CN207800633U - 新型GaN基LED器件结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型GaN基LED器件结构。该器件结构包括：导电衬底；反光层，设置于所述导电衬底上；金属电极层，设置于所述反光层上；多个蓝光外延层和多个GaN紫外光外延层，依次间隔排列设置于所述金属电极层上；第一阴极电极，设置于所述蓝光外延层上；第二阴极电极，设置于所述GaN紫外光外延层上；阳极电极，设置于所述导电衬底下。本实用新型将GaN外延片从蓝宝石衬底转移到具有良好电、热导特性的衬底材料上，可以提升器件的散热效率，延长器件的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路技术领域，特别涉及一种新型GaN基LED器件结构。
背景技术
LED(LightingEmittingDiode)即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光。LED为一种新型的固态光源，其具有体积小、发光效率高、能耗低、寿命长、无汞污染、全固态、响应迅速、工作电压低、安全可靠等诸多方面的优点。
利用三基色原理，在LED器件封装时添加荧光粉，可以发出任意颜色的光，因此可以利用LED作为光源进行照明。现有技术中，LED涂敷荧光粉的方式主要有：荧光粉远离芯片、荧光粉均匀分布在封装材料和荧光粉紧贴芯片表面的封装方式。其中荧光粉均匀分布在封装材料的封装方式容易操作，但该封装方式荧光粉的激发效率较低；由于荧光粉远离芯片的工艺繁杂且难以控制至今还未实现工业化生产；荧光粉紧贴芯片的封装方式是借助中介封装材料与芯片粘结在一起，缺陷是中介封装材料的折射率较低，芯片发出的光容易产生全反射而导致热量聚集，反而降低芯片的出光效率并影响荧光粉的激发(荧光粉所处的激发温度相对较高)。将荧光粉直接涂覆已固晶焊线的半成品上，这又会造成荧光粉的大量浪费。因此，如何设计出一种新型的LED，减少荧光粉的涂敷就变得极其重要。
实用新型内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本实用新型提出一种新型GaN基LED器件结构。
具体地，本实用新型一个实施例提出的一种新型GaN基LED器件结构，包括：
导电衬底410；
反光层40，设置于所述导电衬底410上；
金属电极层407，设置于所述反光层40上；
多个GaN蓝光外延层10和多个GaN紫外光外延层20，依次间隔排列设置于所述金属电极层上；
第一阴极电极51，设置于所述GaN蓝光外延层10上；
第二阴极电极52，设置于所述GaN紫外光外延层20上；
阳极电极53，设置于所述导电衬底410下。
在本实用新型的一个实施例中，所述导电衬底410为掺杂Si片、铝板或者铜板。
在本实用新型的一个实施例中，所述GaN蓝光外延层10包括第一GaN缓冲层101、第一GaN稳定层102、第一n型GaN层103、第一有源层104、第一AlGaN阻挡层105以及第一p型GaN层106。
在本实用新型的一个实施例中，所述GaN紫外光外延层20包括第二GaN缓冲层201、第二GaN稳定层202、第二n型GaN层203、第二有源层204、第二AlGaN阻挡层205、第二p型GaN层206。
在本实用新型的一个实施例中，还包括隔离层12，设置于所述GaN紫外光外延层20的四周。
本实用新型具有如下有益效果：
1)本实用新型将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，单LED芯片即可产生多种颜色的光，因此极大地减小荧光粉的涂覆；
2)本实用新型将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，器件集成度高，降低LED的生产成本；
3)本实用新型通过分别制备不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色；
4)本实用新型在制造过程中采用衬底片键合与激光剥离技术相结合将GaN外延片从蓝宝石衬底转移到具有良好电、热导特性的衬底材料上，可以提升器件的散热效率，延长器件的使用寿命；
5)本实用新型提出的器件电极上下垂直分布，彻底解决了正装、倒装结构LED芯片中因为电极平面分布、电流侧向注入导致的诸如散热，电流分布不均匀、可靠性等一系列问题。
通过以下参考附图的详细说明，本实用新型的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本实用新型的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本实用新型实施例提供的一种新型GaN基LED器件结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种GaN蓝光外延层的生长示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种第一有源层的生长示意图；
