CN100349306C - 蓝光、黄光量子阱堆叠结构白光发光二极管及制作方法 - Google Patents

蓝光、黄光量子阱堆叠结构白光发光二极管及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，包括：一蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底；一缓冲层制作在衬底上；一N型氮化镓外延层制作在缓冲层上；一N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金制作在N型氮化镓外延层上；一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱层生长制作在N型AlaInbGa1-a-bN层上；一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱层生长制作在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱上；或在N型AlaInbGa1-a-bN层上先生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；生长P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN盖帽层。

Description

蓝光、黄光量子阱堆叠结构白光发光二极管及制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指氮化物蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管及制作方法。
背景技术
化合物半导体发光器件(LED)作为固体光源起源于20世纪60年代。1992，第一只GaN基蓝色发光二极管问世；1994年，GaN基蓝色LED进入实用化阶段。GaN基蓝、绿光LED产品是大屏幕全色显示不可缺少的关键器件，它们的出现从根本上解决了发光二极管三基色缺色的问题。LED具有体积小、发光效率高、防爆、节能、使用寿命长等优点。高亮度GaN基发光二极管在大屏幕显示、车辆及交通、LCD背光源、灯光装饰方面都有着巨大的应用潜力。在丰富了色彩的同时，高亮度GaN基发光二极管最诱人的发展前景是其有可能用作普通的白光照明。半导体照明一旦实现，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。但是目前GaN基LED取代常规照明还存在功率低和价格高两大障碍，提高LED功率和降低LED生产成本已成为当前的首要任务。
目前白光LED都是采用LED芯片发出的短波长光去激发各色(或单色)荧光粉后，各色光混合产生白光，或者是采用红、绿、蓝三只发光二极管封装在一起的制作方法。但是采用短波光去激发荧光粉这种方法荧光粉会损失一部分能量，并且如果采用紫外光作为激发光源，假若封装得不好就会产生紫外光泄漏，不利于使用者的身体健康。此外，由于这种白光LED要使用荧光粉，使得封装工艺变得复杂，增加了白光LED的制作成本。如果采用红、绿、蓝三种二极管芯片封装在一起这种方法制作白光LED的话，白光LED制作成本可能会更高。本发明设计提供了一种比上述两种方法都便宜的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，并且使用该结构的白光发光二极管有可能使白光LED的价格降到与其同功率蓝光LED的价格水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管及制作方法，其可能使白光LED的价格降到与其同功率蓝光LED的价格水平。
本发明一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于：其中包括：
一蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
一N型氮化镓外延层，该N型氮化镓外延层制作在缓冲层上；
一N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金，该四元合金制作在N型氮化镓外延层上；在该AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间；GaN的含量为1-a-b；
一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱层，该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱生长制作在N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN层上；在该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱中，势阱InxGa1-xN层中InN的含量x在0.1-0.28之间；
一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱层，该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱生长制作在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱上；在该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱中，势阱InyGa1-yN层中InN的含量y在0.3-0.55之间；
或在N型AlaInbGa1-a-bN层上先生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；
生长P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN盖帽层。
其中蓝光量子阱为一个或多个InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；黄光量子阱为一个或多个InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，蓝光量子阱产生的蓝光与黄光量子阱产生的黄光混合后便产生白光。
其中N型AlaInbGa1-a-bN层的厚度在1μm-3μm之间。
其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱势阱InxGa1-xN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱势阱InyGa1-yN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的蓝光波长范围在430nm-495nm之间，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的黄光波长范围在562nm-585nm之间。
本发明一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
在蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底上先生长缓冲层和N型氮化镓外延层；
在N型GaN上生长一层厚度为1μm-3μm的N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金；在该AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间；GaN的含量为1-a-b；
在N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱结构；在该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱中，势阱InxGa1-xN层中InN的含量x在0.1-0.28之间；
在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN  蓝光量子阱结构上生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱结构；在该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱中，势阱InyGa1-yN层中InN的含量y在0.3-0.55之间；
生长P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN盖帽层。
其中该结构中含一个或多个蓝光量子阱。
其中InxGa1-xN势阱层厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
其中该结构中含一个或多个黄光量子阱。
其中InyGa1-yN势阱层厚度在1nm-8nm之间，势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
本发明是一种能够使LED产生白光的新方法，其优点为：
(1)在一个LED芯片中同时生长蓝光量子阱和黄光量子阱，在LED导通后，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的一定强度的蓝光与InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的一定强度的黄光混合后便产生白光。
(2)采用AlaInbGa1-a-bN四元合金作为量子阱的势垒层，以降低势阱层和势垒层之间的晶格失配。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述，其中：
图1是本发明的结构图。
具体实施方式
本发明的关键在于蓝光与黄光量子阱的堆叠结构设计和利用AlaInbGa1-a-bN做量子阱的势垒层。
具体方法是先在厚度为1μm-3μm的N型AlaInbGa1-a-bN四元合金上生长一个或多个InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱。使用AlaInbGa1-a-bN四元合金代替GaN做势垒层是因为在传统InGaN/GaN量子阱结构中，由于InN的晶格常数(a＝3.533)大于GaN的晶格常数(a＝3.187)，所以势阱InGaN层受到压应力；InGaN层中InN的组分越高阱InGaN受到的压应力越大，当In的组分大于一定值后，就会发生应力释放，产生晶体缺陷，进而使LED的发光效率降低。另外，在传统的InGaN/GaN量子阱中，由于势阱InGaN层与势垒GaN层的晶格常数差异会产生压电极化效应，压电极化产生的压电场会使量子阱的发光效率降低，所以我们使用禁带宽度和晶格常数独立可调的AlInGaN四元合金代替GaN做势垒层，以减少势垒层和势阱层因晶格常数差异所导致的种种问题。
在生长了InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱后，再在其上生长一个或多个InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，最后生长P型Al0.1Ga0.9N层和P型GaN盖帽层。
请参阅图1所示，本发明一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其中包括：
一蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底10；
一缓冲层20，该缓冲层20制作在衬底10上；
一N型氮化镓外延层30，该N型氮化镓外延层30制作在缓冲层20上；
一N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金40，该四元合金40制作在N型氮化镓外延层30上；其中N型AlaInbGa1-a-bN层40的厚度在1μm-3μm之间；其中AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间。
一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN  蓝光量子阱层50，该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱50生长制作在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上；
一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱层60，该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱60生长制作在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱50上；
或在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上先生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱60，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱60上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱50；其中蓝光量子阱50层为一个或多个InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；黄光量子阱60为一个或多个InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，蓝光量子阱50产生的蓝光与黄光量子阱60产生的黄光混合后便产生白光；其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱50势阱InxGa1-xN层中InN的含量x在0.1-0.28之间。势阱InxGa1-xN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
生长P型Al0.1Ga0.9N70和P型GaN盖帽层80。
其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱势阱InyGa1-yN层InN的含量y在0.3-0.55之间，势阱InyGa1-yN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的蓝光波长范围在430nm-495nm之间，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的黄光波长范围在562nm-585nm之间。
本发明一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
在蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底10上先生长缓冲层20和N型氮化镓外延层30；
在N型GaN30上生长一层厚度为1μm-3μm的N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金40；
在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱结构50；
在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱结构50上生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱结构60；
生长P型Al0.1Ga0.9N 70和P型GaN盖帽层80。
其中在AlaInbGa1-a-bN四元合金40中，AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间，GaN的含量为1-a-b。
其中该结构中含一个或多个蓝光量子阱50。
其中InxGa1-xN势阱层中的InN含量x在0.1-0.28之间，厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
其中该结构中含一个或多个黄光量子阱60。
其中InyGa1-yN势阱层中InN含量y在0.3-0.55之间，其厚度在1nm-8nm之间，势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。

