基于GaN材料的RGBY四色LED的制作方法

本发明属于半导体工艺，具体涉及一种基于GaN材料的RGBY四色LED。

背景技术：

2015年中国家电博览会中，夏普推出的RGBY四色技术一直是其独有的优势，其在之前R、G、B三原色的技术上加入了Y(黄色)像素，大大增加了液晶电视的色彩表现能力。这次夏普将RGBY技术融入到自己的4K电视产品中，不但增加了液晶电视的色彩显示范围，而且还能够让画面更加清晰。

对于LED显示器来说，其同样需要通过增加Y像素来扩展其色域空间，但现有RGBY LED通过采用将红色、绿色、蓝色、黄色芯片封装在一个颗像素中以实现宽色域的色彩显示。但是，由于采用封装工艺会带来体积较大，集成度差，可靠性差等一系列问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于GAN材料的RGBY四色LED。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于GaN材料的RGBY四色LED，包括：蓝色发光材料、红色发光材料、绿色发光材料及黄色发光材料、隔离层、键合层、上电极及下电极；其中，

所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料均包括GaN材料且通过所述隔离层彼此绝缘；

所述键合层设置于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料下方，且所述下电极设置于所述键合层下方，所述上电极位于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料上方。

在本发明的一个实施例中，所述蓝色发光材料包括依次层叠设置的第一GaN缓冲层、第一GaN稳定层、第一N型GaN层、第一InGaN/GaN多量子阱层、第一P型AlGaN阻挡层及第一P型GaN层。

在本发明的一个实施例中，所述第一InGaN/GaN多量子阱层包括相互层叠设置第一GaN量子阱层和第一InGaN量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，所述红光材料包括依次层叠设置的第二GaN缓冲层、N型GaAs缓冲层、N型GaAs稳定层、GalnP/A1GaInP多量子阱层、P型A1GaInP阻挡层及P型GaAs层。

在本发明的一个实施例中，所述GalnP/A1GaInP多量子阱层包括相互层叠设置GalnP量子阱层和A1GaInP量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，所述绿色发光材料包括依次层叠设置的第三GaN缓冲层、第二GaN稳定层、第二N型GaN层、第二InGaN/GaN多量子阱层、第二P型AlGaN阻挡层及第二P型GaN层。

在本发明的一个实施例中，第二InGaN/GaN多量子阱层包括相互层叠设置第二GaN量子阱层和第二InGaN量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，所述键合层包括依次设置于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料下方的电极层、第一金属层、第二金属层及金属板材。

在本发明的一个实施例中，所述黄色发光材料由所述红色发光材料和所述绿色发光材料构成，且所述红色发光材料和所述绿色发光材料之间包括所述隔离层。

本发明的基于GaN材料的RGBY四色LED成本低，发光效率高、集成度高体积小。另外，本发明的垂直结构由红、绿两种颜色形成黄色发光材料，在扩展了LED的色域范围的同时进一步减低成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于GaN材料的RGBY四色LED的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的蓝色发光材料的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的第一InGaN/GaN多量子阱结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的红光凹槽的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的红色发光材料的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的GalnP/A1GaInP多量子阱结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的绿光凹槽的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的绿色发光材料的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种第二InGaN/GaN多量子阱的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种垂直型双色LED芯片的键合层的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的俯视截面结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种基于GaN材料的RGBY四色LED的侧视截面结构示意图。

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基于GaN材料的RGBY四色LED的结构示意图。该R(红)G(绿)B(蓝)Y(黄)四色LED可以应用各种显示器或者户外楼宇景观系统的显示元件中，也可以应用于特效景灯的显示元件中。具体地，该LED可以包括：蓝色发光材料、红色发光材料、绿色发光材料及黄色发光材料、隔离层、键合层、上电极及下电极；其中，

所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料均包括GaN材料且通过所述隔离层彼此绝缘；

所述键合层设置于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料下方，且所述下电极设置于所述键合层下方，所述上电极位于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料上方。

其中，所述蓝色发光材料包括依次层叠设置的第一GaN缓冲层、第一GaN稳定层、第一N型GaN层、第一InGaN/GaN多量子阱层、第一P型AlGaN阻挡层及第一P型GaN层。

其中，所述第一InGaN/GaN多量子阱层包括相互层叠设置第一GaN量子阱层和第一InGaN量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

