CN101281945A - 可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，所述外延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、n型层、量子阱II和p型层II。本发明外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使两量子阱在外加电压下分别发射不同波长的光，该外延片制作成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子阱II发出的不同波长的混合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II产生的一种颜色的单色光，大大拓展LED的应用范围。本发明提供的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种新型结构的可复合发光的GaN基LED外延片及其制备方法。
背景技术
GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点。
GaN基LED的制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。其中LED外延片制备是LED的核心技术，它对LED的性能水平起主要作用。
现有的GaN基LED外延片的结构如附图7所示，一般包括衬底、n型层、量子阱、p型层。GaN基LED的发光机制是：在电流作用下，n型层的电子和p型层的空穴注入到量子阱，在量子阱中电子和空穴复合发光，其发光本质为一个pn结发光。该量子阱可采用单量子阱或多量子阱结构，通过调整InGaN/GaN或InGaN/InGaN量子阱中In的组分，可实现紫、蓝、绿、黄甚至红颜色发光。
由于发光二极管可实现紫、蓝、绿、黄甚至红颜色发光，并且具有体积小、重量轻、能耗低、无污染等特点，广泛应用于大屏幕显示、交通信号灯、液晶背光源等领域。
但随着发光二极管亮度不断提高、成本不断下降，其应用范围越来越广泛，并逐渐进入更多的应用领域，例如照明领域，这对于发光二极管的发光颜色也提出了更多更高的要求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片。
本发明的另一个目的是提供所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来予以实现：
提供一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，所述外延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、n型层、量子阱II和p型层II。
所述外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，在外加电压下，电子和空穴可通过p型层I、n型层、和p型层II分别注入到两个量子阱，在两量子阱中复合发光。如果两量子阱的阱层禁带宽度不同，两量子阱就可发射不同波长的光。其发光本质为可实现两个pn结发光。因此，该外延片制作成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子阱II发出的不同波长的混合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II产生的单色光，大大拓展LED的应用范围。例如：通过设计和调整量子阱禁带宽度，量子阱I发出蓝光、量子阱II发出黄橙光，混合后可得到白光LED，或者根据需要只发出蓝光或黄橙光。
所述量子阱I、量子阱II可以掺入Si或不掺杂；量子阱I、量子阱II可以为单量子阱或多量子阱；周期数可以分别为1～10。
作为优选，所述量子阱I可以为InGaN/GaN、InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱；所述量子阱II可以为InGaN/GaN、InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
所述n型层可以是n型GaN，或者n型InGaN，或者n型GaN和AlGaN，或者n型GaN和InGaN，且n型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度；所述n型层厚度为0.5μm～2.0μm。
所述p型层I可以为p型GaN或者p型GaN和AlGaN。
所述p型层II可以为p型GaN，或者p型InGaN，或者p型GaN和InGaN，或者p型AlGaN和GaN，或者p型AlGaN和GaN和InGaN，且p型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度。
本发明同时提供了采用MOCVD设备制备所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片的方法，包括以下步骤：
(1)在1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)在480℃～1100℃的温度下，在衬底上生长p型层I；
(3)将温度降至700℃～900℃，生长量子阱I；
(4)将温度升至800℃～1000℃，生长n型层；
(5)将温度降至600℃～800℃，生长量子阱II；
(6)在温度700℃～1000℃，生长p型层II。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)现有的GaN基LED外延片的结构一般包括衬底、n型层、量子阱、p型层，通常只发出一种颜色的光。本发明创造了一种具有分隔双量子阱的GaN基LED外延片结构，通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使两量子阱在外加电压下分别发射不同波长的光。该外延片制作成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子阱II发出的不同波长的混合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II产生的一种颜色的单色光，大大拓展LED的应用范围。
(2)本发明提供的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
附图说明
图1实施例1GaN基LED外延片结构示意图
图2实施例2GaN基LED外延片结构示意图
图3实施例3GaN基LED外延片结构示意图
图4实施例4GaN基LED外延片结构示意图
图5实施例5GaN基LED外延片结构示意图
