CN101038947A - 不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料及制法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料及制法，即在蓝宝石或SiC衬底上用常规半导体器件沉积技术依次生长初始生长层、本征GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN弛豫层、InGaN多量子结构发光层、p型AlGaN夹层和p型GaN层；再用该外延材料制做单管芯白光发光二极管；本方法保留已有普通单色光发光二极管器件制做工艺，仅对生长氮化镓基发光材料的生长过程进行改进，提高In组分达到形成In量子点，增加一个应力释放层，在不增加器件复杂性的前提下，从根本上降低了白光发光二极管成本，增加了光出射效率和利用效率，克服了荧光粉转换而成的白光发光二极管的缺点，提高了白光发光二极管的整体性能。

Description

不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料及制法

技术领域

本发明涉及一种白光发光二极管外延材料及其制备方法，特别涉及一种不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管芯片用外延材料及制法。

背景技术

白光发光二极管作为白光光源具有发光效率高、响应时间短、寿命长等诸多优点，这些优点决定了它将部分取代现有白光光源的趋势。目前普遍认同的白光发光二极管的制作方法有以下三种：(1)由三个单独制作的或是单片集成的红光、绿光和蓝光发光二极管同时发光，从而混合得到白光，(2)由紫外或紫光发光二极管作为发光光源激发外层包裹的红绿蓝三色混合荧光粉，三色荧光粉所发光混合得到白光，(3)由蓝光发光二极管作为发光光源，部分地激发外层包裹的黄光荧光粉发出黄光，内部发光二极管所发蓝光和激发荧光粉得到的黄光混合得到白光。其中，方法(1)由于成本和技术方面的原因还没有得到应用；方法(2)是制作比较简单也最被看好的一种白光发光二极管制作方法，但由于至今没有找到合适的耐紫外辐照的封装树脂以及缺乏高效的红色荧光粉，没有得到普遍应用；方法(3)是目前已经商业化的一种白光发光二极管制作方法，同样由于缺乏合适的红光荧光粉而使白光发光二极管的发光品质受到限制，由两色光混合得到的白光光谱比较单一，发光色温偏高且显色指数偏低。虽然已经商品化，方法(2)的显色指数和色温经过多年的探索已经有了有效改善，但是其本质是经过荧光粉转换的这个核心问题，也就是荧光粉把蓝光转换成黄光的过程中，势必导致的斯托克斯频移造成了发光效率不高的问题，仍然制约着该方法的进一步发展。

本发明采用量子点和浸润层组成，或由于InGaN的相分离的方法而产生不同In组分的InGaN，进而发出不同波长的光混和成为白光，从而实现单芯片白光发光二极管。

发明内容

本发明的目的在于为了改善目前白光发光二极管所发白光需要荧光粉转换的现状，以及由此造成的发光效率受到影响和树脂老化速度过快的问题，而提供不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管芯片用外延材料及制法；为达到此目的，本发明通过采用生长一种单管芯GaN基白光发光材料，不经过荧光粉转换即可获得白光，从而避免了因为荧光粉转换而带来的问题，在不需要对器件制备和封装工艺进行大的改动的基础上降低了白光发光二极管的成本，提高了白光发光二极管的寿命。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管芯片用外延材料，包括：

一衬底，以及依次覆于衬底表面之上的初始生长层和本征GaN缓冲层，其特征在于，还包括依次覆于本征GaN缓冲层之上的n型GaN层、InGaN弛豫层、InGaN多量子结构发光层、p型AlGaN夹层和p型GaN层；

所述衬底为蓝宝石或者SiC衬底或者硅衬底；

所述初始生长层为AlN层或者GaN层；其厚度为1～500nm。

所述本征GaN缓冲层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述本征GaN缓冲层厚度为20nm～3μm。

所述n型GaN层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述n型GaN层厚度为20nm～5μm。

所述InGaN弛豫层为In_zGa_1-zN层，其中z为0～0.2；所述InGaN弛豫层厚度为10nm～3μm

所述InGaN多量子结构发光层为由势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN组成的发光二极管的有源层，其中y＜x，y＜x，，0.1＜x＜0.3，0＜y＜0.15；所述量子阱层In_xGa_1-xN由量子点和浸润层组成或者由相分凝而产生的两个不同组分的量子结构组成；所述势垒层In_yGa_1-yN厚度为5～30nm，量子阱层In_xGa_1-xN厚度为1～6nm；所述势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为0～1×10¹⁸/cm³，量子阱的周期数为1～20；

