基于GaN材料的RGBW垂直结构LED芯片的制备方法、LED芯片和LED灯与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于gan材料的rgbw垂直结构led芯片的制备方法、led芯片和led灯。

背景技术：

led光源在照明领域受到越来越普遍地应用。通常led光源通过led发光芯片配合荧光粉发出各种颜色的光。现有技术中，单独的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，光线入射到荧光粉胶层中会出现强烈的散射现象，使得荧光粉胶层对光线的吸收作用，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。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出了一种基于gan材料的rgbw垂直结构led芯片的制备方法，包括：

选择衬底(11)；

在所述衬底(11)上制备蓝光发光组件，其中，所述蓝光发光组件包括gan材料；

对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成红光灯芯槽；

在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件；

对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成绿光灯芯槽；

在所述绿光灯芯槽中制备绿光发光组件；

刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光发光组件；

在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极；

在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件及所述白光发光组件上制备蓝光负电极、红光负电极、绿光负电极及白光负电极，以实现基于gan材料的rgbw四色led芯片的制备。

在本发明的一种实施方式中，在所述衬底(11)上制备蓝光发光组件，包括：

在所述衬底(11)上制备第一gan缓冲层(101)；

在所述第一gan缓冲层(101)上制备第一gan稳定层(102)；

在所述第一gan稳定层(102)上制备第一n型gan层(103)；

在所述第一n型gan层(103)上制备第一ingan/gan多量子阱有源层(104)，所述第一ingan/gan多量子阱有源层(104)包括多个gan势垒层(104a)和多个ingan量子阱层(104b)，其中，所述gan势垒层(104a)和所述ingan量子阱层(104b)交替排布，并且，每个所述ingan量子阱层(104b)厚度为1.5～3.5纳米，in的含量为10～20％；每个所述gan势垒层(104a)厚度为5～10纳米；

在所述第一ingan/gan多量子阱有源层(104)上制备第一p型algan阻挡层(105)；

在所述第一p型algan阻挡层(105)上制备第一p型gan层(106)，以完成所述蓝光发光组件的制备。

在本发明的一种实施方式中，对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成红光灯芯槽，包括：

采用pecvd工艺在所述第一p型gan层(106)上淀积厚度为300～800纳米的第一sio2层；

采用湿法刻蚀工艺在所述第一sio2层上特定位置处刻蚀至少一个第一矩形窗口；所述第一矩形窗口的长度或宽度均大于50微米且小于300微米；

在所述第一矩形窗口范围内沿着与所述衬底(11)垂直的方向采用干法刻蚀工艺持续刻蚀所述蓝光发光组件，直至刻蚀至所述衬底(11)的上表面处以形成第一凹槽；去除所述第一sio2层；

在所述第一p型gan层(106)上表面、所述衬底(11)的上表面及所述第一凹槽的侧壁沉淀厚度为20～100纳米的第二sio2层；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一p型gan层(106)上表面及所述衬底(11)的上表面的第二sio2层以在所述第一凹槽的侧壁形成第一sio2隔离壁(12)，所述第一sio2隔离壁(12)用于隔离所述蓝光发光组件与所述红光发光组件。

在本发明的一种实施方式中，在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件，包括：

在所述红光灯芯槽中制备厚度为2000～3000纳米的第二gan缓冲层(401)；

在所述第二gan缓冲层(401)上制备厚度为1000～2000纳米、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型gaas缓冲层(402)；

在所述gaas缓冲层(402)上制备厚度为500～1000纳米、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的n型gaas稳定层(403)；

在所述gaas稳定层(403)上制备galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)；

所述galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)包括多个galnp势垒层(404a)和多个a1gainp势垒层(404b)，其中，所述galnp势垒层(404a)和所述a1gainp势垒层(404b)交替排布，并且，每个所述a1gainp势垒层(404b)厚度为5～10纳米，al的含量为10～40％；每个所述galnp势垒层(404a)厚度为5～10纳米；

在所述galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)上制备p型a1gainp阻挡层(405)；

在所述p型a1gainp阻挡层(405)上制备厚度为100～500纳米、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的p型gaas接触层(406)，以完成所述红光发光组件的制备。

在本发明的一种实施方式中，刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光发光组件，包括：

选择性刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光隔离壁，其中，

所述白光隔离壁将所述蓝光发光组件分隔为第一蓝光发光组件和第二蓝光发光组件，将所述红光发光组件分隔为第一红光发光组件和第二红光发光组件，将所述绿光发光组件分隔为第一绿光发光组件和第二绿光发光组件，其中，