图6实施例6GaN基LED外延片结构示意图
图7现有技术GaN基LED外延片结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明。
现有GaN基LED外延片结构示意图见附图7。其中，衬底材料可采用蓝宝石、SiC、Si、GaN等。低温缓冲层可采用低温GaN层、低温AlN层等。在采用GaN为衬底时可以不生长低温缓冲层和未掺杂GaN层。量子阱可采用单量子阱，也可采用多量子阱，量子阱结构有InGaN/GaN结构、InxGa1-xN/InyGa1-yN结构等。外延片结构中可以不生长n型AlGaN层或p型AlGaN层，或n型AlGaN层和p型AlGaN层均不生长，其发光本质为一个pn结发光，可实现紫、蓝、绿、黄或红颜色单色发光。
本发明所述外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，在外加电压下，电子和空穴可通过p型层I、n型层、和p型层II分别注入到两个量子阱，在两量子阱中复合发光。如果两量子阱的阱层禁带宽度不同，两量子阱就可发射不同波长的光。其发光本质为可实现两个pn结发光，也可以实现一个pn结发光。下面的实施例帮助说明本发明，但不因此将本发明思想局限于实施例中。
实施例1
新型的GaN基LED外延片的结构如附图1所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量子阱I、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱II、p型GaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.0μm的p型GaN:Mg层；
(3)在800℃生长InGaN/GaN量子阱I，使其发光颜色为蓝色，量子阱个数为1；
(4)将温度升至1000℃生长n型GaN:Si层，厚度为1.0μm；
(5)降温至700℃生长InGaN/GaN量子阱II，使其发光为绿色，量子阱个数为1；
(6)升温到900℃生长p型GaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子阱I为蓝光量子阱，InGaN/GaN量子阱II为绿光量子阱。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片发出蓝光或绿光，或者蓝光和绿光的混合光。
实施例2
新型的GaN基LED外延片的结构如附图2所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、p型AlGaN层、InGaN/InGaN量子阱I、n型GaN层、n型AlGaN层、InGaN/InGaN量子阱II、p型InGaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.0μm的p型GaN:Mg层；
在1100℃的温度下生长厚度为20nm的p型AlGaN:Mg层；
(3)在700℃生长InGaN/InGaN量子阱I，使其发光颜色为蓝色，量子阱个数为5；
(4)将温度升至900℃生长n型GaN:Si层，厚度为0.5μm；
温度900℃生长n型AlGaN:Si层，厚度为20nm；
(5)降温至600℃生长InGaN/InGaN量子阱II，使其发光为黄橙色，量子阱个数为5；
(6)升温到700℃生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/InGaN量子阱I为蓝光量子阱，InGaN/InGaN量子阱II为黄橙光量子阱，且在量子阱I生长前生长了p型AlGaN层，可增大量子阱I对自由电子和空穴的束缚作用，提高发光效率。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或黄橙光，或者同时发出蓝光和黄橙光，得到白光发射。
实施例3
新型的GaN基LED外延片的结构如附图3所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、p型AlGaN层、InGaN/GaN量子阱I、n型GaN层、n型AlGaN层、InGaN/GaN量子阱II、p型GaN、p型InGaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.0μm的p型GaN:Mg层；
在1000℃的温度下生长厚度为20nm的p型AlGaN:Mg层；
(3)在900℃生长InGaN/GaN量子阱I，使其发光颜色为紫色，量子阱个数为10；
(4)将温度升至1000℃生长n型GaN:Si层，厚度为2.0μm；
温度1000℃生长n型AlGaN:Si层，厚度为30nm；
(5)降温至800℃生长InGaN/GaN量子阱II，使其发光为蓝，量子阱个数为5；
(6)升温到900℃生长p型GaN:Mg层；
降温至800℃生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子阱I为紫光量子阱，InGaN/GaN量子阱II为蓝光量子阱，且在量子阱II生长后生长了p型GaN，并降低温度生长了p型InGaN。在量子阱II生长后采用较低的温度下生长p型层，可降低高温对量子阱的破坏，提高LED性能。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出紫光或蓝光，或者同时发出蓝光和紫光。
实施例4
该新型的GaN基LED外延片的结构如附图4所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/AlInGaN量子阱I、n型GaN层、n型InGaN层、InGaN/AlInGaN量子阱II、p型GaN、p型InGaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.0μm的p型GaN:Mg层；
(3)在700℃生长InGaN/AlInGaN量子阱I，使其发光颜色为蓝色，量子阱个数为5；
(4)将温度升至800℃生长n型GaN:Si层，厚度为1.5μm；
将温度降至750℃生长n型InGaN:Si层，厚度为10nm；
(5)降温至600℃生长InGaN/AlInGaN量子阱II，使其发光为橙红色，量子阱个数为3；
(6)升温到900℃生长p型GaN:Mg层；
降温至750℃生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱I为蓝光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱II为橙红光量子阱。量子阱采用InGaN/AlInGaN量子阱，可获得较高质量的量子阱。且在量子阱II生长后生长了p型GaN，并降低温度生长了p型InGaN。在量子阱II生长后采用较低的温度下生长p型层，可降低高温对量子阱的破坏，提高LED性能。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或橙红光，或者同时发出蓝光和橙红光，得到混合白光。