所述p型AlGaN夹层为Al_mGa_1-mN夹层，其中m为0～0.2；所述p型AlGaN夹层厚度为0～200nm。

所述p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或这几种合金组合的制备p型欧姆接触的接触层；所述p型GaN层厚度为20nm～1μm。

本发明提供的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料的制备方法，其步骤如下：

以蓝宝石或者SiC或者硅作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生长初始生长层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN弛豫层、InGaN多量子结构发光层、p型AlGaN夹层和p型GaN层，得到不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料；

所述初始生长层为AlN层或者GaN层；所述的初始生长层厚度为1～500nm。

所述本征GaN缓冲层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述本征GaN缓冲层厚为20nm～3μm。

所述n型GaN层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述的n型GaN层厚度为20nm～5μm。

所述InGaN弛豫层为In_zGa_1-zN层，其中z为0～0.2；所述的InGaN弛豫层厚度为10nm～3μm。

所述InGaN多量子结构发光层为由势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN组成的发光二极管的有源层，其中y＜x，y＜x，，0.1＜x＜0.3，0＜y＜0.15；所述量子阱层In_xGa_1-xN由量子点和浸润层组成或者由相分凝而产生的两个不同组分的量子结构组成；所述势垒层In_yGa_1-yN的厚度为5～30nm，量子阱层In_xGa_1-xN的厚度为1～6nm；所述势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为0～1×10¹⁸/cm³，量子阱的周期数为1～20；

所述的p型AlGaN夹层为Al_mGa_1-mN夹层，其中m为0～0.2；所述p型p型AlGaN夹层厚度为0～200mm。

所述的p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或这几种合金组合的制备p型欧姆接触的接触层；所述p型GaN层的厚度为20nm～1μm。

本发明的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯片用外延材料，其多量子结构发光层中InGaN阱层量子点层由量子点中发出的光为黄光或者红光，浸润层发出的光为蓝光，或者由于不同组分或厚度的InGaN阱层量子点发出绿光和红光，而浸润层发出蓝光或绿光，从而将红绿蓝光混合成为白光。或者InGaN阱层由相分凝发出黄光和蓝光合成白光，或者由于不同组分或厚度的InGaN阱层发出蓝光、绿光和红光而混合成为白光

本发明是针对目前的白光发光二极管，需要荧光粉转换这一实际情况而提出的新的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管芯片用外延材料及其制备方法。本发明在蓝宝石或者SiC衬底上外延生长白光发光二极管外延材料，摆脱了目前用荧光粉转换的白光发光二极管的缺点，简化了白光发光二极管的制作流程，降低了白光发光二极管的成本，由于不存在荧光粉转换，故而没有斯托克斯频移效应，提高了发光二极管的光利用效率。

本发明提供的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，通过调节InGaN弛豫层厚度、In组分，以及调节In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN多量子结构发光层的势垒和势阱层的厚度以及In组分来达到选择发光二极管发射波长的目的，使得从发光层出射的光混合而成白光。

使用本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料所制备的发光二极管的光发射谱如图2所示。与现有技术相比，使用本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料所制备的发光二极管的优点在于：

1、通过采用InGaN弛豫层，量子点和浸润层或者由于相分凝而产生不同In组分的InGaN发射不同波长的光混合成白光的方法来实现单芯片出射白光的目的，在对发光二极管优化外延生长条件的前提下，简化了白光发光二极管的制作流程，降低了白光发光二极管的成本，由于不存在荧光粉转换，故而没有斯托克斯频移效应，提高了发光二极管的光利用效率；

2、本发明的方法保留了普通发光二极管的器件工艺以及树脂封装流程，由于不需要荧光粉的转换，因此在不增加器件复杂性的前提下，从根本上节约了白光发光二极管的制作费用。

附图说明

图1是本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料的结构示意图；

图2是使用本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料所制备的白光发光二极管的光发射谱；

图3是使用本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料所制备的不需荧光粉转换的GaN单管芯白光发光二极管的结构示意图；