图4为本实用新型实施例提供的一种紫外光灯芯槽的制备示意图；
图5为本实用新型实施例提供的一种GaN紫外光外延层的生长示意图；
图6为本实用新型实施例提供的一种第二有源层的生长示意图；
图7为本实用新型实施例提供的一种导电衬底的制备示意图；
图8为本实用新型实施例提供的一种电极制作俯视示意图；
图9为本实用新型实施例提供的一种电极制作剖面示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种新型GaN基LED器件结构示意图。该器件结构包括：
导电衬底410；
反光层40，设置于所述导电衬底410上；
金属电极层407，设置于所述反光层40上；
多个GaN蓝光外延层10和多个GaN紫外光外延层20，依次间隔排列设置于所述金属电极层上；
第一阴极电极51，设置于所述GaN蓝光外延层10上；
第二阴极电极52，设置于所述GaN紫外光外延层20上；
阳极电极53，设置于所述导电衬底410下。
其中，所述导电衬底410为掺杂Si片、铝板或者铜板。
其中，所述GaN蓝光外延层10包括第一GaN缓冲层101、第一GaN稳定层102、第一n型GaN层103、第一有源层104、第一AlGaN阻挡层105以及第一p型GaN层106。
其中，所述第一有源层104包括依次周期层叠分布的GaN势垒层104a和InGaN量子阱层104b。
其中，所述GaN势垒层104a和InGaN量子阱层104b的层叠周期为8～30，所述InGaN量子阱层104b中的In含量为10～20％。
其中，所述GaN紫外光外延层20包括第二GaN缓冲层201、第二GaN稳定层202、第二n型GaN层203、第二有源层204、第二AlGaN阻挡层205、第二p型GaN层206。
其中，所述第二有源层204包括：依次周期层叠分布的Al1-yGayN势垒层204a和Al1- xGaxN量子阱层204b。
其中，所述Al1-yGayN势垒层204a和所述Al1-xGaxN量子阱层204b的层叠周期为8～30，所述Al1-xGaxN量子阱层204b中的Al含量为10～50％。
进一步地，器件还包括隔离层12，设置于所述GaN紫外光外延层20的四周。
其中，所述隔离层12的材料为SiO2。
本实施例通过将多种色彩的材料设置在同一LED器件中，产生多种颜色的光，可以解决现有技术中LED封装器件涂覆荧光粉导致LED器件发光效率低、集成度低的缺陷。
实施例二
请参见图2～图9，图2为本实用新型实施例提供的一种GaN蓝光外延层的生长示意图；图3为本实用新型实施例提供的一种第一有源层的生长示意图；图4为本实用新型实施例提供的一种紫外光灯芯槽的制备示意图；图5为本实用新型实施例提供的一种GaN紫外光外延层的生长示意图；图6为本实用新型实施例提供的一种第二有源层的生长示意图；图7为本实用新型实施例提供的一种导电衬底的制备示意图；图8为本实用新型实施例提供的一种电极制作俯视示意图；图9为本实用新型实施例提供的一种电极制作剖面示意图，本实施例将较为详细地对本实用新型的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S10、GaN蓝光外延层的生长，如图2和图3所示
S101、选取蓝宝石衬底11，其中蓝宝石的晶面为(0001)，在蓝宝石衬底11上生长第一GaN缓冲层101，第一GaN缓冲层101的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400～600℃；
优选地，第一GaN缓冲层101的厚度为4000纳米；
优选地，第一GaN缓冲层101的生长温度为500℃。
S102、将温度升高至900～1050℃，在第一GaN缓冲层101上生长第一GaN稳定层102，第一GaN稳定层102的厚度为500～1500纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的厚度为1000纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的生长温度为1000℃。
S103、保持S102中的温度不变，在第一GaN稳定层102上生长第一n型GaN层103，第一n型GaN层103的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1x1018～5x1019cm-3；
优选地，第一n型GaN层103的生长温度为1000℃；
优选地，第一n型GaN层103的厚度为400纳米；
优选地，第一n型GaN层103的掺杂浓度为1x1019cm-3。
S104、在第一n型GaN层103上生长第一多量子阱层104，第一多量子阱层104为InGaN/GaN多量子阱结构。具体地，InGaN/GaN多量子阱结构为InGaN量子阱层104b和GaN势垒层104a依次周期层叠形成，层叠周期为8～30。InGaN量子阱层104b的生长温度为650～750℃，厚度为1.5～3.5纳米，其中In的含量约为10～20％，In的含量依据光波长定，含量越高光波波长越长。GaN势垒层104a的生长温度为750～850℃，厚度为5～10纳米；
