CN108123016A - 基于GaN材料的双色LED芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GaN材料的双色LED芯片10，包括：衬底11、GaN蓝光外延层12、GaN紫光外延层13、隔离层14、电极15、钝化层16及反光层17；其中，所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14均设置于所述衬底11上表面且所述隔离层14位于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13之间；所述电极15分别设置于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13上；所述钝化层16设置于所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14上表面；所述反光层17设置于所述衬底11下表面。本发明提供的基于GaN材料的双色LED芯片的制备方法，可以在单芯片能产生多种颜色的光，荧光粉的用量较少；此外，该制备工艺相对简单，可行性高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件设计及制造领域，特别涉及一种基于GaN材料的双色LED芯片。
背景技术
由于具有发光效率高、耗电量小、使用寿命长及工作温度低等特点，LED越来越普遍地用在照明领域。LED是通过发光芯片配合荧光粉发出用户需要的各种颜色的光。
现有技术中，每个单独发光芯片只能发出单色的光，若需合成其他颜色的光就需要将不同颜色的发光芯片混合在一起，并填充大量的荧光粉，这样就存在可靠性差、封装难度大的问题。此外，由于荧光粉胶层中存在大量离散分布的荧光粉颗粒，光线入射到荧光粉胶层中会出现强烈的散射现象。这种散射一方面强化了荧光粉胶层对光线的吸收作用，另一方面也导致大量光线被反射，即透射过荧光粉层的光线会显著减少。
因此，如何设计出一种新型的LED芯片就变得极其重要。
发明内容
为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于GaN材料的双色LED芯片。该基于GaN材料的双色LED芯片10包括：衬底11、GaN蓝光外延层12、GaN紫光外延层13、隔离层14、电极15、钝化层16及反光层17；其中，
所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14均设置于所述衬底11上表面且所述隔离层14位于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13之间；
所述电极15分别设置于所述所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13上；
所述钝化层16设置于所述所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14上表面；
所述反光层17设置于所述衬底11下表面。
在本发明的一个实施例中，所述衬底11为蓝宝石衬底。
在本发明的一个实施例中，所述GaN蓝光外延层12包括：第一GaN缓冲层121、第一GaN稳定层122、第一n型GaN层123、第一有源层124、第一p型AlGaN阻挡层125及第一p型GaN接触层126；其中，
所述第一GaN缓冲层121、所述第一GaN稳定层122、所述第一n型GaN层123、所述第一有源层124、所述第一p型AlGaN阻挡层125及所述第一p型GaN接触层126依次层叠于所述衬底11上表面第一指定区域。
在本发明的一个实施例中，所述第一有源层124为InGaN量子阱1241/GaN势垒1242多重结构。
在本发明的另一个实施例中，所述GaN紫光外延层13包括：第二GaN缓冲层131、第二GaN稳定层132、第二n型GaN层133、第二有源层134、第二p型AlGaN阻挡层135及第二p型GaN接触层136；其中，
所述第二GaN缓冲层131、所述第二GaN稳定层132、所述第二n型GaN层133、所述第二有源层134、所述第二p型AlGaN阻挡层135及所述第二p型GaN接触层136依次层叠于所述衬底11上表面第二指定区域。
在本发明的一个实施例中，所述第二有源层134为Al1-xGaxN量子阱1341/Al1-yGayN势垒1342多重结构。
在本发明的一个实施例中，所述电极15包括金属硅化物与金属；其中，
所述金属硅化物151设置于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13上表面；
所述金属设置于所述金属硅化物151上表面。
在本发明的一个实施例中，所述钝化层16材料为二氧化硅。
在本发明的一个实施例中，所述反光层17材料为Al、Ti或Ni。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在单芯片能产生多种颜色的光，荧光粉的用量较少；
2.通过将蓝光与紫外光集成在同一芯片上，集成度提高，LED成本可以下降；
3.由于同一芯片上集成了蓝光与紫外光，色温调节更加灵活。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的双色LED芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种GaN蓝光外延层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种GaN紫光外延层的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第二有源层的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电极的结构示意图；
