一种多色LED阵列外延工艺方法及装置与流程

本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种多色led阵列外延工艺方法及装置。

背景技术

近年来，led照明和显示技术发展迅速。对于照明应用，目前主流的技术是采用gan基蓝光led与黄光荧光粉组合形成白光，该方法工艺较简单、成本较低，然而存在以下几个不足：(1)由于荧光粉激发的光谱范围有限，上述白光源的显色性仍然有限；(2)由于荧光粉激发响应需要一定时间，限制了较高调制频率信号加载在光源电源中，因此这种光源无法应用在较高频率的可见光通信系统中；(3)上述白光源单颗芯片无法实现实时调节色温，在农业、生物以及环境等特殊照明等方面的应用受到限制。目前采用三基色led拼接的方式实现全光谱led照明和显示，通常需要3～4颗led封装在一起作为一个显示像素点，该方法成本高，对封装技术要求严格，且像素点面积较大。综上所述，在led外延阶段实时制备多色led阵列结构将大大降低全光谱led的成本，极大的改善提高其性能，对于全光谱照明和显示、可见光通信等领域具有重大意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多色led阵列外延工艺方法及装置，用于解决基于荧光粉的白光led在显色性、工作频率以及色温实时变化等方面的不足，以及拼接三基色led所带来的高成本和低可靠性问题。实现多色led的高效率和低成本制备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种多色led阵列外延工艺方法，包括以下步骤，步骤一，在外延衬底上进行gan缓冲层及n型gan外延生长；

步骤二，进行ingan量子阱外延生长，生长期间使用单束或多束飞秒激光对外延片ingan层表面实时进行扫描照射；

步骤三，进行p型gan外延生长；

步骤四，生长完毕之后，根据步骤二中飞秒激光在外延片扫描照射所形成的图案类型，进行led芯片制造和封装。

按上述技术方案，所述步骤二中，飞秒激光通过单点、多点或线面扫描的方式实现对ingan量子阱生长表面的作用。

按上述技术方案，在所述步骤二中，当所选择的激光束为单束飞秒激光时，在飞秒激光对外延片生长表面进行扫描照射过程中，根据扫描速率和不同波长的飞秒激光对外延片的作用效率，选择飞秒激光波长，并通过控制飞秒激光器的注入电流大小来调节飞秒激光的输出功率，通过对飞秒激光器的注入电流设置不同的占空比调节飞秒激光输出的占空比。根据扫描速率和不同波长的飞秒激光对外延片的作用效率来调节飞秒激光的参数，特别的，随着飞秒激光的波长增大，对外延层起作用的激光能量阈值也增大，因此可以选择合适的飞秒激光波长，并通过控制飞秒激光器的注入电流大小来调节飞秒激光的输出功率。

按上述技术方案，在所述步骤二中，当所选择的激光束为多束飞秒激光时，飞秒激光束的数量与所制备多色led的每个发光单元主发光波长数量相对应，同时，每束飞秒激光的波长、占空比或功率根据多色led发光单元的发光波长进行设置。

按上述技术方案，所述步骤一、步骤二、步骤三中，半导体材料外延生长使用氢化物气相外延法、金属有机物化学气相沉积发法或分子束外延法实现，飞秒激光通过上述半导体外延设备预设的光通道进入反应腔体，并照射在外延生长衬底表面，光通道根据设备结构和工艺需要可以是1个或者多个。

本发明还提供一种多色led阵列外延工艺装置，包括用于多色led阵列外延生长的反应腔体以及若干飞秒激光源，反应腔内设有载片托盘，载片托盘上放置有用于led制备的外延衬底，反应腔体上设置有光通道窗口，光通道窗口上安装有扫描滑动装置，安装在扫描滑动装置上的飞秒激光探头通过光通道窗口照射在外延衬底上。

