基于GaN材料的垂直结构LED芯片及其制备方法与流程

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材料的垂直结构led芯片及其制备方法。

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。

技术实现要素：

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材料的垂直结构led芯片。

本发明的一个实施例提供了一种基于gan材料的垂直结构led芯片的制备方法，包括：

(a)选取蓝宝石衬底；

(b)在所述蓝宝石衬底上制作蓝光外延层；

(c)在所述蓝光外延层中分别制作红光外延层与绿光外延层；

(d)在所述蓝光外延层、所述红光外延层及所述绿光外延层上表面制作第一电极；

(e)在所述第一电极表面制作反光层；

(f)在所述反光层表面键合导电衬底；

(g)去除所述蓝宝石衬底，在所述蓝光外延层、所述红光外延层及所述绿光外延层下表面制作第二电极。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)在所述蓝宝石衬底上生长厚度为3000～5000nm的n型gan材料作为第一缓冲层；

(b2)在所述第一缓冲层上生长厚度为500～1500nm的n型gan材料作为第一稳定层；

(b3)在所述第一稳定层上生长厚度为200～1000nm的n型gan材料作为第一过渡层；

(b4)在所述第一过渡层上生长由第一ingan量子阱和第一gan势垒形成的第一多重结构作为第一有源层；其中，第一ingan量子阱中in含量为10～20％；

(b5)在所述第一有源层上生长厚度为10～40nm的p型algan材料作为第一阻挡层；

(b6)在所述第一阻挡层上生长厚度为100～300nm的p型gan材料作为第一接触层。

在本发明的一个实施例中，所述第一多重结构中第一ingan量子阱和第一gan势垒交替层叠的周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：

(c11)在第一指定区域依次刻蚀所述第一接触层、所述第一阻挡层、所述第一有源层、所述第一过渡层、所述第一稳定层及所述第一缓冲层，在所述蓝光外延层中形成第一凹槽，在所述第一凹槽四周淀积隔离层以形成红光灯芯槽；

(c12)在所述红光灯芯槽中生长厚度为2000～3000nm的n型gan材料作为第二缓冲层；

(c13)在所述第二缓冲层上生长厚度为1000～2000nm的n型gaas材料作为第二稳定层；

(c14)在所述第二稳定层上生长厚度为500～1000nm的n型gaas材料作为第二过渡层；

(c15)在所述第二过渡层上生长由galnp量子阱和a1gainp势垒形成的第二多重结构作为第二有源层；其中，a1gainp势垒中a1含量为10～40％；

(c16)在所述第二有源层上生长厚度为10～500nm的p型a1gainp材料作为第二阻挡层；

(c17)在所述第二阻挡层上生长厚度为100～500nm的p型gaas材料作为第二接触层。

在本发明的一个实施例中，所述第二多重结构中galnp量子阱和a1gainp势垒交替层叠的周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)还包括：

(c21)在第二指定区域依次刻蚀所述第一接触层、所述第一阻挡层、所述第一有源层、所述第一过渡层、所述第一稳定层及所述第一缓冲层，在所述蓝光外延层中形成第二凹槽，在所述第二凹槽四周淀积隔离层以形成绿光灯芯槽；

(c22)在所述红光灯芯槽中生长厚度为3000～5000nm的n型gan材料作为第三缓冲层；

(c23)在所述第三缓冲层上生长厚度为500～1500nm的n型gan材料作为第三稳定层；

(c24)在所述第三稳定层上生长厚度为200～1000nm的n型gan材料作为第三过渡层；

(c25)在所述第三过渡层上生长由第二ingan量子阱和第二gan势垒形成的第三多重结构作为第三有源层；其中，第二ingan量子阱中in含量为20～30％；

(c26)在所述第三有源层上生长厚度为10～40nm的p型algan材料作为第三阻挡层；

(c27)在所述第三阻挡层上生长厚度为100～300nm的p型gan层材料作为第三接触层。

在本发明的一个实施例中，所述第三多重结构中所述第二ingan量子阱和第二gan势垒交替层叠的周期为8～30。

在本发明的一个实施例中，所述反光层为ni、pb、ni/pb合金或者al材料。

在本发明的一个实施例中，所述导电衬底为为导电硅片、铜板或者铝板。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种于gan材料的垂直结构led芯片，该led芯片包括：导电衬底、反光层、第一电极、蓝光外延层、红光外延层、绿光外延层、第二电极、钝化层及隔离层；其中，所述led芯片由上述任一项所述的方法制备形成。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1.通过在单芯片产生红绿蓝三种颜色的光，可以减少荧光粉的用量；