所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件及所述第一绿光发光组件分布在所述白光隔离壁的第一侧，所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件分布在所述白光隔离壁的第二侧，其中，

所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件配合使用以形成所述白光发光组件；

在本发明的一种实施方式中，在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极，包括：

在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件上表面制备第一金属接触层；

在所述第一金属接触层上制备反光金属层；

选取导电衬底层，在所述导电衬底层表面制备第二金属接触层；

在设定温度下使所述第二金属接触层和所述反光金属层接触以在所述导电衬底层和所述反光金属层之间形成键合效应，以实现在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极。

在本发明的一种实施方式中，在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件及所述白光发光组件上制备蓝光负电极、红光负电极、绿光负电极及白光负电极，包括：

使用激光器去除所述衬底(11)以暴露所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面；

分别在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面淀积电极金属；

选择性刻蚀所述电极金属以分别在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面以形成第一蓝光发光组件负电极、第一红光发光组件负电极、第一绿光发光组件负电极、第二蓝光发光组件负电极、第二红光发光组件负电极及第二绿光发光组件负电极。

本发明还提供一种led芯片，所述芯片采用以上任一种实施方式所述的方法制备而成。

本发明还提供一种led灯，包括led支架，还包括以上任一种实施方式提及的led芯片，所述led芯片装载于所述led支架上。

本发明的有益效果有：1.在单芯片能产生多种颜色的光，荧光粉的用量较少；2.集成度提高，led成本可以下降；3.色温调节更加灵活。

通过以下参考附图的详细说明，本发明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，而不是作为本发明的范围的限定，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，它们仅仅试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，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明提供的一种基于gan材料的rgbw四色光源的led芯片的制备方法流程图；

图2为在所述衬底上制备蓝光发光组件的流程示意图；

图3为本发明提供的一种第一ingan/gan多量子阱有源层结构示意图；

图4为本发明提供的第一sio2隔离壁的位置示意图；

图5为本发明提供的在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件的流程示意图；

图6为本发明提供的一种galnp/a1gainp多量子阱有源层结构示意图；

图7为本发明提供的为本发明提供的第二sio2隔离壁的位置示意图；

图8为本发明提供的在所述绿光灯芯槽中制备绿光发光组件的流程示意图；

图9为本发明提供的通过刻蚀蓝光发光组件、红光发光组件及绿光发光组件而形成的白光发光组件结构示意图；

图10为本发明提供的一种led芯片结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参见图1，图1为本发明提供的一种基于gan材料的rgbw四色光源的led芯片的制备方法流程图，该方法具体可以为：

选择衬底(11)；

在所述衬底(11)上制备蓝光发光组件，其中，所述蓝光发光组件包括gan材料；

对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成红光灯芯槽；

在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件；

对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成绿光灯芯槽；

在所述绿光灯芯槽中制备绿光发光组件；

刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光发光组件；

在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极；

在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件及所述白光发光组件上制备蓝光负电极、红光负电极、绿光负电极及白光负电极，以实现基于gan材料的rgbw四色led芯片的制备。

进一步地，在上述实施方式的基础上，请参见图2，图2为在所述衬底上制备蓝光发光组件的流程示意图，具体方法可以为：

在所述衬底(11)上制备第一gan缓冲层(101)；

在所述第一gan缓冲层(101)上制备第一gan稳定层(102)；

在所述第一gan稳定层(102)上制备第一n型gan层(103)；

在所述第一n型gan层(103)上制备第一ingan/gan多量子阱有源层(104)，所述第一ingan/gan多量子阱有源层(104)包括多个gan势垒层(104a)和多个ingan量子阱层(104b)，其中，所述gan势垒层(104a)和所述ingan量子阱层(104b)交替排布，即，所述gan势垒层(104a)和ingan量子阱层(104b)呈周期排布。在一种实施方式中，所述第一ingan/gan多量子阱有源层的周期为8～30。并且，每个所述ingan量子阱层(104b)厚度为1.5～3.5纳米，in的含量为10～20％；每个所述gan势垒层(104a)厚度为5～10纳米；优选地，ingan量子阱(104b)的制备温度为650～750℃，gan势垒(104a)的制备温度为750～850℃；in含量还可以依据光波长需求而确定，in含量越高，光波波长越长，典型地，所述第一ingan/gan多量子阱有源层的周期为20。具体地，请参见图3，图3为本发明提供的一种第一ingan/gan多量子阱有源层结构示意图。

在所述第一ingan/gan多量子阱有源层(104)上制备第一p型algan阻挡层(105)；

在所述第一p型algan阻挡层(105)上制备第一p型gan层(106)，以完成蓝光发光组件的制备。

进一步地，在上述实施方式的基础上，对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成红光灯芯槽，具体可以为：