实施例5
新型的GaN基LED外延片的结构如附图5所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量子阱I、n型InGaN层、InGaN/AlInGaN量子阱II、p型AlGaN、p型GaN、p型InGaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.5μm的p型GaN:Mg层；
(3)在700℃生长InGaN/GaN量子阱I，使其发光颜色为蓝色，量子阱个数为6；
(4)将温度升至800℃生长n型InGaN:Si层，厚度为0.5μm；
(5)降温至600℃生长InGaN/AlInGaN量子阱II，使其发光为橙红色，量子阱个数为5；
(6)升温到900℃生长p型AlGaN:Mg层；
升温到900℃生长p型GaN:Mg层；
降温至700℃生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子阱I为蓝光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱II为橙红光量子阱，且在量子阱I生长后，在温度为800℃生长n型InGaN层，降低了n型层的生长温度。同时降低温度生长了p型InGaN，可降低高温对量子阱的破坏，提高LED性能。另外，量子阱II采用InGaN/AlInGaN量子阱，可获得较高质量的量子阱。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或橙红光，或者同时发出蓝光和橙红光，得到混合白光。
实施例6
新型的GaN基LED外延片的结构如附图6所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量子阱I、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱II、p型AlGaN、p型GaN。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
在1000℃的温度下生长厚度为1.5μm的p型GaN:Mg层；
(3)在900℃生长InGaN/GaN量子阱I，使其发光颜色为紫色，量子阱个数为10；
(4)将温度升至1000℃生长n型GaN:Si层，厚度为1.5μm；
(5)降温至800℃生长InGaN/GaN量子阱II，使其发光为蓝色，量子阱个数为5；
(6)升温到1000℃生长p型AlGaN:Mg层；
降温至900℃生长p型GaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子阱I为紫光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱II为蓝光量子阱，量子阱II生长完后，依次生长了p型AlGaN、GaN和InGaN层。采用p型AlGaN层可增大量子阱II对自由电子和空穴的束缚作用，提高LED性能。通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出紫光或蓝光，或者同时发出蓝光和紫光。
Claims (10)
1、一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述外延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、n型层、量子阱II和p型层II。
2、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱I和量子阱II的阱层禁带宽度不同。
3、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱I、量子阱II可以掺入Si或不掺杂。
4、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱I、量子阱II为单量子阱或多量子阱；周期数可以分别为1～10。
5、根据权利要求1、2、3或4所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱I为InGaN/GaN、InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
6、根据权利要求1、2、3或4所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱II为InGaN/GaN、InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
7、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述n型层是n型GaN，或者n型InGaN，或者n型GaN和AlGaN，或者n型GaN和InGaN，且n型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度；所述n型层厚度为0.5μm～2.0μm。
8、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型层I为p型GaN、或p型GaN和AlGaN。
9、根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于p型层II为p型GaN，或者p型InGaN，或者p型GaN和InGaN，或者p型AlGaN和GaN，或者p型AlGaN和GaN和InGaN，且p型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度。
10、一种如权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，其特征在于包括以下步骤：
(1)在1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)在480℃～1100℃的温度下，在衬底上生长p型层I；
(3)将温度降至700℃～900℃，生长量子阱I；
(4)将温度升至800℃～1000℃，生长n型层；
(5)将温度降至600℃～800℃，生长量子阱II；
(6)在温度700℃～1000℃，生长p型层II。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081008 |