CN202395023U - 一种ZnO衬底外延结构以及含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构 - Google Patents

一种ZnO衬底外延结构以及含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构 Download PDF

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汪英杰
吉爱华
王凯敏
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Abstract

本实用新型公开了一种ZnO衬底外延结构以及含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构。所述外延结构的外延片包括从下至上依次设置的ZnO衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。本实用新型的ZnO衬底外延结构及芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，发光质量好、显色性好、提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。

Description

一种ZnO衬底外延结构以及含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构
技术领域
本实用新型涉及半导体照明技术领域，具体地说，涉及一种ZnO衬底外延结构，以及包含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构。 
背景技术
白光LED具有节能、环保、寿命长、可以工作在高速状态等诸多优点，其用途越来越广，政府正大力推广。目前，通常采用蓝光LED激发非透明的黄色荧光粉通过波长转换来制作白光LED，由于蓝光LED持续点亮会造成温度升高，波长转换材料会发生退化，蓝光芯片发出的光通过黄色荧光粉时会发生散射吸收等现象，使得出光效率不高，同时由于黄色荧光粉涂覆厚度的不均匀也会带来黄色光圈、蓝色光斑、白光色温不一致等问题，由此使得用蓝光LED激发黄色荧光粉生产的白光LED显色性差、稳定性差。 
如何提高现有的白光LED的显色性能和稳定性正成为当今大家最为关心的问题。 
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：针对上述现状提供一种显色性好、稳定性好的ZnO衬底外延结构以及包含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构。 
为解决上述关于ZnO衬底外延结构的技术问题，本实用新型的技术方案是：一种ZnO衬底外延结构，包括外延片，所述外延片包括从下至上依次设置的ZnO衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。 
作为优选，所述ZnO衬底的厚度为50～200um。 
作为优选，所述GaN过渡层的厚度为10～100nm。 
作为优选，所述第一N-GaN接触层、第二N-GaN接触层的厚度均为200～1000nm。 
作为优选，所述In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。 
作为优选，所述第一P-GaN接触层、第二P-GaN接触层的厚度均为80～600nm。 
作为优选，所述N-GaN级联层的厚度为100～1000nm。 
作为优选，所述In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。 
为解决上述关于ZnO衬底芯片结构的技术问题，本实用新型的技术方案是：一种ZnO衬底芯片结构，包括以上所述的外延片；在所述外延片的第二P-GaN接触层上设置有P电极，在第一N-GaN接触层上设置有N电极。 
由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：由于本实用新型的ZnO衬底外延结构是在同一块ZnO衬底上分别生长同时掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层和In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层来得到白光。在500～560nm之间，可以得到宽带波长的施主-受主对，Si和Zn会发生施主-受主对相关的宽带辐射，而InGaN多量子阱LED发生带边辐射，二者结合就会产生白光。这种掺杂Si和Zn的InxGa1-xN-GaN多量子阱LED的场致发光光谱与荧光粉转换得到的白光LED的光谱非常相似。经过测量，其色温为6300K，色坐标为（0.316，0.312）。由于本实用新型的ZnO衬底外延结构以及包含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，其发光质量好、显色性好、稳定性好，提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。 
ZnO的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在室温下，氧化锌的能带隙约为3.3eV。高能带隙为ZnO带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率高等优点。而相对于能带隙同样很高的通常采用的氮化镓材料，ZnO具有更大的激子结合能（室温下约60meV），因而发光亮度更高。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明： 
图1是本实用新型实施例中的外延结构示意图； 
图2是本实用新型实施例中的芯片结构示意图； 
图中：1-ZnO衬底；2-GaN过渡层；3-第一N-GaN接触层；4-掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层；5-第一P-GaN接触层；6-N-GaN级联层；7-第二N-GaN接触层；8-掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层；9-第二P-GaN接触层；10-P电极；11-N电极。 
具体实施方式
如图1所示，一种ZnO衬底外延结构，包括外延片，所述外延片包括从下至上依次设置的ZnO衬底1、GaN过渡层2、第一N-GaN接触层3、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4、第一P-GaN接触层5、N-GaN级联层6、第二N-GaN接触层7、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8和第二P-GaN接触层9。ZnO衬底为纳米级材料，能带隙宽，折射率高、透光率高，具有优良的荧光效应及电致发光功能。 
其中，所述ZnO衬底1的厚度为50～200um，最好为100um。 
其中，所述GaN过渡层2的厚度为10～100nm，最好为50nm。 