采用pecvd工艺在所述第一p型gan层(106)上淀积厚度为300～800纳米的第一sio2层；

采用湿法刻蚀工艺在所述第一sio2层上特定位置处刻蚀至少一个矩形窗口；所述矩形窗口长度或宽度均大于50微米且小于300微米；

在所述矩形窗口范围内沿着与所述衬底(11)垂直的方向采用干法刻蚀工艺持续刻蚀所述蓝光发光组件，直至刻蚀至所述衬底(11)的上表面处以形成第一凹槽；随后，去除所述第一sio2层；

在所述第一p型gan层(106)上表面、所述衬底(11)的上表面及所述第一凹槽的侧壁沉淀厚度为20～100纳米的第二sio2层；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一p型gan层(106)上表面及所述衬底(11)的上表面的第二sio2层以在所述第一凹槽的侧壁形成第一sio2隔离壁(12)，所述第一sio2隔离壁(12)用于隔离所述蓝光发光组件与所述红光发光组件。具体地，请参见图4，图4为本发明提供的第一sio2隔离壁的位置示意图。

进一步地，在上述实施方式的基础上，请参见图5，图5为本发明提供的在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件的流程示意图，在所述红光灯芯槽中制备红光发光组件具体可以按照如下方式进行：

在所述红光灯芯槽中制备厚度为2000～3000纳米的第二gan缓冲层(401)；

在所述第二gan缓冲层(401)上制备厚度为1000～2000纳米、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型gaas缓冲层(402)；

在所述gaas缓冲层(402)上制备厚度为500～1000纳米、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的n型gaas稳定层(403)；

在所述gaas稳定层(403)上制备galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)；

所述galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)包括多个galnp势垒层(404a)和多个a1gainp势垒层(404b)，其中，所述galnp势垒层(404a)和所述a1gainp势垒层(404b)交替排布，即，所述多个galnp势垒层(404a)和所述多个a1gainp势垒层(404b)呈周期性排布，并且，每个所述a1gainp势垒层(404b)厚度为5～10纳米，al的含量为10～40％；每个所述galnp势垒层(404a)厚度为5～10纳米；具体地，请参见图6，图6为本发明提供的一种galnp/a1gainp多量子阱有源层结构示意图。

在所述galnp/a1gainp多量子阱有源层(404)上制备p型a1gainp阻挡层(405)；

在所述p型a1gainp阻挡层(405)上制备厚度为100～500纳米、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的p型gaas接触层(406)，以完成红光发光组件的制备。

进一步地，在上述实施方式的基础上，对所述蓝光发光组件进行选择性刻蚀以形成绿光灯芯槽，具体可以为：

采用pecvd工艺在所述第一p型gan层(106)上淀积厚度为300～800纳米的第三sio2层；

采用湿法刻蚀工艺在所述第三sio2层上特定位置处蚀处至少一个第二矩形窗口；所述第二矩形窗口的长度或宽度均大于50微米且小于300微米；

在所述第二矩形窗口范围内沿着与所述衬底(11)垂直的方向采用干法刻蚀工艺持续刻蚀所述蓝光发光组件，直至刻蚀至所述衬底(11)的上表面处以形成第二凹槽；随后，去除所述第三sio2层；

在所述第一p型gan层(106)上表面、所述衬底(11)的上表面及所述第二凹槽的侧壁沉淀厚度为20～100纳米的第四sio2层；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一p型gan层(106)上表面及所述衬底(11)的上表面的第四sio2层以在所述第二凹槽的侧壁形成第二sio2隔离壁(22)，所述第二sio2隔离壁(22)用于隔离所述红光发光组件与所述绿光发光组件。具体地，请参见图7，图7为本发明提供的为本发明提供的第二sio2隔离壁的位置示意图。

进一步地，在上述实施方式的基础上，请参见图8，图8为本发明提供的在所述绿光灯芯槽中制备绿光发光组件的流程示意图，在所述绿光灯芯槽中制备绿光发光组件具体可以为：

在所述绿光灯芯槽中制备厚度为3000～5000纳米的第三gan缓冲层(201)；

在所述第三gan缓冲层(201)上制备厚度为500～1500纳米的第二gan稳定层(202)；

在所述第二gan稳定层(202)上制备厚度为200～1000纳米、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的第二n型gan层(203)；