2.通过将红绿蓝三种颜色的发光材料集成在同一芯片上，提高了芯片的集成度，可以降低led的成本；

3.通过将红绿蓝三种颜色的发光材料集成在同一芯片上，可以灵活地调节色温。

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材料的垂直结构led芯片的制备方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图；

图3a～图3i为本发明实施例的一种基于gan材料的垂直结构led芯片的制备方法示意图；

图4为本发明实施例的一种基于gan材料的垂直结构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材料的垂直结构led芯片的制备方法流程图，该制备方法包括：

(a)选取蓝宝石衬底；

(b)在所述蓝宝石衬底上制作蓝光外延层；

(c)在所述蓝光外延层中分别制作红光外延层与绿光外延层；

(d)在所述蓝光外延层、所述红光外延层及所述绿光外延层上表面制作第一电极；

(e)在所述第一电极表面制作反光层；

(f)在所述反光层表面键合导电衬底；

(g)去除所述蓝宝石衬底，在所述蓝光外延层、所述红光外延层及所述绿光外延层下表面制作第二电极。

其中，蓝宝石衬底的晶面为(0001)。

对于步骤(b)，可以包括：

(b1)在400～600℃温度下，在所述蓝宝石衬底上生长厚度为3000～5000nm的n型gan材料作为第一缓冲层；其中，第一缓冲层的生长温度优选为500℃、厚度优选为4000nm；

(b2)在900～1050℃温度下，在所述第一缓冲层上生长厚度为500nm～1500nm的n型gan材料作为第一稳定层；其中，第一稳定层的生长温度优选为1000℃、厚度优选为1000nm；

(b3)在900～1050℃温度下，在所述第一稳定层上生长厚度为200～1000nm、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的n型gan材料作为第一过渡层；其中，第一过渡层的生长温度优选为1000℃、厚度优选为400nm、掺杂浓度优选为1×10¹⁹cm^-3；

(b4)在所述第一过渡层上生长由第一ingan量子阱和第一gan势垒形成的第一多重结构作为第一有源层，第一ingan量子阱中in含量为10～20％；第一ingan量子阱的生长温度为650～750℃，优选为750℃，厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第一gan势垒的生长温度为750～850℃，优选为850℃，厚度为5～10nm，优选为5nm；进一步地，所述第一多重结构中第一ingan量子阱和第一gan势垒交替层叠的周期为8～30，优选为20；具体地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种第一有源层的结构示意图，图中x表示第一ingan量子阱、y表示第一gan势垒。

(b5)在850～950℃温度下，在所述第一有源层上生长厚度为10～40nm的p型algan材料作为第一阻挡层；其中，第一阻挡层的生长温度优选为900℃、厚度优选为20nm；

(b6)在850～950℃温度下，在所述第一阻挡层上生长厚度为100～300nm的p型gan层材料作为第一接触层；其中，第一接触层的生长温度优选为900℃、厚度优选为200nm。

其中，在步骤(b)中，包括第一缓冲层、第一稳定层、第一过渡层、第一有源层、第一阻挡层及第一接触层的蓝光外延层形成蓝光led结构。

对于步骤(c)，可以包括：

(c11)在第一指定区域依次刻蚀所述第一接触层、所述第一阻挡层、所述第一有源层、所述第一过渡层、所述第一稳定层及所述第一缓冲层，在所述蓝光外延层中形成第一凹槽，在所述第一凹槽四周淀积隔离层以形成红光灯芯槽；

(c12)在所述红光灯芯槽中生长厚度为2000～3000nm的n型gan材料作为第二缓冲层；其中，第二缓冲层的厚度优选为2500nm，

(c13)在所述第二缓冲层上生长厚度为1000～2000nm、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型gaas材料作为第二稳定层；其中，第二稳定层的厚度优选为1500nm、掺杂浓度优选为5×10¹⁷cm^-3；