优选地，InGaN量子阱层104b的生长温度为750℃；
优选地，InGaN量子阱层104b的厚度为2.8纳米；
优选地，GaN势垒层104a的生长温度为850℃；
优选地，GaN势垒层104a的厚度为5纳米；
优选地，InGaN量子阱层104b和GaN势垒层104a的层叠周期为20。
S105、将温度升高至850～950℃，在第一多量子阱层104上生长p型第一AlGaN阻挡层105，第一AlGaN阻挡层105的厚度为10～40纳米；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为900℃；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为20纳米。
S106、在第一AlGaN阻挡层105上生长第一p型GaN层106，作为接触用，第一p型GaN层106的厚度为100～300纳米的；
优选地，第一p型GaN层106的生长温度为900℃；
优选地，第一p型GaN层106的厚度为200纳米。
S11、在器件中制作紫外光灯芯槽，如图4所示，紫外光灯芯槽为在GaN蓝光外延层中间隔排列的凹槽，其数量根据需求确定，图4以紫外光灯芯槽的数量为3个为例进行描述：
S111、利用PECVD工艺在第一p型GaN 106表面淀积一层氧化层(即SiO2层)，厚度为300～800纳米，优选地SiO2层的厚度为500纳米；
S112、利用湿法刻蚀工艺在SiO2层上刻蚀一个矩形窗口，矩形窗口的长和宽分别大于50微米，小于300微米，优选地，矩形窗口的长和宽为100微米；
S113、利用干法刻蚀工艺刻蚀SiO2矩形窗口下的材料，一直刻蚀到蓝宝石衬底，形成紫外光灯芯槽；
S114、去掉器件表面的SiO2层；
S115、在整个器件上表面重新淀积一层SiO2层，厚度为20～100纳米，优选地SiO2层的厚度为50纳米；
S116、利用干法刻蚀工艺刻蚀器件表面SiO2层，在紫外光灯芯槽四周形成隔离层12。
S12、GaN紫外光外延层的生长，如图5和图6所示；
S121、在紫外光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层201，第二GaN缓冲层201的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400～600℃；
优选地，第二GaN缓冲层301的厚度为4000纳米；
优选地，第二GaN缓冲层301的温度为500℃。
S122、将温度升高至900-1050℃，在第二GaN缓冲层201上生长第二GaN稳定层202，第二GaN稳定层202的厚度为500～1500纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的厚度为1000纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的生长温度为1000℃。
S123、保持S122中的温度不变，在第二GaN稳定层202上生长第二n型GaN层203，第二n型GaN层203的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1x1018～5x1019cm-3；
优选地，第二n型GaN层203的生长温度为1000℃；
优选地，第二n型GaN层203的厚度为400纳米；
优选地，第二n型GaN层203的掺杂浓度为1x1019cm-3。
S124、在第二n型GaN层203上生长第二有源层204，第二有源层204为Al1-xGaxN/Al1-yGayN多量子阱结构。具体地，Al1-xGaxN/Al1-yGayN多量子阱结构为Al1-xGaxN量子阱层204b和Al1-yGayN势垒层204a依次周期层叠形成，层叠周期为8～30。Al1-xGaxN量子阱层204b的生长温度为850～950℃，厚度均为1.5～3.5纳米，其中Al的含量约为10～50％，Al含量依据光波长定，含量越高光波波长越短。Al1-yGayN势垒204a的生长温度为750～900℃，厚度均为5～10纳米；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b的生长温度为900℃；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b的厚度为2.8纳米；
优选地，Al1-yGayN势垒层204a的生长温度为850℃；
优选地，Al1-yGayN势垒层204a的厚度为5纳米；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b和Al1-yGayN势垒层204a的层叠周期为20。
