一种高色域双色发光二极管外延片及其制备方法、LED芯片与流程

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种高色域双色发光二极管外延片及其制备方法、led芯片。

背景技术：

1、随着消费者对画面显示品质要求的不断提升，高色域显示已成为行业主流发展方向，通过精准还原色彩来增强画面的真实感与视觉体验，因此如何提升led芯片的色域覆盖能力，已成为当前半导体照明与显示领域重点突破的技术难题。

2、目前实现白光输出与色域覆盖的主流技术方案主要分为两类，一类是采用单颗蓝光led芯片搭配荧光粉的方案，通过蓝光激发不同波段的荧光粉产生多色光混合形成白光，该方案基于常规单量子阱结构的led外延片，外延结构自下而上依次包括衬底、缓冲层、三维gan层、非掺杂gan层、n型gan层、应力释放层、单一蓝光多量子阱层、电子阻挡层与p型gan层，通过调控量子阱的in组分实现特定波段的蓝光输出。另一类是采用两颗或多颗不同发光波段的led芯片组合搭配荧光粉的方案，通过不同芯片分别发出不同波长的光线，拓宽光谱覆盖范围以提升色域；此外也存在单颗外延片内设置蓝绿两组电致发光量子阱的双色结构，通过载流子注入使两组量子阱分别实现电致发光，以单颗芯片实现双色输出。

3、但上述方案均存在难以规避的缺陷，单颗蓝光芯片搭配荧光粉的方案受荧光粉发光特性限制，无法实现全波段的精准覆盖，色域覆盖水平偏低，导致终端显示的色彩还原度不足，画面显示效果欠佳。多芯片组合方案不仅器件整体成本较高，且不同芯片间的发光角度、亮度衰减存在差异，易在显示边缘产生色差，影响最终的视觉一致性。而常规单颗双电致发光量子阱的结构中，受空穴迁移率低、注入能力有限的制约，靠近n型层的绿光量子阱难以获得充足的空穴载流子，导致绿光发光强度偏弱，同时高in组分的绿光量子阱与gan材料晶格失配度大，外延应力集中，缺陷密度高且易向上延伸至蓝光量子阱区域，劣化蓝光量子阱的晶体质量与发光效率，最终无法实现蓝绿双色的高强度同步输出，色域提升效果有限，难以满足高端背光显示的高色域需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高色域双色发光二极管外延片及其制备方法、led芯片。

2、本发明的第一方面在于提供一种高色域双色发光二极管外延片，所述外延片包括：

3、衬底，以及层叠于所述衬底之上的外延层，所述外延层包括沿外延生长方向依次设置的n型掺杂gan层、绿光多量子阱层、应力调控过渡层、蓝光多量子阱层与p型掺杂gan层；

4、其中，所述绿光多量子阱层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，in组分为20%-30%，发光波长为500-550nm；

5、所述应力调控过渡层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，in组分为5%-10%，用于释放外延应力并抑制绿光多量子阱层的缺陷向后续外延层延伸；

6、所述蓝光多量子阱层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，in组分为10%-20%，发光波长为430-470nm；

7、所述绿光多量子阱层与所述蓝光多量子阱层的发光波长差为30-120nm。

8、根据上述技术方案的一方面，所述绿光多量子阱层的周期数为5-8；

9、单个周期内，ingan阱层的厚度为2-4nm，gan垒层的厚度为8-12nm。

10、根据上述技术方案的一方面，所述应力调控过渡层的周期数为4-6；

11、单个周期内，ingan阱层的厚度为1-3nm，gan垒层的厚度为5-10nm。

12、根据上述技术方案的一方面，所述蓝光多量子阱层的周期数为2-16；

13、单个周期内，ingan阱层的厚度为2-4nm，gan垒层的厚度为8-12nm。

14、根据上述技术方案的一方面，所述外延层还包括依次设置于衬底与n型掺杂gan层之间的缓冲层、三维生长gan层与非掺杂gan层，以及设置于蓝光多量子阱层与p型掺杂gan层之间的电子阻挡层。

15、根据上述技术方案的一方面，所述缓冲层的厚度为15-35nm；所述三维生长gan层的厚度为500-2000nm；所述非掺杂gan层的厚度为800-1200nm；所述n型掺杂gan层的厚度为1000-3000nm；所述电子阻挡层为algan与gan交替生长的周期性结构，厚度为10-60nm；所述p型掺杂gan层的厚度为5-100nm。

16、本发明的第二方面在于提供一种高色域双色发光二极管外延片的生长方法，用于制备上述技术方案当中所述的高色域双色发光二极管外延片，所述方法包括：

17、提供一衬底；

18、在所述衬底上依次生长缓冲层、三维生长gan层、非掺杂gan层与n型掺杂gan层；

19、在所述n型掺杂gan层上生长绿光多量子阱层，所述绿光多量子阱层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，控制in组分为20%-30%，使其发光波长为500-550nm；

20、在所述绿光多量子阱层上生长应力调控过渡层，所述应力调控过渡层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，控制in组分为5%-10%，以释放外延应力并阻隔绿光多量子阱层的缺陷向上传播；

21、在所述应力调控过渡层上生长蓝光多量子阱层，所述蓝光多量子阱层为ingan阱层与gan垒层交替生长的周期性结构，控制in组分为10%-20%，使其发光波长为430-470nm；

22、在所述蓝光多量子阱层上依次生长电子阻挡层与p型掺杂gan层；

23、其中，控制所述绿光多量子阱层与所述蓝光多量子阱层的发光波长差为30-120nm。

24、根据上述技术方案的一方面，生长所述三维生长gan层时，以三甲基镓为金属有机源，生长温度为1000-1200℃，以氨气为反应气体，以氮气与氢气的混合气体为载气，生长压力为100-300torr。

25、根据上述技术方案的一方面，生长所述绿光多量子阱层时，单个周期内先生长2-4nm厚的ingan阱层，再生长8-12nm厚的gan垒层，重复生长5-8个周期；

26、生长所述应力调控过渡层时，单个周期内先生长1-3nm厚的ingan阱层，再生长5-10nm厚的gan垒层，重复生长4-6个周期；

27、生长所述蓝光多量子阱层时，单个周期内先生长2-4nm厚的ingan阱层，再生长8-12nm厚的gan垒层，重复生长2-16个周期。

28、本发明的第三方面在于提供一种led芯片，包括上述技术方案当中所述的高色域双色发光二极管外延片。

29、与现有技术相比，采用本发明所示的高色域双色发光二极管外延片及其生长方法、led芯片，有益效果在于：

30、本发明通过在n型层与蓝光多量子阱层之间设置绿光多量子阱层与应力调控过渡层的组合结构，将绿光多量子阱层设计为光致发光模式，利用蓝光量子阱发出的蓝光激发产生绿光，无需依赖空穴注入，避免了双电致发光结构中空穴注入不足导致的绿光强度偏低问题，可同时获得高强度的蓝光与绿光输出；其中绿光多量子阱层兼具原有应力释放层的应力调节功能，实现功能复用，简化外延结构；中间设置的低in组分应力调控过渡层可进一步释放高in绿光量子阱带来的晶格失配应力，抑制缺陷向上延伸，保障上层蓝光量子阱的晶体质量与发光效率。最终通过单颗芯片实现蓝绿双色高效发光，有效拓宽发光光谱覆盖范围，显著提升背光产品的色域覆盖水平与画面显示效果，同时避免多芯片方案的色差与高成本问题。