CN101582418A - 电注入调控三基色单芯片白光发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电注入调控三基色的白光发光二极管(LED)，在衬底的一侧依次叠加第一n型欧姆接触层、绿光有源层、p型欧姆接触层、蓝光有源层和第二n型欧姆接触层，或者依次叠加第一p型欧姆接触层、绿光有源层、n型欧姆接触层、蓝光有源层和第二p型欧姆接触层，在衬底的另一侧键合红光LED。该白光LED通过控制各对电极之间的电流、电压的大小来调节蓝光、绿光和红光有源层的发光强度，从而得到各种色度的白光。这相当于在单一芯片有三个各自独立的光源，以电注入调控三基色发出白色光。该器件的电路简单，无需荧光粉，寿命长，具有较高的光电转化效率，将在白光照明、全色显示和光调控领域中发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，尤其涉及一种单芯片白光发光二极管(LED)器件。
背景技术
目前，国内乃至国际上实现白光LED的主流方法仍然是以下三种。其中之一是采用GaN基蓝光、绿光和GaAs基红光LED构成三基色完备发光体系。把这三种颜色的LED按一定的比例封装在一起就可以得到用于照明用途的白光。这种方法封装的每一个芯片都需要独立的驱动电路，因此控制电路相对复杂，成本高。另外一种，也是最为常见的是GaN基蓝光LED利用荧光粉转换方法。这种方法是在高亮度GaN基蓝光LED的表面均匀涂抹荧光粉和透明树脂，LED辐射出峰值为470nm左右的蓝光，而部分蓝光激发荧光粉发出峰值为570nm左右的黄绿光，与另一部分透射出来的蓝光通过微透镜聚焦组成白光。这种方法由于荧光粉长时间处于LED光直射的高温状态引起性能退化，使白光LED的效率下降和光谱改变。类似于蓝光激发荧光粉的方法，有人提出了用GaN基紫外光LED辐射的紫外光去激发荧光粉得到白光的方法。这种方法存在的主要问题是由于低掺杂效率和低量子效率，高性能的紫外光LED是很难得到的，另外，荧光粉以及抗紫外光退化的封装材料都有待深一步研究。
如中国专利(申请)200320117244.5，200410081198.7等，都属于利用上述三种途径之一制备白光LED的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路简单，无需荧光粉，较高光电转化效率的单芯片白光LED。
本发明的技术方案是：
一种电注入调控三基色的白光LED，在衬底的一侧依次叠加第一n型欧姆接触层、绿光有源层、p型欧姆接触层、蓝光有源层和第二n型欧姆接触层，或者依次叠加第一p型欧姆接触层、绿光有源层、n型欧姆接触层、蓝光有源层和第二p型欧姆接触层，在衬底的另一侧键合红光LED。
上述绿光有源层为发射波长在绿光波段的量子阱，所述量子阱可为InGaN或AlInGaN量子阱。所述量子阱的周期数可为1～20，每个周期中，阱的厚度可为1nm～5nm之间，垒的厚度可为6nm～20nm之间。
上述蓝光有源层为发射波长在蓝光波段的量子阱，所述量子阱可为InGaN或AlInGaN量子阱。所述量子阱的周期数可为1～20，每个周期中，阱的厚度可为1nm～5nm之间，垒的厚度可为6nm～20nm之间。
上述绿光有源层和蓝光有源层共用一个p型欧姆接触层或n型欧姆接触层。
上述n型欧姆接触层材料为n型GaN，厚度为300nm～1500nm，一般是掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.0×1018cm-3～1.0×1020cm-3。
上述p型欧姆接触层材料为p型GaN，厚度为300nm～1500nm，一般是掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1.0×1017cm-3～1.0×1019cm-3。
上述红光LED是InP基的红光LED。
在上述LED器件的n型和p型欧姆接触层上制作出接触电极就可以通过控制各对电极之间的电流、电压的大小控制蓝光、绿光和红光量子阱的发光强度，这相当于三个各自独立的光源。调节三个光源强度的比例，根据标准色度分布图可以得到各种色度的白光。本发明的LED器件只需单一芯片即可发出白色光，而且器件的电路简单，无需荧光粉，寿命长，具有较高的光电转化效率，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，同时也将会在光调控和全色显示领域发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的GaN基白光LED的结构示意图。
图2是本发明实施例2制备的GaN基白光LED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：