S125、将温度升高至850～950℃，在第二有源层204上生长p型第二AlGaN阻挡层205，第二AlGaN阻挡层205的厚度为10～40纳米；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为900℃；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为20纳米；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的Al的组分大于70％。
S126、在第二AlGaN阻挡层205上生长第二p型GaN层206，作为接触用，第二p型GaN层206的厚度为100～300纳米的；
优选地，第二p型GaN层206的生长温度为900℃；
优选地，第二p型GaN层206的厚度为200纳米。
S13、键合、电极制作，如图7、图8和图9所示；
S131、在器件表面，即在第一p型GaN层106和第二p型GaN层206表面采用溅射或者蒸发的工艺制备一层Ni金属层、或者Au金属层、或者Ni/Au与其它金属的合金层，形成金属电极层407，金属电极层407的厚度为100～1000nm；
S132、在金属电极层407表面，采用溅射或者蒸发的工艺制备一层Ni金属层、或者Pb金属层、或者Ni/Pb金属层，或者Al金属层等放光性好的金属或金属合金形成第一反光层408，第一反光层408的厚度为300～1500nm；
S133、选取一个重掺杂Si片或者铝板或者铜板导电衬底410，采用溅射或者蒸发工艺在导电衬底410上制备第二反光层409，第二反光层409的制备工艺参考步骤S182中第一反光层408的制备工艺，第二反光层409厚度为500～2500nm；
S134、将S182、S183中制备的第一反光层408和第二反光层409紧贴在一起，在300～500℃的环境中，放置15～120分钟，实现第一反光层408和第二反光层409键合，形成反光层40；
可选地，导电衬底可以通过在反光层表面电镀金属Cu形成，这种方法能有效降低键合工艺中的高温引起的芯片翘曲、应力，增加可靠性。
S135、用准分子激光器去除蓝宝石衬底11，将GaN缓冲层暴露出来，即将第一GaN缓冲层101和第二GaN缓冲层201暴露出来；
S136、在暴露的GaN缓冲层上利用光刻工艺进行表面粗化；
表面粗糙化技术是克服光从光密媒质到光疏媒质的全反射，提高LED发光效率的一项关键技术。对于正面出光的LED，由于p型GaN为高阻层，且比较薄，表面粗化将可能破坏有源层，并使得P型欧姆接触制备更加困难，因此，利用激光剥离，然后进行n型GaN表面粗化，可以较好的解决上述问题。
S137、在粗糙的GaN缓冲层上制备阴极电极，具体为在第一GaN缓冲层101制备第一阴极电极51，在第二GaN缓冲层201制备第二阴极电极52；
S138、在导电衬底410上利用溅射或者蒸发的工艺制备一层金属Al、或者Ni、或者其它导电性好的金属，刻蚀后形成阳极电极53。
本实施例通过分别制备不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色。
综上所述，本文中应用了具体个例对本实用新型基于新型GaN基LED器件结构的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (5)
1.一种新型GaN基LED器件结构，其特征在于，包括：
导电衬底(410)；
反光层(40)，设置于所述导电衬底(410)上；
金属电极层(407)，设置于所述反光层(40)上；
多个GaN蓝光外延层(10)和多个GaN紫外光外延层(20)，依次间隔排列设置于所述金属电极层上；
第一阴极电极(51)，设置于所述GaN蓝光外延层(10)上；
第二阴极电极(52)，设置于所述GaN紫外光外延层(20)上；
阳极电极(53)，设置于所述导电衬底(410)下。
2.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述导电衬底(410)为掺杂Si片、铝板或者铜板。
3.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述GaN蓝光外延层(10)包括第一GaN缓冲层(101)、第一GaN稳定层(102)、第一n型GaN层(103)、第一有源层(104)、第一AlGaN阻挡层(105)以及第一p型GaN层(106)。
4.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述GaN紫外光外延层(20)包括第二GaN缓冲层(201)、第二GaN稳定层(202)、第二n型GaN层(203)、第二有源层(204)、第二AlGaN阻挡层(205)、第二p型GaN层(206)。
5.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，还包括隔离层(12)，设置于所述GaN紫外光外延层(20)的四周。
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