具体实施方式

实施例1

使用本发明的方法及其本发明的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料制备一不需荧光粉转换的GaN单管芯白光发光二极管，其步骤如下：

1)采用0.43mm厚的蓝宝石作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长GaN初始生长层2、本征GaN层3(由GaN组成)、500nm厚的n型GaN层4(由GaN组成)、1μm厚InGaN弛豫层5(由In_0.1Ga_0.9N组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层In_0.05Ga_0.95N和量子阱层In_0.15Ga_0.85N组成的5个周期的多量子阱，其中势垒层In_0.05Ga_0.95N的厚度为10nm，量子阱层In_0.15Ga_0.85N的厚度为3nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为0，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³)、200nm厚p型AlGaN夹层7(由Al_0.2Ga_0.8N组成)、p型GaN层8(由GaN组成)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示；

2)将步骤1)得到的不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料用常规的SiO₂掩膜及光刻技术从n型GaN层4和p型GaN层8分别引出n型电极9和p型电极10，得到一正面出光的发光二极管100，然后将蓝宝石衬底用机械研磨的方法减薄到0.1mm，如图3中的标号100所示；

所述n型电极8材料和结构为Ti/Al/Ti/Au，其厚度分别为2nm/200nm/2nm/1μm；

所述的p型电极9材料和9结构为Ni/Au，其厚度分别为100nm/1μm；

3)将步骤2)得到的发光二极管引线，用树脂11按照常规方法封装，得到一不需荧光粉转换的GaN单管芯白光发光二极管。

实施例2

使用本发明的方法制备不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，其步骤如下：

采用0.4mm厚的SiC作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长GaN初始生长层2、本征GaN层3(由AlN组成)、1μm厚的n型AlN层4(由GaN组成)、500nm厚InGaN弛豫层5(由GaN组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层GaN和量子阱层In_0.15Ga_0.85N组成的4个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In_0.15Ga_0.85N的厚度为5nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³0，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为0)、0nm厚p型AlGaN夹层7(由Al_0.2Ga_0.8N组成)、300nm P型GaN层8(由InAlN组成)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示。

实施例3

使用本发明的方法制备不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，其步骤如下：

采用0.3mm厚的硅衬底作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长200nm厚AlN初始生长层2、1μm厚本征GaN层3(由InGaN组成)、0.5μm厚的n型GaN层4(由AlGaN组成)、10nm厚InGaN弛豫层5(由In_0.2Ga_0.8N组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层GaN和量子阱层In_0.15Ga_0.85N组成的4个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In_0.15Ga_0.85N的厚度为5nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³)、0nm厚p型AlGaN夹层7(由Al_0.2Ga_0.8N组成)、300nm P型GaN层8(由AlGaN组成)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示。

实施例4

使用本发明的方法制备不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，其步骤如下：

采用0.4mm厚的SiC作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长100nm厚的GaN初始生长层2、20nm厚的本征GaN层3(由InAlN组成)、5μm厚的n型GaN层4(由InGaN组成)、3μm厚InGaN弛豫层5(由In_0.02Ga_0.8N组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层In_0.15Ga_0.85N和量子阱层In_0.3Ga_0.7N组成的20个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In_0.3Ga_0.7N的厚度为1nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³)、0nm厚p型AlGaN夹层7(由Al_0.1Ga_0.9N组成)、1μm P型GaN层8(由InAlGaN组成)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示。

实施例5

使用本发明的方法制备不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，其步骤如下：

采用0.4mm厚的SiC作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长1nm厚的GaN初始生长层2、3μm厚的本征GaN层3(由InAlGaN组成)、20nm厚的n型GaN层4(由InAlN组成)、10nm厚InGaN弛豫层5(由In_0.2Ga_0.9N组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层GaN和量子阱层In_0.15Ga_0.85N组成的1个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In_0.15Ga_0.85N的厚度为5nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³)、100nm厚p型AlGaN夹层7(由GaN组成)、20nm P型GaN层8(由GaN组成)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示。

