一种含有量子阱的外延片、Micro-LED阵列芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，特别涉及一种含有量子阱的外延片、Micro

【技术实现步骤摘要】
一种含有量子阱的外延片、Micro
‑
LED阵列芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种含有量子阱的外延片、Micro
‑
LED阵列芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]Micro
‑
LED作为第三代显示技术具有高对比度、高响应速度、宽色域以及低功耗和长寿命等优点，被认为是实现AR/VR的理想显示技术。GaN基Micro
‑
LED理论上可以实现全可见光波长的辐射，是制备全彩色Micro
‑
LED显示器的理想材料。但随着LED发光波长的增加，GaN中In含量增加，这会导致发光有源区的量子阱与量子垒之间发生晶格失配，从而产生多种结构缺陷，如点缺陷、杂质、位错、V形缺陷等，且In浓度越高，缺陷数目越多。这些缺陷会充当SRH复合的复合中心，增加非辐射复合几率，从而降低了绿光波段GaN LED的内量子效率。过且高的In含量不仅带来了更多的缺陷，还在量子阱内引入了更大的极化电场，导致量子阱能带被拉伸变形，减少了空穴与电子的复合几率，这种现象被称为量子受限斯塔克效应(QCSE)。此外，由于InN和GaN之间的混溶性差，In成分的增加也导致InGaN阱层的化学不均匀性。相分离使得难以实现均匀的InGaN合金，甚至导致InGaN/GaN MQW有源区的退化。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高量子效率GaN基蓝光与绿光Micro
‑
LED阵列芯片及其制备方法。该制备方法可以生长出含有阶梯结构的量子阱，相比与常规结构的量子阱其具有更高Mciro
‑
LED的量子效率和发光功率，且阵列结构的Micro
‑
LED显示芯片也具有更好的光电、波长以及亮度一致性。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0005]第一方面，本专利技术提供一种含有量子阱的外延片，包括：由下至上依次设置的蓝宝石衬底、第一掺杂层、多量子阱层和第二掺杂层；其中，所述蓝宝石衬底上设置有若干个阵列分布的岛状结构，相邻的岛状结构之间形成凹陷结构，所述第一掺杂层、多量子阱层和第二掺杂层设置在所述凹陷结构内。
[0006]进一步的，所述多量子阱层包括十个周期的量子阱，前三个所述周期的量子阱为低温量子阱，后七个所述周期的量子阱用于负责电子与空穴的复合；其中，每个所述周期的量子阱的阱宽为3.5nm，垒宽为15nm。
[0007]进一步的，所述第一掺杂层包括由下至上依次设置的低温GaN缓冲层、无掺杂GaN层和N型掺杂N
‑
GaN层；第二掺杂层包括P型掺杂P
‑
GaN层。
[0008]进一步的，所述岛状结构在垂直于蓝宝石衬底所在平面上的高度为1.5mm～1.7mm，所述岛状结构的包底部长度为2.4mm～2.8mm；相邻的两个岛状结构的中心距离为3mm，且相邻的两个岛状结构的边缘的底部距离为0.6mm～0.2mm；所述低温GaN缓冲层的厚度为10nm～20nm，所述无掺杂GaN层的厚度为2μm～5μm，所述N型掺杂N
‑
GaN层的厚度为1μm～3μm，Si掺杂浓度为2.6
×
10
19
cm
‑3；所述P型掺杂P
‑
GaN层的厚度为100nm～200nm，Mg掺杂
浓度为2.2
×
10
20
cm
‑3。
[0009]第二方面，本专利技术还提供了含有量子阱的外延片的制备方法，该制备方法包括以下步骤，预处理蓝宝石衬底：对蓝宝石衬底进行打磨处理和抛光处理，之后在所述蓝宝石衬底进行图形化处理，以形成若干个阵列分布的所述岛状结构；生长第一掺杂层：在所述蓝宝石衬底上生长所述第一掺杂层；生长多量子阱层：以蓝光量子阱的In组分掺杂含量为17％，绿光量子阱的In组分掺杂含量为28％，多量子阱层的周期数为10，其中前三周期量子阱为低温量子阱，后七周期量子阱负责电子与空穴的复合的参数，在所述所述第一掺杂层上生长所述多量子阱层；生长第二掺杂层：在所述多量子阱层上生长所述第二掺杂层，得到所述含有量子阱的外延片。
[0010]进一步的，在所述蓝宝石衬底上生长所述第一掺杂层的步骤中，具体包括：先在所述蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层，之后提高温度至1000℃～1100℃，在低温GaN缓冲层上生长无掺杂GaN层，再利用SiH4作为MO源、在1100℃的温度下，在所述无掺杂GaN层上生长N型掺杂N
‑
GaN层；在所述多量子阱层上生长所述第二掺杂层的步骤中，具体包括：所述多量子阱层上先生长低Mg掺杂浓度的P
‑
GaN层；然后保持高温高压的状态下通入三甲基铝，再在所述低Mg掺杂浓度的P
‑
GaN层上生长4周期～9周期的AlGaN/P
‑
GaN层；将温度升高至1000℃，在所述AlGaN/P
‑
GaN层上生长高温P掺杂层(High Temperature p
‑
doped layer，HTP)；在所述高温P掺杂层上生长重掺杂P型GaN层，Mg离子的掺杂浓度量级为10
20
cm
‑3。
