CN101562222A - 背面出光的单芯片白光发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种背面出光的单芯片白光LED及其制备方法，在双面抛光的蓝宝石衬底上依次层叠非掺杂GaN层、蓝光有源层、黄绿光光致荧光层、n型欧姆接触层、紫外光有源层和p型欧姆接触层，其中：所述紫外光有源层是可发射紫外光波段的量子阱；所述黄绿光光致荧光层是在制备时引入缺陷而形成的非掺杂GaN层，可在紫外光激发下发出黄绿色荧光。紫外光有源层发射的紫外光部分通过荧光转换得到的黄绿光，部分被蓝光有源层吸收激发出蓝光，黄绿光和蓝光混合得到白光，经衬底的另外一面出射。本发明利用了荧光层发光和倒装焊工艺背面出光的技术优势，只需单一芯片即可发出白色光，制备工艺简单，无需荧光粉，受命长，具有较高光的电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，尤其涉及GaN基单芯片白光发光二极管(LED)器件及其制备方法。
背景技术：
GaN基氮化物半导体在发光二极管(LED)，以其较高的理论光电转化效率和在恶劣工作条件下的稳定性，得到了科研领域以及工商业的广泛重视，引起了人们极大的兴趣。目前制备白光LED的方法主要有三种：1、通过LED红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光，其优点在于：效率高、色温可控、显色性较好，缺点是：三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。2、蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉。这种方法的优点是：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好；缺点是：一致性差、色温随角度变化。3、紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光，优点：显色性好、制备简单，缺点：目前，LED芯片效率较低，有紫外光泄漏问题，荧光粉温度稳定性问题有待解决。近年来，随着人们环保意识的逐步提高，绿色照明这一新的概念逐渐被人们所接受。以上传统的GaN基白光LED在效率、寿命和色度等方面都各自有所欠缺，令其在大规模商业化方面受到限制。寻找一种效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器，成为科研领域的又一新的课题。目前，国内外的许多研究机构都在研制无需荧光粉的单芯片白光LED以提高器件的效率、延长寿命和使色度更均匀。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种工艺简单，无需荧光粉，有较高光电转化效率的单芯片白光LED。
本发明的技术方案是：
一种背面出光的单芯片白光LED，包括一非掺杂GaN层、一蓝光有源层、一黄绿光光致荧光层、一n型欧姆接触层、一紫外光有源层和一p型欧姆接触层，依次层叠于双面抛光的蓝宝石衬底上，其中所述紫外光有源层是可发射紫外光波段(330nm～400nm)的量子阱，所述黄绿光光致荧光层是可在紫外光激发下发出黄绿色荧光(500nm～560nm)的非掺杂GaN层。
上述的黄绿光光致荧光层是利用GaN材料中Ga空位和氧掺杂替氮位配对可以被紫外光激发而发出黄绿光的特点而形成的，调节GaN的生长条件可以引入这样的缺陷，生长出可被激发出黄绿荧光的非掺杂GaN层。具体途径可通过在生长GaN层时提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例(V/III比)提高至2000-10000，或者降低生长温度至900-1000℃来大量引入上述缺陷。该黄绿光光致荧光层的厚度为100nm～1000nm。
上述蓝光有源层是周期数为1～10的蓝光多量子阱(MQW)，材料为InxGa1-xN/GaN，其中x＝0.15～0.2(发光波长为460nm～480nm)，每个周期中阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。
上述n型欧姆接触层通常为n型GaN层，厚度500nm～1000nm，例如掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
上述p型欧姆接触层通常为p型GaN层，厚度100nm～300nm，例如掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
上述紫外光有源层是周期数为5～10的发射紫外光波段的InxGa1-xN/GaN多量子阱，其中x＝0.05～0.1(发光波长为370nm～400nm)，或周期数为1～5的发射紫外光波段的AlyGa1-yN/GaN多量子阱，其中y＝0.05～0.2(发光波长为330nm～360nm)；每个周期中阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。
本发明的单芯片白光LED利用紫外光对黄绿光和蓝光的较高的转化效率，紫外光有源层发射的紫外光可以被黄绿光光致荧光层所吸收，发射出黄绿色荧光，而穿过黄绿光光致荧光层的紫外光部分还可以被蓝光有源层吸收，进而激发蓝光，经过双面抛光的蓝宝石衬底另外一面出射。调节黄绿光光致荧光层的厚度和蓝光有源层的多量子阱的周期数，可以分别实现对黄绿光荧光和蓝光荧光的强度。以适当比例混合黄绿光荧光和蓝光多量子阱发出的蓝光荧光，可以得到白光发光，并可以在一定范围内调节白光的色温和显色指数。