在所述第二n型gan层(203)上制备第二ingan/gan多量子阱有源层(204)；

在所述第二ingan/gan多量子阱有源层(204)上制备第二p型algan阻挡层(205)；所述第二p型algan阻挡层(205)包括多个gan势垒层(204a)和多个ingan量子阱层(204b)，其中，所述gan势垒层(204a)和所述ingan量子阱层(204b)交替排布，并且，每个所述ingan量子阱层(204b)厚度为1.5～3.5纳米，in的含量为30～40％；每个所述gan势垒层(204a)厚度为5～10纳米；

在所述第二p型algan阻挡层(205)上制备厚度为100～300纳米的第二p型gan层(206)，以完成绿光发光组件的制备。

进一步地，在上述实施方式的基础上，刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光发光组件，具体可以为：

选择性刻蚀所述蓝光发光组件、所述红光发光组件及所述绿光发光组件以形成白光隔离壁，其中，

所述白光隔离壁将所述蓝光发光组件分隔为第一蓝光发光组件和第二蓝光发光组件，将所述红光发光组件分隔为第一红光发光组件和第二红光发光组件，将所述绿光发光组件分隔为第一绿光发光组件和第二绿光发光组件，其中，

所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件及所述第一绿光发光组件分布在所述白光隔离壁的第一侧，所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件分布在所述白光隔离壁的第二侧，其中，

所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件配合使用以形成所述白光发光组件。

具体地，请参见图9，图9为本发明提供的通过刻蚀蓝光发光组件、红光发光组件及绿光发光组件而形成的白光发光组件结构示意图，图中1a、2a和3a分别代表所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件及所述第一绿光发光组件，图中1b、2b和3b分别代表所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件。

进一步地，在上述实施方式的基础上，在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极，具体可以为：

在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件上表面制备第一金属接触层；

在所述第一金属接触层上制备反光金属层；

选取导电衬底层，在所述导电衬底层表面制备第二金属接触层；

在设定温度下使所述第二金属接触层和所述反光金属层接触以在所述导电衬底层和所述反光金属层之间形成键合效应，以实现在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件和所述白光发光组件上制备公共正电极。具体地，在一种实施方式中，所述第一金属接触层就可以作为所述公共正电极。

进一步地，在上述实施方式的基础上，在所述蓝光发光组件、所述红光发光组件、所述绿光发光组件及所述白光发光组件上制备蓝光负电极、红光负电极、绿光负电极及白光负电极，具体可以为：

使用激光器去除所述衬底(11)以暴露所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面；

分别在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面淀积电极金属；

选择性刻蚀所述电极金属以分别在所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件下表面以形成第一蓝光发光组件负电极、第一红光发光组件负电极、第一绿光发光组件负电极、第二蓝光发光组件负电极、第二红光发光组件负电极及第二绿光发光组件负电极。

具体地，通过公共正电极和各个负电极，可实现在外界驱动电压下所述第一蓝光发光组件、所述第一红光发光组件、所述第一绿光发光组件、所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件独立发光，所述第二蓝光发光组件、所述第二红光发光组件及所述第二绿光发光组件配合使用可形成白光，进而在单个芯片上实现rgbw四色一体化控制。

本发明还提供一种led芯片，所述芯片采用以上任一种实施方式提及的方法制备而成。在一种实施方式中，请参见图10，图10为本发明提供的一种led芯片结构示意图，该芯片采用以上任一种实施方式制备而成，例如，在图10中，第一蓝光发光组件包括1011层、1021层、1031层、1041层、1051层和1061层，第二蓝光发光组件包括1012层、1022层、1032层、1042、1052层和1062层；第一红光发光组件包括4011层、4021层、4031层、4041层、4051层和4061层，第二红光发光组件包括4012层、4022层、4032层、4042、4052层和4062层；第一绿光发光组件包括2011层、2021层、2031层、2041层、2051层和2061层，第二绿光发光组件包括2012层、2022层、2032层、2042、2052层和2062层；第二蓝光发光组件、第二红光发光组件及第二绿光发光组件被白光隔离壁隔离，用于合成白光。具体各层的材料和制备方法可参见以上任一实施例提及的材料和方法，例如，1011层及1012层的材料和制备工艺可参见第一gan缓冲层(101)的材料和制备工艺，其余各层的材料和制备工艺本领域技术人员很容易依次类推，在此不做赘述。

本发明还提供一种led灯，包括led支架，还包括以上任一种实施方式提及的led芯片，所述led芯片装载于所述led支架上。

与现有技术相比，本发明提供的基于gan材料的rgbw四色光源的led芯片及其制备方法具有以下有益效果：

1.在单芯片能产生多种颜色的光，荧光粉的用量较少；

2.集成度提高，led成本可以下降；

3.色温调节更加灵活。

综上，本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。