Claims (11)

1、一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于：其中包括：
一蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
一N型氮化镓外延层，该N型氮化镓外延层制作在缓冲层上；
一N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金，该四元合金制作在N型氮化镓外延层上；在该AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间；GaN的含量为1-a-b；
一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱层，该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱生长制作在N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN层上；在该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱中，势阱InxGa1-xN层中InN的含量x在0.1-0.28之间；
一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱层，该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱生长制作在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱上；在该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱中，势阱InyGa1-yN层中InN的含量y在0.3-0.55之间；
或在N型AlaInbGa1-a-bN层上先生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；
生长P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN盖帽层。
2、根据权利要求1所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于，其中蓝光量子阱为一个或多个InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱；黄光量子阱为一个或多个InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱，蓝光量子阱产生的蓝光与黄光量子阱产生的黄光混合后便产生白光。
3、根据权利要求1所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于，其中N型AlaInbGa1-a-bN层的厚度在1μm-3μm之间。
4、根据权利要求1所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于，其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱势阱InxGa1-xN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
5、根据权利要求1所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于，其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱势阱InyGa1-yN层的厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
6、根据权利要求1所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管，其特征在于，其中在这种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的蓝光波长范围在430nm-495nm之间，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱发出的黄光波长范围在562nm-585nm之间。
7、一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
在蓝宝石衬底、或氮化镓衬底、或碳化硅衬底、或硅衬底上先生长缓冲层和N型氮化镓外延层；
在N型GaN上生长一层厚度为1μm-3μm的N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN四元合金；在该AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之间，InN的含量b在0.1-0.25之间；GaN的含量为1-a-b；
在N型掺杂的AlaInbGa1-a-bN上生长InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱结构；在该InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱中，势阱InxGa1-xN层中InN的含量x在0.1-0.28之间；
在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN蓝光量子阱结构上生长InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱结构；在该InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黄光量子阱中，势阱InyGa1-yN层中InN的含量y在0.3-0.55之间；
生长P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN盖帽层。
8、根据权利要求7所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中该结构中含一个或多个蓝光量子阱。
9、根据权利要求7所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中InxGa1-xN势阱层厚度在1nm-8nm之间；势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN四元合金中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
10、根据权利要求7所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中该结构中含一个或多个黄光量子阱。
11、根据权利要求7所述的蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光发光二极管的制作方法，其特征在于，其中InyGa1-yN势阱层厚度在1nm-8nm之间，势垒AlaInbGa1-a-bN层中各组分比例与N型AlaInbGa1-a-bN层中的各组分比例一样，其厚度在3-12nm之间。
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