本发明的另一个目的在于提供一种上述单芯片白光LED的制备方法，包括以下步骤：
1)采用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD)在双面抛光的蓝宝石衬底上生长一层非掺GaN薄膜；
2)在非掺GaN薄膜上生长蓝光多量子阱作为蓝光有源层；
3)在蓝光有源层上生长可由紫外光激发出黄绿荧光的非掺杂GaN层作为黄绿光光致荧光层，具体方法是在生长GaN层时通过提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例(V/III比)提高至2000-10000，或者降低生长温度至900-1000℃来引入缺陷；
4)在黄绿光光致荧光层上生长n型欧姆接触层；
5)在n型欧姆接触层上生长可发射紫外光波段的多量子阱作为紫外光有源层；
6)在紫外光有源层上生长p型欧姆接触层；
7)利用倒装焊工艺封装以上过程生长的LED芯片。
上述步骤1)采用金属有机化学气相沉积方法，在双面抛光的蓝宝石衬底上，用常规方法生长25nm厚的GaN成核层，再在其上生长1000-3000nm厚的非掺GaN薄膜。
上述步骤2)以InxGa1-xN/GaN(x＝0.15～0.2，发光波长为460nm～480nm)为材料生长蓝光多量子阱，周期数为1～10，每个周期中阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。
上述步骤3)利用GaN材料中Ga空位和氧掺杂替氮位配对可以被近紫外光激发而发出黄绿光的特点，通过特殊工艺生长带缺陷的GaN层，从而获得可由紫外光激发出黄绿荧光的GaN层。此层厚度约为100nm～1000nm。
上述步骤4)可用硅烷作掺杂剂生长n型GaN层作为n型欧姆接触层，厚度为500～1000nm，其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
上述步骤5)以InxGa1-xN/GaN为材料生长多量子阱，其中x＝0.05～0.1(发光波长为370nm～400nm)，所述多量子阱周期数为5～10或发射紫外光波段的AlyGa1-yN/GaN多量子阱，其中y＝0.05～0.2(发光波长为330nm～360nm)，周期数为1～5，每个周期中，阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。
上述步骤6)可用二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂生长p型GaN层作为p型欧姆接触层，厚度范围为100-300nm，其中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
本发明通过在常规的GaN基LED中插入一层可以通过紫外光激发高强度黄绿光的光致荧光层，使得有源层发射的紫外光部分通过荧光转换得到的黄绿光，而穿过光致荧光层的紫外光部分被蓝光多量子阱吸收激发出蓝光，黄绿光和蓝光混合得到白光，经过双面抛光的蓝宝石衬底另外一面出射。本发明利用了荧光层发光和倒装焊工艺背面出光的技术优势，只需单一芯片即可发出白色光，并免去了在LED封装中荧光粉材料带来的老化和色度不均等缺陷。本发明器件的制备工艺简单，无需荧光粉，受命长，具有较高光的电转化效率，是一种理想的替代现有的白炽灯和荧光灯等照明光源的新产品。
附图说明：
图1是本发明LED器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例制备得到的单芯片白光LED结构如图1所示，双面抛光的蓝宝石衬底1之上依次为GaN成核层2、非掺GaN层3、蓝光有源层4、黄绿光光致荧光层5、n型欧姆接触层6、紫外光有源层7和p型欧姆接触层8。其制备过程如下：
1.用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用双面抛光的(0001)面蓝宝石衬底，先在1100℃下加热15min，清洁衬底，然后降温到550℃，以每小时300nm的生长速度生长GaN成核层2，厚度为25nm；
2.在步骤1的基础上，把温度升高到1040℃，以每小时1800nm的生长速度生长非掺GaN层3，厚度为1000nm；
3.在步骤2的基础上，在非掺GaN层3上生长三个周期的InxGa1-xN/GaN(x＝0.15，发光波长为460nm)蓝光多量子阱作为蓝光有源层4，，每个周期中阱的厚度可2nm，垒的厚度可为10nm温度为700～800℃；
4.在步骤3的基础上，把温度保持在1040℃，NH3流量为10slm，三甲基镓(TMGa)流量为35sccm生长可由紫外光激发出高强度黄绿光的带缺陷的非掺杂GaN层作为黄绿光光致荧光层5；
5.在步骤4的基础上把温度保持在1040℃，以硅烷为掺杂剂，在黄绿光光致荧光层5上以每小时1800nm的生长速度生长n型欧姆接触层6，此层为常规掺Si的GaN层，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为500-1000nm；
6.在步骤5的基础上把温度降为700～900℃，生长5个周期的量子阱结构作为LED的紫外光有源层7，其中包括InxGa1-xN阱层和GaN垒层，x＝0.05，厚度分别为2nm和10nm；