图7a～图7f为本发明实施例的一种基于GaN材料的双色LED芯片的制备方法示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种基于GaN材料的双色LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的双色LED芯片的结构示意图，该基于GaN材料的双色LED芯片10包括：衬底11、GaN蓝光外延层12、GaN紫光外延层13、隔离层14、电极15、钝化层16及反光层17；其中，
所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14均设置于所述衬底11上表面且所述隔离层14位于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13之间；
所述电极15分别设置于所述所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13上；
所述钝化层16设置于所述所述GaN蓝光外延层12、所述GaN紫光外延层13及所述隔离层14上表面；
所述反光层17设置于所述衬底11下表面。
进一步地，所述衬底11为蓝宝石衬底。该蓝宝石衬底的晶面为(0001)，厚度小于150μm。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种GaN蓝光外延层的结构示意图，该GaN蓝光外延层形成蓝光LED结构；具体的，该GaN蓝光外延层12包括：第一GaN缓冲层121、第一GaN稳定层122、第一n型GaN层123、第一有源层124、第一p型AlGaN阻挡层125及第一p型GaN接触层126；
所述第一GaN缓冲层121、所述第一GaN稳定层122、所述第一n型GaN层123、所述第一有源层124、所述第一p型AlGaN阻挡层125及所述第一p型GaN接触层126依次层叠于所述衬底11上表面第一指定区域。
其中，第一GaN缓冲层121的厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第一GaN稳定层122的厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第一n型GaN层123的厚度为200～1000nm，优选为400nm，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，优选为1×1019cm-3；
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；该第一有源层124为InGaN量子阱1241/GaN势垒1242多重结构，该多重结构的周期为8～30，优选为20；其中，InGaN量子阱1241的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；GaN势垒1242的厚度为5～10nm，优选为5nm；InGaN量子阱1241与GaN势垒1242中In的含量依据光波长定，含量越高光波波长越长，通常为10～20％；
第一p型AlGaN阻挡层125的厚度为10～40nm，优选为20nm；
第一p型GaN接触层126的厚度为100～300nm，优选为200nm。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种GaN紫光外延层的结构示意图，该GaN紫光外延层形成紫光LED结构；具体的，该GaN紫光外延层13包括：第二GaN缓冲层131、第二GaN稳定层132、第二n型GaN层133、第二有源层134、第二p型AlGaN阻挡层135及第二p型GaN接触层136；
所述第二GaN缓冲层131、所述第二GaN稳定层132、所述第二n型GaN层133、所述第二有源层134、所述第二p型AlGaN阻挡层135及所述第二p型GaN接触层136依次层叠于所述衬底11上表面第二指定区域。
其中，第二GaN缓冲层131的厚度为3000～5000nm，优选为4000nm；
第二GaN稳定层132的厚度为500～1500nm，优选为1000nm；
第二n型GaN层133的厚度为200～1000nm，优选为400nm，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，优选为1×1019cm-3；
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种第二有源层的结构示意图；该第二有源层134为Al1-xGaxN量子阱1341/Al1-yGayN势垒1342多重结构，该多重结构的周期为8～30，优选为20；其中，Al1-xGaxN量子阱1341的厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；Al1-yGayN势垒1342的5～10nm，优选为5nm；Al1-xGaxN量子阱1341与Al1-yGayN势垒1342中Al的含量依据光波长定，含量越高光波波长越短，通常为40～80％；
第二p型AlGaN阻挡层135的厚度为10～40nm，优选为20nm，其中Al的组分比例大于70％；
第二p型GaN接触层136的厚度为100～300nm，优选为200nm。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种电极的结构示意图；该电极15包括金属硅化物151与金属152；其中，