[0011]进一步的，在生长多量子阱层的步骤中，具体包括：生长常规结构的蓝光量子阱，在关闭TMIn气阀的情况下，控制生长温度为853℃，生长量子垒；之后降温至788℃时，打开TMIn气阀放出In源生长势阱层，此时载气流量为1300sccm；其中，3.5nm厚的量子阱需要生长240s，之后关闭TMIn阀并升高温度生长量子垒，完成一个周期的量子阱和量子垒生长；生长含有阶梯阱边的量子阱：通过稳定TMIn的流量，控制生长温度的方法来调控量子阱中的In组分，在量子垒生长完成后，降低温度的同时打开TMIn阀，生长In含量渐进的阶梯量子阱；其中，绿光势垒温度为796℃，势阱生长温度为746℃，载气流量为2000sccm，生长3nm量子阱需200s。
[0012]第三发面，本专利技术又一种Micro
‑
LED阵列芯片该Micro
‑
LED阵列芯片包括：如上述含有量子阱的外延片，以及TO光罩板、MESA光罩板、ISO光罩板、N
‑
PAD光罩板、PV光罩板和P
‑
PAD光罩板。
[0013]进一步的，该Micro
‑
LED阵列芯片的分辨率为16
×
16，单颗像素尺寸为80μm
×
80μm，每颗所述像素采用正装结构；其中，发光有源区尺寸为50μm
×
60μm，像素间距为86μm，阵列尺寸为1.37mm
×
1.37mm。
[0014]第四方面，本专利技术也提供Micro
‑
LED阵列芯片的制备方法，包括以下步骤，外延片前清洗：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有量子阱的外延片，其特征在于，包括：由下至上依次设置的蓝宝石衬底、第一掺杂层、多量子阱层和第二掺杂层；其中，所述蓝宝石衬底上设置有若干个阵列分布的岛状结构，相邻的岛状结构之间形成凹陷结构，所述第一掺杂层、多量子阱层和第二掺杂层设置在所述凹陷结构内。2.根据权利要求1所述的含有量子阱的外延片，其特征在于，所述多量子阱层包括十个周期的量子阱，前三个所述周期的量子阱为低温量子阱，后七个所述周期的量子阱用于负责电子与空穴的复合；其中，每个所述周期的量子阱的阱宽为3.5nm，垒宽为15nm。3.根据权利要求1所述的含有量子阱的外延片，其特征在于，所述第一掺杂层包括由下至上依次设置的低温GaN缓冲层、无掺杂GaN层和N型掺杂N
‑
GaN层；第二掺杂层包括P型掺杂P
‑
GaN层。4.根据权利要求3所述的含有量子阱的外延片，其特征在于，所述岛状结构在垂直于蓝宝石衬底所在平面上的高度为1.5mm～1.7mm，所述岛状结构的包底部长度为2.4mm～2.8mm；相邻的两个岛状结构的中心距离为3mm，且相邻的两个岛状结构的边缘的底部距离为0.6mm～0.2mm；所述低温GaN缓冲层的厚度为10nm～20nm，所述无掺杂GaN层的厚度为2μm～5μm，所述N型掺杂N
‑
GaN层的厚度为1μm～3μm，Si掺杂浓度为2.6
×
10
19
cm
‑3；所述P型掺杂P
‑
GaN层的厚度为100nm～200nm，Mg掺杂浓度为2.2
×
10
20
cm
‑3。5.根据权利要求1至4中任一项所述的含有量子阱的外延片的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤，预处理蓝宝石衬底：对蓝宝石衬底进行打磨处理和抛光处理，之后在所述蓝宝石衬底进行图形化处理，以形成若干个阵列分布的所述岛状结构；生长第一掺杂层：在所述蓝宝石衬底上生长所述第一掺杂层；生长多量子阱层：以蓝光量子阱的In组分掺杂含量为17％，绿光量子阱的In组分掺杂含量为28％，多量子阱层的周期数为10，其中前三周期量子阱为低温量子阱，后七周期量子阱负责电子与空穴的复合的参数，在所述所述第一掺杂层上生长所述多量子阱层；生长第二掺杂层：在所述多量子阱层上生长所述第二掺杂层，得到所述含有量子阱的外延片。6.根据权利要求5所述的含有量子阱的外延片的制备方法，其特征在于，在所述蓝宝石衬底上生长所述第一掺杂层的步骤中，具体包括：先在所述蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层，之后提高温度至1000℃～1100℃，在低温GaN缓冲层上生长无掺杂GaN层，再利用SiH4作为MO源、在1100℃的温度下，在所述无掺杂GaN层上生长N型掺杂N
‑
GaN层；在所述多量子阱层上生长所述第二掺杂层的步骤中，具体包括：所述多量子阱层上先生长低Mg掺杂浓度的P
‑
GaN层；然后保持高温高压的状态下通入三甲基铝，再在所述低Mg掺杂浓度的P
‑
GaN层上生长4周期～9周期的AlGaN/P
‑
GaN层；将温度升高至1000℃，在所述AlGaN/P
‑
GaN层上生长高温P掺杂层；在所述高温P掺杂层上生长重掺杂P型GaN层，Mg离子的掺杂浓度量级为10
20
cm
‑3。7.根据权利要求5所述的含有量子阱的外延片的制备方法，其特征在于，在生长多量子阱层的步骤中，具体包括：
生长常规结构的蓝光量子阱，在关闭TMIn气阀的情况下，控制生长温度为853℃，生长量子垒；之后降温至788℃时，打开TMIn气阀放出In源生长势阱层，此时载气流量为1300sccm；其中，3.5nm厚的量子阱需要生长240s，之后关闭TMIn阀并升高温度生长量子垒，完成一个周期的量子阱和量子...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建设，张纯，苏萍，吴逸凡，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：