InGaN基红光LED芯片结构

技术领域

本发明属于半导体发光器设计及制造领域，特别是涉及一种InGaN基红光LED芯片结构。

背景技术

社会的不断发展以及国家的大力倡导，LED行业成为当今最为活跃的行业之一，LED显示屏产品逐渐走进社会生活的各个领域。与此同时，随着LED显示屏技术创新与发展，单位面积的分辨率高的小间距无缝连接LED显示屏已经成为LED显示屏的主流产品，它可以显示更高清晰度的图像和视频，也可以显示更多的视频和图像画面，尤其是在图像拼接方面的运用，可以做到无缝和任意大面积的拼接。

在当前显示屏行业中，全倒装COB(chip on board)LED显示屏具有优秀的显示效果，且像素间距可做得最小，达到微间距(P0.4)。在全倒装COB产品中，需要使用倒装红光LED(AlGaInP)、倒装绿光LED(InGaN)、倒装蓝光LED(InGaN)。

在红绿蓝倒装LED中，倒装绿光LED、倒装蓝光LED为成熟产品，其制作及使用简单。但红光LED为四元LED，其衬底为不透明GaAs。要获得倒装红光LED，需要将红光晶圆键合到蓝宝石衬底上之后去除GaAs衬底，工艺复杂，良率低下，成本非常高。另外，倒装四元红光LED在使用过程中经常发生由外延膜起皮引起的器件失效。故，高In组分的红光InGaN LED受到关注。

为使LED芯片的发光颜色达到红色，InGaN量子阱中的铟含量至少需要增加到25～35％。目前的技术中，InGaN量子阱生长在GaN薄膜的c面上。由于InGaN与GaN存在较大的晶格失配，InGaN材料中In组分含量越高晶格失配比越大。随着In组分的增加，InGaN量子阱中的压应变逐渐增强。一方面，更强的压应变导致晶体质量下降，降低了芯片的内量子效率。另一方面，压应变会引起压电极化，产生内建电场，内建极化电场使半导体的能带倾斜，电子-空穴对空间分离、波函数交叠量减少，引起发光效率下降、发光峰(吸收边)红移，这种现象被称为量子限制斯塔克效应。因此，在c面生长的InGaN材料中，In组分含量越高，压应力越大，InGaN材料的生长越困难。一般在GaN层上生长的InGaN组分中In组分最高含量约15％，无法达到红光LED的InGaN量子阱中In组分含量的要求。因此，现有技术难以实现InGaN基红光LED芯片。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种InGaN基红光LED芯片结构，用于解决现有技术中难以实现InGaN基红光LED芯片的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种InGaN基红光LED芯片结构，所述InGaN基红光LED芯片结构包括：n型GaN层；发光层，位于所述n型GaN层上；红光量子点层，位于所述发光层上，用于将所述发光层发出的光通过光致发光的方式转换成红光；p型GaN层，位于所述红光量子点层上；第一分布布拉格反射镜，位于所述n型GaN层的下方；第二分布布拉格反射镜，位于所述p型GaN层的上方；所述第一分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的一种，所述第二分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的另一种。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括衬底，所述衬底位于所述n型GaN层下方，且所述第一分布布拉格反射镜位于所述衬底下方。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括依次层叠的缓冲层及本征GaN层，位于所述衬底与所述n型GaN层之间，所述缓冲层包括低温GaN层及AlN层中的一种。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括超晶格层，位于所述n型GaN层与所述发光层之间，所述超晶格层包含一个或多个周期的超晶格结构，所述超晶格结构包括堆叠的InGaN/GaN或AlN/GaN，所述超晶格结构用于改善后续外延层的应力情况及/或形成特定形貌，如形成V-pits。

可选地，所述发光层包含一个或多个周期的超晶格结构，所述超晶格结构包括堆叠的InGaN/GaN，其中，InGaN为阱层，其厚度介于2～15nm，GaN为磊层，其厚度介于8～30nm，所述磊层厚度大于所述阱层厚度，并通过控制所述InGaN中In的含量，使所述发光层发出的光为蓝光。

可选地，所述量子点层为InGaN量子点，所述InGaN量子点带隙介于1.6～2电子伏，所述量子点在所述发光层所发蓝光激发下通过光致发光的方式发出红光，所述量子点直径为5-15埃。