其中，所述红光材料包括依次层叠设置的第二GaN缓冲层、N型GaAs缓冲层、N型GaAs稳定层、GalnP/A1GaInP多量子阱层、P型A1GaInP阻挡层及P型GaAs层。

其中，所述GalnP/A1GaInP多量子阱层包括相互层叠设置GalnP量子阱层和A1GaInP量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

其中，所述绿色发光材料包括依次层叠设置的第三GaN缓冲层、第二GaN稳定层、第二N型GaN层、第二InGaN/GaN多量子阱层、第二P型AlGaN阻挡层及第二P型GaN层。

其中，第二InGaN/GaN多量子阱层包括相互层叠设置第二GaN量子阱层和第二InGaN量子阱层；其中，层叠周期为8～30。

其中，所述键合层包括依次设置于所述蓝色发光材料、所述红色发光材料、所述绿色发光材料及所述黄色发光材料下方的电极层、第一金属层、第二金属层及金属板材。

其中，所述黄色发光材料由所述红色发光材料和所述绿色发光材料构成，且所述红色发光材料和所述绿色发光材料之间包括所述隔离层。

本发明实施例的基于GaN材料的RGBY四色LED成本低，发光效率高、集成度高体积小。另外，本发明的垂直结构由红、绿两种颜色形成黄色发光材料，在扩展了LED的色域范围的同时进一步减低成本。

实施例二

请一并参见图2至图11，图2为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的蓝色发光材料的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的第一InGaN/GaN多量子阱结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的红光凹槽的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的红色发光材料的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的GalnP/A1GaInP多量子阱结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的绿光凹槽的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的绿色发光材料的结构示意图；图9为本发明实施例提供的一种第二InGaN/GaN多量子阱的结构示意图；图10为本发明实施例提供的一种垂直型双色LED芯片的键合层的结构示意图；图11为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的俯视截面结构示意图；图12为本发明实施例提供的一种基于GAN材料的RGBY四色LED的侧视截面结构示意图。

本实施例在上述实施例的基础上，重点对基于GAN材料的RGBY四色LED的制备工艺进行详细描述。具体地，该制备工艺包括如下步骤：

S01：生长蓝色发光材料。

S011：选取SiC衬底11，衬底11的材料可以为蓝宝石或者SiC。在衬底11上生长厚度为3000-5000nm的蓝光GaN缓冲层101，生长温度为400-600℃；

优选地，生长温度为500℃，蓝光GaN缓冲层101的厚度为4000nm。

S012：升温至900-1050℃，在蓝光GaN缓冲层101上生长厚度为500nm-1500nm的蓝光GaN稳定层102；

优选地，蓝光GaN稳定层102的生长温度为1000℃，生长厚度为1000nm。

S013：保持温度不变，在蓝光GaN稳定层102上生长200-1000nm掺Si的蓝光n型GaN层103，掺杂浓度为1×10¹⁸-5×10¹⁹cm^-3；

优选地，蓝光n型GaN层103的生长温度为1000℃，蓝光n型GaN层103的厚度为400nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

S014：在蓝光n型GaN层103上生长蓝光InGaN/GaN多量子阱结构作为蓝光有源层104，其中：蓝光InGaN量子阱104b的生长温度为650-750℃，蓝光GaN势垒104a的生长温度为750-850℃；蓝光InGaN/GaN多量子阱周期为8-30，蓝光InGaN量子阱104b厚度为1.5-3.5nm，其中In的含量约为10-20％；蓝光GaN势垒104a厚度均为5-10nm；

优选地，蓝光InGaN量子阱104b的生长温度为750℃，蓝光GaN势垒104a的生长温度为850℃，蓝光InGaN量子阱104b的厚度为2.8nm，蓝光GaN势垒104a的厚度为5nm，蓝光InGaN/GaN多量子阱周期为20。