7.在步骤5的基础上把温度升至900℃左右，以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，生长LED的p型欧姆接触层8，此层为掺Mg的GaN层，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm；
8.利用倒装焊工艺封装以上过程生长的LED芯片。
Claims (10)
1.一种背面出光的单芯片白光发光二极管，包括一非掺杂GaN层、一蓝光有源层、一黄绿光光致荧光层、一n型欧姆接触层、一紫外光有源层和一p型欧姆接触层，依次层叠于双面抛光的蓝宝石衬底上，其中所述紫外光有源层是可发射紫外光波段的量子阱，所述黄绿光光致荧光层是可在紫外光激发下发出黄绿色荧光的非掺杂GaN层。
2.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述黄绿光光致荧光层是通过在生长GaN层时提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例提高至2000-10000，或者降低生长温度至900-1000℃引入缺陷而得到的非掺杂GaN层。
3.如权利要求2所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述黄绿光光致荧光层的厚度为100nm～1000nm。
4.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述蓝光有源层是周期数为1～10的发射蓝光波段的InxGa1-xN/GaN多量子阱，其中x＝0.15～0.2，发光波长为460nm～480nm，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm。
5.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述紫外光有源层是周期数为5～10的发射紫外光波段的InxGa1-xN/GaN多量子阱，其中x＝0.05～0.1，发光波长为370nm～400nm，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm。
6.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述紫外光有源层是周期数为1～5的发射紫外光波段的AlyGa1-yN/GaN多量子阱，其中y＝0.05～0.2，发光波长为330nm～360nm，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm。
7.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述n型欧姆接触层为n型GaN层，厚度500nm～1000nm。
8.如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述p型欧姆接触层为p型GaN层，厚度100nm～300nm。
9.权利要求1～8中任一权利要求所述的单芯片白光发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
1)采用金属有机化学气相沉积方法在双面抛光的蓝宝石衬底上生长一层非掺GaN薄膜；
2)在非掺GaN薄膜上生长周期数为1-10的蓝光多量子阱作为蓝光有源层；
3)在蓝光有源层上生长可由紫外光激发出黄绿荧光的非掺杂GaN层作为黄绿光光致荧光层，具体方法是在生长GaN层时通过提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例提高至2000-10000，或者降低生长温度至900-1000℃来引入缺陷；
4)在黄绿光光致荧光层上生长n型欧姆接触层；
5)在n型欧姆接触层上生长可发射紫外光波段的多量子阱作为紫外光有源层；
6)在紫外光有源层上生长p型欧姆接触层；
7)利用倒装焊工艺封装以上过程生长的发光二极管芯片。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)用硅烷作掺杂剂生长n型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3；所述步骤6)用二茂镁作为掺杂剂生长p型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
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Effective date of registration: 20131202 Address after: 523808 Guangdong province Dongguan Songshan Lake high tech Industrial Development Zone Technology Park Building 4 Building 417, room 418 Patentee after: DONGGUAN INSTITUTE OF OPTO-ELECTRONICS PEKING University Address before: 100871 Beijing the Summer Palace Road, Haidian District, No. 5 Patentee before: Peking University |
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Granted publication date: 20101027 |