所述金属硅化物151设置于所述GaN蓝光外延层12与所述GaN紫光外延层13上表面；具体地，金属硅化物151设置于第一p型GaN接触层126、第二p型GaN接触层136、第一n型GaN层123及第二n型GaN层133上表面；
所述金属152设置于所述金属硅化物151上表面；
金属硅化物151与金属152共同形成电极结构，其中金属硅化物151与半导体材料接触势垒小，形成欧姆接触；
第一p型GaN接触层126与第二p型GaN接触层136上表面分别为蓝光LED与紫光LED的阳极；第一n型GaN层123与第二n型GaN层133上表面的金属硅化物151与金属152分别形成蓝光LED与紫光LED的阴极。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述钝化层16材料为二氧化硅。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述反光层17材料为Al、Ti或Ni。
在实际应用中，蓝光LED与紫光LED的数量可以根据实际需要而定。
本实施例提供的蓝光与紫光LED芯片，通过在单芯片上形成蓝光与紫光，可以减少后期封装时荧光粉的用量；此外，将蓝光与紫外光集成在同一芯片上，集成度提高，LED成本可以下降，且色温调节更加灵活。
实施例二
请参照图7a～图7f，图7a～图7f为本发明实施例的一种基于GaN材料的双色LED芯片的制备方法示意图。具体地，该制备方法包括如下步骤：
第1步、选取厚度为4000nm的蓝宝石衬底700，如图7a所示。
第2步、在400～600℃温度下，在所述蓝宝石衬底700上表面生长厚度为3000～5000nm的第一GaN缓冲层701；在900～1050℃温度下，在所述第一GaN缓冲层701上表面生长厚度为500～1500nm的第一GaN稳定层702；在900～1050℃温度下，在所述第一GaN稳定层702上表面生长厚度为200～1000nm、掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3的第一n型GaN层703；在所述第一n型GaN层703上表面生长InGaN量子阱/GaN势垒多重结构作为第一有源层704；其中，所述InGaN量子阱的生长温度为650～750℃，厚度为1.5～3.5nm，In的含量为10～20％；所述GaN势垒的生长温度为750～850℃、厚度为5～10nm；所述InGaN量子阱/GaN势垒多重结构的周期为20；在850～950℃温度下，在所述第一有源层104上表面生长厚度为10～40nm的第一p型AlGaN阻挡层705；在850～950℃温度下，在所述第一p型AlGaN阻挡层705上表面生长厚度为100～300nm的第一p型GaN接触层706，如图7b所示。
第3步、在所述第一p型GaN接触层706上表面淀积厚度为300～800nm的第一SiO2层；利用湿法刻蚀工艺，择性刻蚀所述第一SiO2层，在所述第一SiO2层上形成第一待刻蚀区域；利用干法刻蚀工艺，在所述第一待刻蚀区域刻蚀所述第一p型GaN接触层706、所述第一p型AlGaN阻挡层705、所述第一有源层704、所述第一n型GaN层703、所述第一GaN稳定层702及所述第一GaN缓冲层101，形成第一凹槽；去除所述第一SiO2层，并在所述第一凹槽内淀积第二SiO2层；选择性刻蚀所述第二SiO2层，以在所述第一凹槽四周形成SiO2隔离层900，所述SiO2隔离层内部区域作为所述紫外光灯芯槽，如图7c所示。
第4步、在400～600℃温度下，在所述紫外光灯芯槽底部生长厚度为3000～5000nm的第二GaN缓冲层801；在900～1050℃温度下，在所述第二GaN缓冲层801上表面生长厚度为500～1500nm的第二GaN稳定层802；在900～1050℃温度下，在所述第二GaN稳定层802上表面生长厚度为200～1000nm、掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3的第二n型GaN层803；在所述第二n型GaN层803上表面生长Al1-xGaxN量子阱/Al1-yGayN势垒多重结构作为第二有源层804，x、y均表示对应物质的组分比例；其中，Al1-xGaxN量子阱的生长温度为850～950℃，厚度为1.5～3.5nm，Al的含量为10～50％；Al1-yGayN势垒的生长温度为750～900℃，厚度为5～10nm，Al的含量为40～80％；所述Al1-xGaxN量子阱/Al1-yGayN势垒多重结构的周期为20；在850～950℃温度下，在所述第二有源层804上表面生长厚度为10～40nm的第二p型AlGaN阻挡层805；在850～950℃温度下，在所述第二p型AlGaN阻挡层805上表面生长厚度为100～300nm的第二p型GaN接触层806，如图7d所示。