实施例6

使用本发明的方法制备不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，其步骤如下：

采用0.4mm厚的SiC作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长500nm厚的GaN初始生长层2、20nm厚的本征GaN层3(由GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN和InAlGaN几种合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层)、20nm厚的n型GaN层4(由GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN和InAlGaN几种合金组合的n型欧姆接触的接触层)、500nm厚InGaN弛豫层5(由In_0.1Ga_0.9N组成)、InGaN多量子结构发光层6(由势垒层GaN和量子阱层In_0.15Ga_0.85N组成的4个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In_0.1Ga_0.9N的厚度为5nm，所述势垒层In_yGa_1-yN的掺杂浓度为0，量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³)、200nm厚p型AlGaN夹层7(由GaN组成)、100nm P型GaN层8(由GaN、InAlN、AlGaN和InAlGaN几种合金组合的p型欧姆接触的接触层)，得到不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，如图1所示。

Claims (16)

1、一种不需荧光粉转换的白光GaN发光二极管外延材料，包括：

一衬底，以及依次覆于衬底表面之上的初始生长层和本征GaN缓冲层，其特征在于，还包括依次覆于本征GaN缓冲层之上的n型GaN层、InGaN弛豫层、InGaN多量子结构发光层、p型AlGaN夹层和p型GaN层；

所述衬底为蓝宝石或者SiC衬底或硅衬底；

所述初始生长层为AlN层或者GaN层；

所述本征GaN缓冲层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；

所述n型GaN层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合的n型欧姆接触的接触层；

所述InGaN弛豫层为In_zGa_1-zN层，其中z为0～0.2；

所述InGaN多量子结构发光层为由势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN组成的发光二极管的有源层，其中y＜x，0.1＜x＜0.3，0＜y＜0.15；所述量子阱层In_xGa_{1 x}N由量子点和浸润层组成或者由相分凝而产生的两个不同组分的量子结构组成；所述势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为0～1×10¹⁸/cm³，量子阱的周期数为1～20；

所述p型AlGaN夹层为Al_mGa_1-mN夹层，其中m为0～0.2；

所述p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或这几种合金组合的制备p型欧姆接触的接触层。

2、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述初始生长层厚度为1～500nm。

3、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述本征GaN缓冲层厚度为20nm～3μm。

4、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述n型GaN层厚度为20nm～5μm。

5、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述InGaN弛豫层厚度为10nm～3μm。

6、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述势垒层In_yGa_1-yN厚度为5～30nm，量子阱层In_xGa_1-xN厚度为1～6nm。

7、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，p型AlGaN夹层厚度为0～200nm。

9、如权利要求1所述的不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料，其特征在于，所述p型GaN层厚度为20nm～1μm。

10、一种权利要求1所述不需荧光粉转换的GaN发光二极管芯用外延材料的制备方法，其步骤如下：

以蓝宝石或者SiC或硅衬底作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生长初始生长层、GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN弛豫层、InGaN多量子结构发光层、p型AlGaN夹层和p型GaN层，得到不需荧光粉转换的GaN白光发光二极管芯用外延材料；

所述初始生长层为AlN层或者GaN层；

所述本征GaN缓冲层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；

所述n型GaN层为GaN层、AlN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或者这几种合金组合的n型欧姆接触的接触层；

所述InGaN弛豫层为In_zGa_1-zN层，其中z为0～0.2；

所述InGaN多量子结构发光层为由势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN组成的发光二极管的有源层，其中y＜x，y＜x，，0.1＜x＜0.3，0＜y＜0.15；所述量子阱层In_xGa_{1_x}N由量子点和浸润层组成或者由相分凝而产生的两个不同组分的量子结构组成；所述势垒层In_yGa_1-yN和量子阱层In_xGa_1-xN层的掺杂浓度为0～1×10¹⁸/cm³，量子阱的周期数为1～20；

所述的p型AlGaN夹层为Al_mGa_1-mN夹层，其中m为0～0.2；

所述的p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或这几种合金组合的制备p型欧姆接触的接触层。

11、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述的初始生长层厚度为1～500nm。

12、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述本征GaN缓冲层厚为20nm～3μm。

13、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述的n型GaN层厚度为20nm～5μm。

14、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述的InGaN弛豫层厚度为10nm～3μm。

15、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述势垒层In_yGa_1-yN的厚度为5～30nm，量子阱层In_xGa_1-xN的厚度为1～6nm。

16、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述p型p型AlGaN夹层厚度为0～200nm。

17、如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述p型GaN层的厚度为20nm～1μm。

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