可选地，所述量子点层及p型GaN层重复多个周期。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括一电子阻挡层，所述电子阻挡层位于所述发光层与所述量子点层之间或位于所述量子点层与所述p型GaN层之间，所述电子阻挡层包括p型AlGaN层。

可选地，所述第二分布布拉格反射镜还覆盖于所述InGaN基红光LED芯片结构的侧壁。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构为正装结构，所述第一分布布拉格反射镜位于所述n型GaN层的下方，用于同时反射蓝光及红光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时将红光反射回LED内部，增加所述红光自所述第二分布布拉格反射镜出射的概率；所述第二分布布拉格反射镜位于所述p型GaN层的上方，用于反射蓝光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时提供红光的出射。

可选地，所述InGaN基红光LED芯片结构为倒装结构，所述第一分布布拉格反射镜位于所述n型GaN层的下方，用于反射蓝光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时提供红光的出射；所述第二分布布拉格反射镜位于所述p型GaN层的上方，用于同时反射蓝光及红光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时将红光反射回LED内部，增加所述红光自所述第一分布布拉格反射镜出射的概率。

如上所述，本发明的InGaN基红光LED芯片结构，具有以下有益效果：

本发明提供一种InGaN基红光LED芯片结构，该LED芯片结构通过将发光层所发蓝光激发量子点层发红光，从而实现一种红光LED芯片。同时，本发明量子点层被p型GaN层覆盖，得到很好的保护。更进一步，本发明量子点层与上下两面分布布拉格反射镜，第一面分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的一种，第二面分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的另一种，通过光线的来回反射，增强量子点层对蓝光的吸收和增加发出红光的强度，从而实现减少蓝光的漏光，提升红光的出射的效果。本发明通过光致发光方法，获得InGaN基红光LED芯片，解决现有通过电致发光方法难以获得InGaN基红光LED芯片的问题。

附图说明

图1显示为本发明实施例1的InGaN基红光LED芯片结构的结构示意图。

图2显示为本发明实施例2的InGaN基红光LED芯片结构的结构示意图。

图3显示为本发明实施例3的InGaN基红光LED芯片结构的结构示意图。

元件标号说明

100 衬底

200 缓冲层

300 本征GaN层

400 n型GaN层

500 超晶格层

600 发光层

700 红光量子点层

800 电子阻挡层

900 p型GaN层

1000、2000 第二分布布拉格反射镜

1100、2100 第一分布布拉格反射镜

1200 电流扩展层

1300 p电极

1400 n电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种InGaN基红光LED芯片结构，所述InGaN基红光LED芯片结构包括：n型GaN层400；发光层600，位于所述n型GaN层400上；红光量子点层700，位于所述发光层600上，用于将所述发光层600发出的光通过光致发光的方式转换成红光；p型GaN层900，位于所述红光量子点层700上；第一分布布拉格反射镜1100，位于所述n型GaN层400的下方；第二分布布拉格反射镜1000，位于所述p型GaN层900的上方；所述第一分布布拉格反射镜1100用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的一种，所述第二分布布拉格反射镜1000用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的另一种。

如图1所示，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括衬底100，所述衬底100位于所述n型GaN层400下方，且所述第一分布布拉格反射镜1100位于所述衬底100下方，所述衬底100例如可以为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底等。所述InGaN基红光LED芯片结构还包括依次层叠的缓冲层200及本征GaN层300，位于所述衬底100与所述n型GaN层400之间，所述缓冲层200包括低温GaN层及AlN层中的一种。所述低温GaN层可为由MOCVD生长所得，所述AlN层可由溅镀所得，所述缓冲层200的厚度可以为15～30nm之间，例如为20nm。所述本征GaN层300的厚度可以为0.5～3μm之间。

所述n型GaN层400的厚度为0.5～3μm。

如图1所示，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括超晶格层500，所述超晶格层500位于所述n型GaN层400与所述发光层600之间，所述超晶格层500包含一个或多个周期的超晶格结构，所述超晶格结构包括堆叠的InGaN/GaN或AlN/GaN，所述超晶格结构用于改善后续外延层的应力情况及/或形成特定形貌，如形成V-pits。

所述发光层600包含一个或多个周期的超晶格结构，所述超晶格结构包括堆叠的InGaN/GaN，其中，InGaN为阱层，其厚度介于2～15nm，GaN为磊层，其厚度介于8～30nm，所述磊层厚度大于所述阱层厚度，并通过控制所述InGaN中In的含量，使所述发光层600发出的光为蓝光。