(c14)在所述第二稳定层上生长厚度为500～1000nm、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^～3n型gaas材料作为第二过渡层；其中，第二过渡层的厚度优选为700nm、掺杂浓度优选为1×10¹⁹cm^-3；

(c15)在所述第二过渡层上生长由galnp量子阱和a1gainp势垒形成的第二多重结构作为第二有源层，a1gainp势垒中a1含量为10～40％(al含量依据光波长而定，含量越高光波长越长)；galnp量子阱的厚度为2～10nm，优选为7nm；a1gainp势垒的厚度为5～10nm，优选为7nm；进一步地，所述第二多重结构中galnp量子阱和a1gainp势垒交替层叠的周期为8～30，优选为20；第二有源层的结构与第一有源层的结构相似，可以参照图2；

(c16)在所述第二有源层上生长厚度为10～500nm、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的p型a1gainp材料作为第二阻挡层；其中，第二阻挡层的厚度优选为100nm，掺杂浓度优选为1×10¹⁸cm^-3；

(c17)在所述第二阻挡层上生长厚度为100～500nm、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的p型gaas材料作为第二接触层；其中，第二接触层的厚度优选为150nm，掺杂浓度优选为1×10¹⁸cm^-3。

其中，在步骤(c11)～步骤(c17)中，包括第二缓冲层、第二稳定层、第二过渡层、第二有源层、第二阻挡层及第二接触层的红光外延层形成红光led结构。

进一步地，步骤(c)还包括：

(c21)在第二指定区域依次刻蚀所述第一接触层、所述第一阻挡层、所述第一有源层、所述第一过渡层、所述第一稳定层及所述第一缓冲层，在所述蓝光外延层中形成第二凹槽，在所述第二凹槽四周淀积隔离层以形成绿光灯芯槽；

(c22)在400～600℃温度下，在所述绿光灯芯槽中生长厚度为3000～5000nm的n型gan材料作为第三缓冲层；其中，第三缓冲层的生长温度优选为500℃、厚度优选为4000nm；

(c23)在900～1050℃温度下，在所述第三缓冲层上生长厚度为500nm～1500nm的n型gan材料作为第三稳定层；其中，第三稳定层的生长温度优选为1000℃、厚度优选为1000nm；

(c24)在900～1050℃温度下，在所述第三稳定层上生长厚度为200～1000nm、掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的n型gan材料作为第三过渡层；其中，第三过渡层的生长温度优选为1000℃、厚度优选为400nm、掺杂浓度优选为1×10¹⁹cm^-3；

(c25)在所述第一过渡层上生长由第二ingan量子阱和第二gan势垒形成的第三多重结构作为第三有源层，第二ingan量子阱中in含量为20～30％；第二ingan量子阱的生长温度为650～750℃，优选为750℃，厚度为1.5～3.5nm，优选为2.8nm；第二gan势垒的生长温度为750～850℃，优选为850℃，厚度为5～10nm，优选为5nm；进一步地，所述第三多重结构中第二ingan量子阱和第二gan势垒交替层叠的周期为8～30，优选为20；第三有源层的结构与第一有源层的结构相似，可以参照图2；

(c26)在850～950℃温度下，在所述第三有源层上生长厚度为10～40nm的p型algan材料作为第三阻挡层；其中，第三阻挡层的生长温度优选为900℃、厚度优选为20nm；

(c27)在850～950℃温度下，在所述第三阻挡层上生长厚度为100～300nm的p型gan层材料作为第三接触层；其中，第三接触层的生长温度优选为900℃、厚度优选为200nm。

其中，在步骤(c21)～步骤(c27)中，包括第三缓冲层、第三稳定层、第三过渡层、第三有源层、第三阻挡层及第三接触层的绿光外延层形成绿光led结构。

对于步骤(d)，可以包括：

在所述第一接触层、第二接触层、第三接触层表面淀积厚度为100～1000nm的第一金属层作为第一电极；该第一金属层优选为ni、au、或者ni/au合金等材料，上述材料与半导体材料的接触势垒较小，易于形成欧姆接触，从而可以减小接触电阻。该第一电极作为蓝光led、红光led及绿光led共连的阳极。