其中，In含量依据光波长定，含量越高光波波长越长。

S015：升温至850-950℃，在蓝光InGaN/GaN多量子阱结构上生长10-40nm蓝光p型AlGaN阻挡层105。

优选地，蓝光p型AlGaN阻挡层105的生长温度为900℃，其厚度为20nm。

S016：在所述蓝光p型AlGaN阻挡层105上生长100-300nm的蓝光p型GaN层106，作为接触用。

优选地，蓝光p型AlGaN阻挡层105生长温度为900℃，其厚度为200nm。

S02：在所述蓝色发光材料上制备依次隔离的红光凹槽。

S021：在蓝光p型GaN层106表面用PECVD方法淀积第一SiO₂层，厚度为300-800nm；

优选地，所述第一SiO₂层的厚度为500nm。

S022：在所述第一SiO₂层上用湿法刻蚀工艺刻蚀多个红光灯芯窗口，多个红光灯芯窗口之间为依次等间距间隔且设置于同一直线上。

优选地，所述红光凹槽窗口为矩形，多个红光灯芯窗口之间的间隔距离等于矩形的长；

优选地，矩形的长和宽均大于50微米，小于300微米。

优选地，矩形的长和宽相等为100微米。

S023：用干法刻蚀红光凹槽窗口下材料，一直刻蚀到SiC衬底11以形成绿光凹槽；

S024：去掉剩余的第一SiO₂层；

S025：在第一SiO₂层上淀积第二SiO₂层，第二SiO₂层厚度为20-100nm；

优选地，第二SiO₂层厚度为50nm。

S026：用干法刻蚀表面第二SiO₂层，在红光灯芯槽四周形成第一SiO₂隔离层12。

S03：在所述第一红光凹槽内制备红色发光材料。

S031：在红光凹槽中，生长红光GaN缓冲层201，厚度2000-3000nm。

优选地，所述红光GaN缓冲层201的厚度为2500nm。

S032：在所述红光GaN缓冲层201上生长红光n型GaAs缓冲层202，厚度1000-2000nm，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3；

优选地，红光n型GaAs缓冲层202厚度为1500nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

S033：生长红光n型GaAs稳定层203，500nm-1000nm的，掺杂浓度为1×10¹⁸-5×10¹⁹cm^-3；

优选地，红光n型GaAs稳定层203的厚度为200nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

S034：在红光n型GaAs稳定层203上生长红光GalnP/A1GaInP多量子阱结构作为红光有源层204，量子阱周期为8-30，红光GalnP量子阱厚度为2-10nm，红光A1GaInP势垒204b厚度为5-10nm；其中Al的含量约为10-40％；

优选地，红光GalnP量子阱厚度为7nm，红光A1GaInP势垒204b的厚度为7nm，Al含量依据光波长定，含量越高光波波长越长，周期20。

S035：生长红光p型A1GaInP阻挡层205，其中Al的含量大于30％，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度为10-500nm。

优选地，红光p型A1GaInP阻挡层205中Al的含量为40％，红光p型A1GaInP阻挡层205厚度为100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

S036：在红光p型A1GaInP阻挡层205上生长红光p型GaAs层作为红光接触层206，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度为100-500nm。

优选地，红光接触层206中，厚度为150nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

S04：在所述蓝色发光材料上且在所述红色发光材料之间制备绿光凹槽。

S041：在蓝光p型GaN层106表面用PECVD方法淀积第三SiO₂层，厚度为300-800nm；

优选地，所述第三SiO₂层的厚度为500nm。

S042：在所述第三SiO₂层上用湿法刻蚀工艺刻蚀多个绿光凹槽窗口，绿光凹槽窗口与红光凹槽窗口的大小相同，且位于所述红光凹槽窗口之间。

优选地，所述绿光凹槽窗口为矩形，多个绿光凹槽窗口之间与所述红光凹槽窗口之间为交错布置；

优选地，矩形的长和宽均大于50微米，小于300微米。

优选地，矩形的长和宽相等为100微米。

S043：用干法刻蚀绿光凹槽窗口下材料，一直刻蚀到SiC衬底11上；

S044：去掉剩余的第三SiO₂层；

S045：在第三SiO₂层上淀积第四SiO₂层，第四SiO₂层厚度为20-100nm；

优选地，第四SiO₂层厚度为50nm。

S046：用干法刻蚀表面第四SiO₂层，在绿光凹槽四周形成第SiO₂隔离层12。

S05：在所述第一绿光凹槽内制备绿色发光材料。

S051：在绿光凹槽中，生长厚度为3000-5000nm的绿光GaN缓冲层301，生长温度为400-600℃；

优选地，绿光GaN缓冲层301生长温度为500℃，厚度为4000nm。

S052：升温至900-1050℃，在绿光GaN缓冲层301上生长厚度为500nm-1500nm的绿光GaN稳定层302；

优选地，绿光GaN稳定层302生长温度为1000℃，厚度为1000nm。

S053：温度不变，在绿光GaN稳定层302上生长200-1000nm掺Si的绿光n型GaN层303，掺杂浓度为1×10¹⁸-5×10¹⁹cm^-3；

优选地，绿光n型GaN层303的生长温度为1000℃，厚度为400nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