按上述技术方案，还包括控制系统，用于调节飞秒激光的波长、占空比或功率以及控制扫描滑动装置的移动和载片托盘的周向旋转。

本发明的原理是：通过调节三元化合物ingan材料的化学组分比，可以实现从红外到紫外波长的发光，由于in-n之间化学键较弱，而ga-n之间化学键相对较强，通过外加能量可以改变局部原子动能而破坏较弱的in-n之间的化学键从而改变ingan的化学组分比，从而调节发光层的发光波长。在进行ingan量子阱外延生长期间，使用单束或多束飞秒激光对外延片生长表面进行扫描照射，通过飞秒激光改变局部原子动能，调节ingan量子阱局部材料组分，从而在同一个外延片上实现不同ingan组分的量子阱阵列，根据扫描速率和所制备的多色led发光波长调节飞秒激光的波长、占空比或功率，实现红绿蓝三色甚至多色led阵列结构。通过飞秒激光实现多色led生长，对于全光谱照明和显示具有重大意义。

本发明产生的有益效果是：本发明多色led阵列外延工艺方法及装置，用于解决基于荧光粉的白光led在显色性、工作频率以及色温实时变化等方面的不足，以及拼接三基色led所带来的高成本和低可靠性问题。实现多色led的高效率和低成本制备。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中多色led阵列外延工艺方法的流程图；

图2为本发明实例中多色led阵列外延工艺装置的结构示意图；

图3为本发明实例中装置的俯视图；

其中：101-飞秒激光探头、102-扫描滑动装置、103-光通道窗口、104-外延衬底、105-尾气出口、106-反应源进口、107-反应腔体内空间、108-载片托盘、109-旋转及支撑结构，110-飞秒激光源，111-计算机控制系统，112-可编程电机，113-光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施实例提供一种多色led阵列外延工艺方法，如图1所示，在外延衬底上进行gan缓冲层和n型gan外延生长，然后进行ingan量子阱外延生长，在ingan量子阱外延生长期间，使用单束或多束飞秒激光对外延片生长表面进行扫描照射，通过飞秒激光改变局部原子动能，调节ingan量子阱局部in材料组分，从而在同一个外延片上实现不同ingan组分的量子阱阵列，根据扫描速率和不同波长的飞秒激光对外延片的作用效率以及所制备的多色led发光波长调节飞秒激光的波长、占空比或功率，实现红绿蓝三色甚至多色led阵列结构。

进一步地，所述步骤二中，飞秒激光通过单点、多点或线面扫描的方式实现对ingan量子阱生长表面的作用。

进一步地，在所述步骤二中，当所选择的激光束为单束飞秒激光时，在飞秒激光对外延片生长表面进行扫描照射过程中，根据扫描速率和不同波长的飞秒激光对外延片的作用效率，选择合适的飞秒激光波长，并通过控制飞秒激光器的注入电流大小来调节飞秒激光的输出功率，通过对飞秒激光器的注入电流设置不同的占空比调节飞秒激光输出的占空比。

进一步地，在所述步骤二中，当所选择的激光束为多束飞秒激光时，飞秒激光束的数量与所制备多色led的每个发光单元主发光波长数量相对应，同时，每束飞秒激光的波长、占空比或功率根据多色led发光单元的发光波长进行设置。

进一步地，所述步骤一、步骤二、步骤三中，半导体材料外延生长使用氢化物气相外延法(hvpe)、金属有机物化学气相沉积发法(mocvd)或分子束外延法(mbe)实现，飞秒激光通过上述半导体外延设备预设的光通道进入反应腔体，并照射在外延生长衬底表面，光通道根据设备结构和工艺需要可以是1个或者多个。

如图2、图3所示，本发明实施实例提供一种多色led阵列外延工艺装置，该装置可以用于实现上述方法，包括ingan基led外延生长的反应腔体107，若干飞秒激光探头101，所述反应腔体107内设置有载片托盘108，载片托盘108通过旋转及支撑结构109支撑于反应腔体107的内部，载片托盘108上放置有外延衬底104，所述反应腔体107的顶部设有反应源进口106，所述反应腔体107的底部设有尾气出口105，所述飞秒激光探头101安装在扫描滑动装置102上，在ingan量子阱外延生长过程中，飞秒激光通过光通道窗口103进入反应腔体107，并照射在外延衬底104上，通过在扫描滑动装置102的轴向移动和载片托盘108的周向旋转实现在对外延片生长表面的扫描照射。

进一步地，还包括计算机控制系统111，调节飞秒激光源110的波长、占空比或功率，以及控制扫描滑动装置102的动作和控制可编程电机112实现调节载片托盘108的周向旋转。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。