在本实施例中，所述量子点层为InGaN量子点，所述InGaN量子点带隙介于1.6～2电子伏，带隙介于1.6～2电子伏的量子点可以有效地在所述发光层600所发蓝光激发下通过光致发光方式发出红光，所述量子点直径为5-15埃。由于所述量子点层被p型GaN层覆盖，可以使得所述量子点层得到很好的保护。

在本实施例中，所述量子点层及p型GaN层900可以重复多个周期，以提高所述量子点层将蓝光转换为红光的概率及效率。

如图1所示，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括一电子阻挡层800，所述电子阻挡层800位于所述发光层600与所述量子点层之间或位于所述量子点层与所述p型GaN层900之间，所述电子阻挡层800包括p型AlGaN层。

如图1所示，所述第二分布布拉格反射镜1000还覆盖于所述InGaN基红光LED芯片结构的侧壁，以防止LED芯片的侧壁漏蓝光。

如图1所示，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括位于所述p型GaN层900上的电流扩展层1200及位于所述电流扩展层1200上的p电极1300，所述电流扩展层1200可以为ITO透明导电层等，所述InGaN基红光LED芯片结构还包括连接于所述n型GaN层400上的n电极1400，优选地，所述p电极1300与所述n电极1400的顶面齐平，以降低所述InGaN基红光LED芯片结构与其他电路或装置之间的连接难度，从而提高连接良率，降低成本。

如图1所示，具体地，所述InGaN基红光LED芯片结构为正装结构，所述InGaN基红光LED芯片结构包括依次层叠的衬底100、缓冲层200、本征GaN层300、n型GaN层400、超晶格层500、发光层600、红光量子点层700、电子阻挡层800、p型GaN层900、电流扩展层1200，还包括p电极1300、n电极1400、第一分布布拉格反射镜1100以及第二分布布拉格反射镜1000。所述第一分布布拉格反射镜1100位于所述衬底100的下方，用于同时反射蓝光及红光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时将红光反射回LED内部，增加所述红光自所述第二分布布拉格反射镜1000出射的概率；所述第二分布布拉格反射镜1000位于所述p型GaN层900的上方及LED芯片的侧壁，用于反射蓝光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时提供红光的出射。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种InGaN基红光LED芯片结构，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于：所述InGaN基红光LED芯片结构为倒装结构，所述第一分布布拉格反射镜2100位于所述衬底100的下方，用于反射蓝光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时提供红光的出射；所述第二分布布拉格反射镜2000位于所述p型GaN层900的上方，用于同时反射蓝光及红光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时将红光反射回LED内部，增加所述红光自所述第一分布布拉格反射镜2100出射的概率。本实施例的InGaN基红光LED芯片结构采用倒装结构，其出光面为没有电极阻挡的一面，可以避免电极对出射光线的阻挡，大大提高LED芯片的发光强度。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种InGaN基红光LED芯片结构，其基本结构如实施例2，其中，与实施例2的不同之处在于：所述InGaN基红光LED芯片结构的衬底100被移除以显露出所述n型GaN层400，如图3所示，所述第一分布布拉格反射镜2100位于所述n型GaN层400的下方，用于反射蓝光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时提供红光的出射；所述第二分布布拉格反射镜2000位于所述p型GaN层900的上方，用于同时反射蓝光及红光，将所述蓝光反射回LED内部，增加所述蓝光被吸收并转换为红光的概率，同时将红光反射回LED内部，增加所述红光自所述第一分布布拉格反射镜2100出射的概率。本实施例去除了衬底100，可以应用于Micro LED显示领域。

如上所述，本发明的InGaN基红光LED芯片结构，具有以下有益效果：

本发明提供一种InGaN基红光LED芯片结构，该LED芯片结构通过将发光层所发蓝光激发量子点层发红光，从而实现一种红光LED芯片。同时，本发明量子点层被p型GaN层覆盖，得到很好的保护。更进一步，本发明量子点层与上下两面分布布拉格反射镜，第一面分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的一种，第二面分布布拉格反射镜用于反射蓝光或同时反射蓝光及红光中的另一种，通过光线的来回反射，增强量子点层对蓝光的吸收和增加发出红光的强度，从而实现减少蓝光的漏光，提升红光的出射的效果。本发明通过光致发光方法，获得InGaN基红光LED芯片，解决现有通过电致发光方法难以获得InGaN基红光LED芯片的问题。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。