S054：在绿光n型GaN层303上生长绿光InGaN/GaN多量子阱结构作为绿光有源层304，其中绿光InGaN量子阱304b的生长温度为650-750℃，绿光GaN势垒304a的生长温度为750-850℃；量子阱周期为8-30，绿光InGaN量子阱304b厚度为1.5-3.5nm，其中In的含量约为30-40％；绿光GaN势垒厚度均为5-10nm。

优选地，绿光InGaN量子阱304b生长温度为750℃，绿光GaN势垒304a生长温度为850℃、绿光InGaN量子阱304b厚度为2.8nm，绿光GaN势垒304a厚度为5nm，In含量依据光波长定，含量越高光波波长越长，量子阱周期为20。

S055：升温至850-950℃，绿光InGaN/GaN多量子阱结构上生长10-40nm的绿光p型AlGaN阻挡层305。

优选地，绿光p型AlGaN阻挡层305的生长温度为900℃、绿光p型AlGaN阻挡层305的厚度为20nm。

S056：在绿光p型AlGaN阻挡层305上生长100-300nm的绿光p型GaN层306，作为接触用。

优选地，绿光p型GaN层306的生长温度为850℃，厚度为200nm。

其中，对于绿光发光材料和红色发光材料，可以选择相邻的两个来制备成黄色发光材料。

S06：在蓝色发光材料、绿光发光材料、红色发光材料及由绿光发光材料和红色发光材料形成的黄色发光材料上制备键合层。

S061：在蓝色发光材料、绿光发光材料、红色发光材料及黄色发光材料表面采用溅射或者蒸发的方法制备电极层1020，材料为Ni、或者Au、或者Ni/Au及其与其它金属的合金，形成电极，厚度为100nm-1000nm；

S062：在所述电极层1020上制备第一金属层1021；在电极层表面，采用溅射或者蒸发的方法制备一层Ni、或者Pb、或者Ni/Pb合金、或者Al(铝)等反光性好的金属或金属合金制备第一金属层1021，厚度为300nm-1500nm；

S063：选取金属板材1030并在所述金属板材上制备第二金属层1022；选取一个重掺杂Si片、或者铝板、铜板作为金属板材1030，采用溅射或者蒸发的方法制备第二金属层1022，第二金属层1022的材料与第一金属层1021的材料相同，厚度为500nm-2500nm；

S064：将第一金属层1021与第二金属层1022进行键合形成键合层。将第一金属层1021与第二金属层1022紧贴在一起，在300--500℃的环境中，放置15--120分钟，实现第一金属层1021与第二金属层1022的键合，形成包括电极层1020、第一金属层1021、第二金属层1022、金属板材1030的键合层。

S07：去除所述衬底11并制备上电极51；包括：

S071：用准分子激光器去除衬底11，将蓝光GaN缓冲层101、红光GaN缓冲层201、绿光GaN缓冲层301暴露出来；

S072：在暴露的蓝光GaN缓冲层101、红光GaN缓冲层201、绿光GaN缓冲层301上利用光刻技术进行表面粗化；

S073：在粗糙的蓝光GaN缓冲层101上制备N型电极即上电极51。

S08：在所述键合层底部制备下电极。包括：

S081：在键合层背面采用溅射或者蒸发的方法制备一层金属Al、或者Ni、或者其它导电性好的第三金属层；

S082：对第三金属进行刻蚀，形成背面电极即下电极52并进行划片以形成基于GAN材料的RGBY四色LED。

本实施例，基于GAN材料的RGBY四色LED包括一个蓝色发光材料、两个绿色发光材料和红色发光材料，隔离层实现蓝色发光材料、绿色发光材料和红色发光材料的完全的电学隔离，每个颜色的光强通过改变电流大小单独控制。因此，本发明实施例LED的制备方法将蓝色发光材料、绿色发光材料和红色发光材料制作在相同衬底之上，通过隔离层实现完全的电学隔离，工艺简单，且制备的双色LED芯片散热型好，可单独控制各颜色的灯芯材料，光强大，颜色调节灵活，集成度高。

另外，本发明还提供了一种基于GaN材料的RGBY LED，其可以由上述实施例的制备方法形成，其具有的有益效果与上述实施例的效果类似，此处不再赘述。

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。