其中，所述第一N-GaN接触层3、第二N-GaN接触层7的厚度均为200～1000nm，最好为500nm。 
其中，所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4的厚度为1000～10000nm，最好为2000nm。 
其中，所述第一P-GaN接触层5、第二P-GaN接触层9的厚度均为80～600nm，最好为250nm。 
其中，所述N-GaN级联层6的厚度为100～1000nm，最好为200nm。 
其中，所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8的厚度为1000～10000nm，最好为2000nm。 
本实用新型的ZnO衬底外延结构的制作方法，包括生长外延片步骤，所述生长外延片步骤如下： 
(a)选择厚度为50～200um，最好为100um的ZnO衬底1，清洗干净，将 ZnO衬底1放在托盘里送入K465i  MOCVD外延炉，在605～615℃下生长GaN过渡层2,直至所述GaN过渡层2的厚度生长到10～100nm，厚度为50nm时最好。 
(b)在所述外延炉内，在1055～1065℃生长第一N-GaN接触层3,直至所述第一N-GaN接触层3的厚度生长至200～1000nm，厚度为500nm时最好。 
(c)在所述外延炉内，冲入氮气作保护，在685～695℃，最好680℃生长掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4，直至所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4的厚度生长至1000～10000nm，厚度为2000nm时最好。按质量比，Si和Zn的掺杂量占该发光层的0.15%～0.25%。 
(d)在所述外延炉内，在995～1005℃，最好1000℃生长第一P-GaN接触层5，直至所述第一P-GaN接触层5的厚度生长至80～600nm；厚度为250nm时最好。 
(e)在所述外延炉内，在905～1005℃，最好950℃生长N-GaN级联层6，直至所述N-GaN级联层6的厚度生长至100～1000nm，厚度为200nm时最好。 
(f)在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃，最好690℃生长掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8，直至所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8的厚度生长至1000～10000nm，厚度为2000nm时最好。按质量比，Si和Zn的掺杂量占该发光层的0.15%～0.25%。 
(g)在所述外延炉内，在995～1005℃，最好1000℃生长第二P-GaN接触层9，直至所述第二P-GaN接触层9生长至80～600nm，厚度为250nm时最好。最终即制得图1所示的外延片。 
如图2所示，一种ZnO衬底芯片结构，包括图1所示的外延片；在所述外延片的第二P-GaN接触层9上设置有P电极10，在第一N-GaN接触层3上设置有N电极11。 
制作出图1所示的外延片后，按照如下常规的制作芯片工艺流程，即可制作出图2所示的ZnO衬底芯片结构：外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积 →窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。其中，在制作电极时，P电极10先镀铝再镀钛,N电极11依次蒸镀钛、铝、钛、金，以便与外延结构的材料更好地结合。 
本实用新型的ZnO衬底外延结构是在同一块ZnO衬底上分别生长同时掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层和In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层来得到白光，这种掺杂Si和Zn的InxGa1-xN-GaN多量子阱LED结构也可以采用MOVPE的方法进行生长。在500～560nm之间，可以得到宽带波长的施主-受主对，Si和Zn会发生施主-受主对相关的宽带辐射，而InGaN多量子阱LED发生带边辐射，二者结合就会产生白光。这种掺杂Si和Zn的InxGa1-xN-GaN多量子阱LED的场致发光光谱与荧光粉转换得到的白光LED的光谱非常相似。经过测量，其色温为6300K，色坐标为（0.316，0.312）。由于本实用新型的ZnO衬底外延结构以及包含有该外延结构的ZnO衬底芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，其发光质量好、显色性好、稳定性好，提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。 
以上所述为本实用新型最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本实用新型的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本实用新型的技术启示而进行的等效变换，也在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种ZnO衬底外延结构，包括外延片，其特征在于：所述外延片包括从下至上依次设置的ZnO衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。
2.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述ZnO衬底的厚度为50～200um。
3.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述GaN过渡层的厚度为10～100nm。
4.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述第一N-GaN接触层、第二N-GaN接触层的厚度均为200～1000nm。
5.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
6.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述第一P-GaN接触层、第二P-GaN接触层的厚度均为80～600nm。
7.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述N-GaN级联层的厚度为100～1000nm。
8.如权利要求1所述的一种ZnO衬底外延结构，其特征在于：所述In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
9.一种ZnO衬底芯片结构，其特征在于：包括权利要求1所述的外延片；所述外延片的第二P-GaN接触层上设置有P电极，N-GaN接触层上设置有N电极。 
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