6)在第二绝缘层上设置贯穿至第二p型GaN层的凹槽状结构，再在通孔结构和凹槽状结构内沉积第一p电极、n电极和第二p电极；
7)在第一p型GaN层上沉积反射镜金属层、第一绝缘层和金属键合层，再将金属键合层与衬底键合，即得颜色可控单片LED。
10.一种光源，其特征在于，组成包括权利要求1～8中任意一项所述的颜色可控单片LED。
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