第5步、利用PECVD工艺，在所述第一p型GaN接触层706与所述第二p型GaN接触层806上表面淀积第三SiO2层；利用湿法刻蚀工艺，选择性刻蚀所述第三SiO2层，在所述第一p型GaN接触层706与所述第二p型GaN接触层806上表面分别形成第二待刻蚀区域与第三待刻蚀区域；在所述第二待刻蚀区域依次刻蚀所述第一p型GaN接触层706、所述第一p型AlGaN阻挡层705及所述第二有源层704，在所述第三待刻蚀区域依次刻蚀所述第二p型GaN接触层806、所述第二p型AlGaN阻挡层805及所述Al1-xGaxN/Al1-yGayN有源层804，以分别在所述第一n型GaN层703上表面形成第二凹槽、在所述第二n型GaN层803上表面形成第三凹槽；去除所述第三SiO2层，在所述第一p型GaN接触层706上表面、所述第二p型GaN接触层806上表面、所述第二凹槽底部及所述第三凹槽底部淀积厚度为300～800nm的第四SiO2层；选择性刻蚀所述第四SiO2层，在所述第一p型GaN接触层706上表面、所述第二p型GaN接触层806上表面、所述第一n型GaN层703上表面及所述第二n型GaN层803上表面分别形成第一上电极引线孔、第二上电极引线孔、第一下电极引线孔及第二下电极引线孔；在所述第一上电极引线孔、所述第二上电极引线孔、所述第一下电极引线孔及所述第二下电极引线孔底部淀积Cr/Pt/Au材料；其中，Cr的厚度为20～40nm，Pt的厚度为20～40nm，Au的厚度为800～1500nm；在300～500℃温度下，将包括所述Cr/Pt/Au材料、所述第一p型GaN接触层706、所述第二p型GaN接触层806、所述第一n型GaN层703及所述第二n型GaN层803的整个材料进行退火处理，以在所述第一p型GaN接触层706、所述第二p型GaN接触层806、所述第一n型GaN层703及所述第二n型GaN层803与所述Cr/Pt/Au材料接触界面处形成金属硅化物；去除所述Cr/Pt/Au材料；在所述金属化合物表面淀积金属；光刻所述金属以形成蓝光芯片的阳极31与阴极32、紫光芯片的阳极31'与阴极32'，如图7e所示。
第6步、去除所述蓝宝石衬底底部部分材料，使得剩余部分的蓝宝石衬底材料的厚度应在150μm以下；在所述蓝宝石衬底底部镀金属反射层920，如图7f所示。
本实施例提供的基于GaN材料的双色LED芯片的制备方法，通过在单个芯片上制作蓝光LED与紫光LED，可以在后续进行封装时减少荧光粉的用量；此外，该工艺简单，所制作的芯片集成度。
实施例三
请参见图图8，图8为本发明实施例提供的另一种基于GaN材料的双色LED芯片的结构示意图。本实施例提供的蓝光与紫光芯片与实施例二提供的蓝光与紫光芯片的区别在于在制备紫光灯芯槽时，第一GaN缓冲层101未完全刻蚀掉，其他工艺相同。该结构的优点在于将蓝光LED与紫光LED的阴极共连，在后续进行封装时布线更简单。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于GaN材料的双色LED芯片(10)，其特征在于，包括：衬底(11)、GaN蓝光外延层(12)、GaN紫光外延层(13)、隔离层(14)、电极(15)、钝化层(16)及反光层(17)；其中，
所述GaN蓝光外延层(12)、所述GaN紫光外延层(13)及所述隔离层(14)均设置于所述衬底(11)上表面且所述隔离层(14)位于所述GaN蓝光外延层(12)与所述GaN紫光外延层(13)之间；
所述电极(15)分别设置于所述GaN蓝光外延层(12)与所述GaN紫光外延层(13)上；
所述钝化层(16)设置于所述GaN蓝光外延层(12)、所述GaN紫光外延层(13)及所述隔离层(14)上表面；
所述反光层(17)设置于所述衬底(11)下表面。
2.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述衬底(11)为蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述GaN蓝光外延层(12)包括：第一GaN缓冲层(121)、第一GaN稳定层(122)、第一n型GaN层(123)、第一有源层(124)、第一p型AlGaN阻挡层(125)及第一p型GaN接触层(126)；其中，
所述第一GaN缓冲层(121)、所述第一GaN稳定层(122)、所述第一n型GaN层(123)、所述第一有源层(124)、所述第一p型AlGaN阻挡层(125)及所述第一p型GaN接触层(126)依次层叠于所述衬底(11)上表面第一指定区域。
4.根据权利要求3所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第一有源层(124)为InGaN量子阱(1241)/GaN势垒(1242)多重结构。
5.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述GaN紫光外延层(13)包括：第二GaN缓冲层(131)、第二GaN稳定层(132)、第二n型GaN层(133)、第二有源层(134)、第二p型AlGaN阻挡层(135)及第二p型GaN接触层(136)；其中，
所述第二GaN缓冲层(131)、所述第二GaN稳定层(132)、所述第二n型GaN层(133)、所述第二有源层(134)、所述第二p型AlGaN阻挡层(135)及所述第二p型GaN接触层(136)依次层叠于所述衬底(11)上表面第二指定区域。
6.根据权利要求5所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述第二有源层(134)为Al1-xGaxN量子阱(1341)/Al1-yGayN势垒(1342)多重结构。
7.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述电极(15)包括金属硅化物(151)与金属(152)；其中，
所述金属硅化物(151)设置于所述GaN蓝光外延层(12)与所述GaN紫光外延层(13)上表面；
所述金属(152)设置于所述金属硅化物(151)上表面。
8.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述钝化层(16)材料为二氧化硅。
9.根据权利要求1所述的LED芯片(10)，其特征在于，所述反光层(17)材料为Al、Ti或Ni。
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