对于步骤(e)，可以包括：

在所述第一电极表面淀积厚度为300～1500nm的第二金属层作为反光层；该第二金属层优选为ni、pb、ni/pb合金或者al等反光性好的材料。

对于步骤(f)，可以包括：

(f1)选取导电衬底；其中，该导电衬底优选为铜板、铝板或者重掺杂的硅片；

(f2)在所述导电衬底表面淀积厚度为500～2500nm的第三金属层，在300～～500℃温度下，将第二金属层与第三金属层紧贴在一起，放置15～120min，以实现导电衬底与反光层的键合；其中，该第三金属层优选为与第二金属层相同的材料，以使导电衬底与反光层的键合效果更佳。

对于步骤(g)，可以包括：

(g1)利用准分子激光器去除所述蓝宝石衬底，露出第一缓冲层、第二缓冲层及第三缓冲层；

(g2)在第一缓冲层、第二缓冲层及第三缓冲层下表面淀积厚度为300～800nm的二氧化硅材料作为钝化层，选择性刻蚀所述钝化层，以分别在所述第一缓冲层、第二缓冲层及第三缓冲层下表面形成电极孔；

(g3)在所述电极孔中淀积第四金属层以分别作为蓝光外延层、所述红光外延层及所述绿光外延层的第二电极。该第二电极分别作为蓝光led、红光led及绿光led的阴极。

在实际应用中，led芯片中蓝光led、红光led及绿光led的数量可以根据需要而定。

本实施例提供的基于gan材料的垂直结构led芯片的制备方法，通过在单芯片集成多种颜色的led，一方面在后续进行封装时可以减少荧光粉的用量，另一方面该芯片集成度提高，降低了led的成本，再一方面该方式色温调节更加灵活。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上举例对本方案的实现方式进行说明。

请参照图3a～图3i，图3a～图3i为本发明实施例的一种基于gan材料的垂直结构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500，如图3a所示。

第2步、在500℃温度下，在所述蓝宝石衬底500上表面生长厚度为4000nm的n型gan材料作为第一缓冲层501；在1000℃温度下，在所述第一缓冲层501上表面生长厚度为1000nm的n型gan材料作为第一稳定层502；在1000℃温度下，在所述第一稳定层502上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n型gan材料作为第一过渡层503；在所述第一过渡层503上表面生长由第一ingan量子阱和第一gan势垒形成的第一多重结构作为第一有源层504，第一ingan量子阱中in含量为15％；其中，所述第一ingan量子阱的生长温度为750℃，厚度为2.8nm；所述第一gan势垒的生长温度为850℃、厚度为5nm；所述第一ingan量子阱和第一gan势垒交替层叠的周期为20；在400℃温度下，在所述第一有源层504上表面生长厚度为20nm的p型algan材料作为第一阻挡层505；在400℃温度下，在所述第一阻挡层505上表面生长厚度为200nm的p型gan材料作为第一接触层506，如图3b所示，其中，第一缓冲层501、第一稳定层502、第一过渡层503、第一有源层504、第一阻挡层505及第一接触层506形成蓝光led结构。

第3步、在所述第一p型gan接触层506上表面淀积厚度为500nm的第一二氧化硅层；利用湿法刻蚀工艺，择性刻蚀所述第一二氧化硅层，在所述第一二氧化硅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接触层506、所述第一阻挡层505、所述第一有源层504、所述第一过渡层503、所述第一稳定层502及所述第一缓冲层501，形成第一凹槽；在所述第一凹槽四周淀积二氧化硅材料作为隔离层600，所述二氧化硅隔离层内部区域作为所述红光灯芯槽，如图3c所示。

第4步、在所述红光灯芯槽底部生长厚度为2500nm的n型gan材料作为第二缓冲层601；在所述第二缓冲层601上表面生长厚度为1500nm、掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3的n型gan材料作为第二稳定层602；在所述第二稳定层602上表面生长厚度为厚度为700nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n型gan材料作为第二过渡层603；在所述第二过渡层603上表面生长由galnp量子阱和a1gainp势垒形成的第二多重结构作为第二有源层604；其中，galnp量子阱的厚度为7nm；a1gainp势垒的厚度为7nm；所述第二多重结构中galnp量子阱和a1gainp势垒交替层叠的周期为20；在所述第二有源层604上表面生长厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型algan材料作为第二阻挡层605；在所述第二阻挡层605上表面生长厚度为150nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型gaas材料作为第二接触层606，如图3d所示，其中，第二缓冲层601、第二稳定层602、第二过渡层603、第二有源层604、第二阻挡层605及第二接触层606形成红光led结构。

第5步、选择性刻蚀第一二氧化硅层，在所述第一二氧化硅层上形成第二待刻蚀区域；利用干法刻蚀工艺，在所述第二待刻蚀区域刻蚀所述第一接触层506、所述第一阻挡层505、所述第一有源层504、所述第一过渡层503、所述第一稳定层502及所述第一缓冲层501，形成第二凹槽；去除所述第一二氧化硅层，并在所述第二凹槽四周淀积二氧化硅材料作为隔离层600，所述第二凹槽内部区域作为所述绿光灯芯槽，如图3e所示。

第6步、在700℃温度下，在所述蓝宝石衬底700上表面生长厚度为4000nm的n型gan材料作为第三缓冲层701；在1000℃温度下，在所述第三缓冲层701上表面生长厚度为1000nm的n型gan材料作为第三稳定层702；在1000℃温度下，在所述第三稳定层702上表面生长厚度为400nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n型gan材料作为第三过渡层703；在所述第三过渡层703上表面生长由第二ingan量子阱和第二gan势垒形成的第三多重结构作为第三有源层704，第二ingan量子阱中in含量为25％；其中，所述第二ingan量子阱的生长温度为770℃，厚度为2.8nm；所述第二gan势垒的生长温度为870℃、厚度为5nm；所述第二ingan量子阱和第二gan势垒交替层叠的周期为20；在400℃温度下，在所述第三有源层704上表面生长厚度为20nm的p型algan材料作为第三阻挡层705；在400℃温度下，在所述第三阻挡层705上表面生长厚度为200nm的p型gan材料作为第三接触层706，如图3f所示，其中，第三缓冲层701、第三稳定层702、第三过渡层703、第三有源层704、第三阻挡层705及第三接触层706形成绿光led结构。

第7步、利用溅射工艺，在所述第一接触层506、第二接触层606及第三接触层706表面生长厚度为300nm的ni材料作为第一电极801；在所述第一电极801表面生长厚度为600nm的ni材料作为反光层802；选取导电衬底803，利用溅射工艺在导电衬底803表面生长厚度为1000nm的接触金属层；在400℃温度下，通过接触金属层将导电衬底803紧贴在反光层802表面以使导电衬底803与反光层802之间形成键合，如图3g所示，其中，第一电极801作为蓝光led、红光led及绿光led共连的阳极。

第8步、利用准分子激光器去除蓝宝石衬底500，露出所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701；如图3h所示。

第9步、在所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701下表面淀积厚度为500nm的二氧化硅材料作为钝化层804；利用光刻工艺，选择性刻蚀钝化层804，在所述第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701下表面形成电极孔；在电极孔中淀积ni材料，并对整个材料进行退火处理，以在第一缓冲层501、第二缓冲层601及第三缓冲层701表面形成金属硅化物；在金属硅化物上淀积ni作为蓝光led与红光led的阴极805，如图3i所示。

实施例三

本实施例是以上述实施例所述的制备方法为基础，重点对led芯片的结构进行描述。

具体地，请参照图4，图4为本发明实施例的一种基于gan材料的垂直结构led芯片的结构示意图。该led芯片400包括：导电衬底401、反光层402、第一电极403、蓝光外延层404、红光外延层405、绿光外延层406、第二电极407、钝化层408及隔离层409。

其中，导电衬底401可以采用铜板、铝板或者重掺杂的硅片等导电性能好的材料；反光层402采用反光性好的金属材料，例如ni、pb、ni/pb合金或者al；第一电极403与第二电极407优选ni、铜等导电性能好的材料。

本实施例，通过将蓝光、红光与绿光集成在同一芯片上，在后续进行封装时可以减少荧光粉的用量；此外，导电衬底与电极相连接，可以起到散热的作用，有利于led芯片的散热。

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。