本实施例的单芯片白光LED结构如图1所示，蓝宝石衬底1之上依次为GaN成核层2、非掺GaN层3、第一n型欧姆接触层4-1、绿光有源层5、p型欧姆接触层6-1、蓝光有源层7和第二n型欧姆接触层8-1，蓝宝石衬底1的下面键合有红光LED 11，通过刻蚀在n型和p型欧姆接触层上形成台阶，在台阶上分别制作n型和p型金属欧姆接触电极9和10，而红光LED的电极11-1和11-2位于其上下两端。具体制备过程如下：
1.用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用(0001)面的蓝宝石衬底，氢气(H2)氛下，在1100℃～1150℃下高温烘烤衬底5～15分钟，降温至450℃～550℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温GaN成核层2，厚度为25nm，然后升温到1050℃生长1000nm厚的非掺GaN层3；
2.在步骤1的基础上，再向反应室通入硅烷(SiH4)作为掺杂剂，以每小时1800nm的生长速度生长第一n型欧姆接触层4-1，此层为常规掺Si的GaN层，Si的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，厚度为1000nm；
3.在步骤2的基础上把温度降为700～900℃左右，用三甲基铟(TMIn)作为In源，生长LED的有源层5，其中包括5个量子阱InxGa1-xN/GaN(2nm/8nm)，厚度为50nm，x＝0.35，以得到发射绿光波段的有源层；
4.在步骤3的基础上把温度升至1000℃左右，用二茂镁(Cp2Mg)作掺杂剂，掺杂浓度为1×1018cm-3，生长p型欧姆接触层6-1，此层的厚度约为300nm，并在MOCVD反应室内降温至800℃对p型GaN进行退火激活；
5.在步骤4的基础上把温度降为700～900℃左右，用三甲基铟(TMIn)作为In源，生长LED的有源层7，其中包括5个量子阱InxGa1-xN/GaN(2nm/8nm)，厚度为50nm，x＝0.18，以得到发射蓝光波段的有源层；
6.在步骤5基础上升温至1050℃继续生长n型掺杂GaN层作为LED的第二n型欧姆接触层8-1，此步骤中需要提高SiH4流量以提高n型层的掺杂浓度，Si的掺杂浓度为1.0×1020cm-3，厚度为1000nm；
7.用感应耦合等离子体(ICP)方法分别从外延片的顶端刻蚀至两个有源区5和7中间的p型欧姆接触层6-1和绿光有源层5和蓝宝石衬底1之间的第一n型欧姆接触层4-1，形成台阶，刻蚀气体可用氯气、氩气、三氯化硼等；
8.在外延片的最上面的第二n型欧姆接触层8-1和刻蚀出的第一n型欧姆接触层4-1台阶上溅射Ti/Al/Ni/Au金属多层膜，形成n型欧姆接触电极9；在p型欧姆接触层6-1台阶上溅射Ni/Au金属多层膜作为p型欧姆接触电极10，最后得到带有绿光波段的有源层5和蓝光波段的有源层7的双波段的管芯；
9.将上述制备的管芯键合到单位大小略大的InP基红光LED 11上，其中InP基红光LED 11采用上下电极结构，键合材料采用钯-铟合金。
实施例2：
本实施例的单芯片白光LED结构如图2所示，蓝宝石衬底1之上依次为GaN成核层2、非掺GaN层3、第一p型欧姆接触层4-2、绿光有源层5、n型欧姆接触层6-2、蓝光有源层7和第二p型欧姆接触层8-2，蓝宝石衬底1的下面键合有红光LED 11，通过刻蚀在n型和p型欧姆接触层上形成台阶，在台阶上分别制作n型和p型金属欧姆接触电极9和10，而红光LED的电极11-1和11-2位于其上下两端。具体制备过程如下：
1.用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用(0001)面的蓝宝石衬底，氢气(H2)氛下，在1100℃～1150℃下高温烘烤衬底5～15分钟，降温至450℃～550℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温GaN成核层2，厚度为25nm，然后升温到1050℃生长1000nm厚的非掺GaN层3；
2.在非掺GaN层3基础上，降低温度至1000℃，再向反应室通入二茂镁(Cp2Mg)作为Mg源，生长p型掺杂GaN作为第一p型欧姆接触层4-2，厚度为800nm，并在MOCVD反应室内降温至800℃对p型GaN进行退火激活；
3.在p型掺杂的GaN薄膜4-2上降低温度至720℃生长绿光波段的多量子阱，即用三甲基铟(TMIn)作为In源，继续生长5个InxGa1-xN/GaN量子阱作为绿光有源层5，其中x＝0.30左右；
4.在绿光有源层5上升温至1100℃以硅烷SiH4为n型掺杂剂生长n型GaN层，厚度为1000nm，得到n型欧姆接触层6-2；
5.在n型GaN层上降温至780℃继续生长蓝光波段的多量子阱作为蓝光有源层7，这一有源层中的x值比步骤3中的要低一些，x＝0.15以得到蓝光；
6.再升温至1000℃继续生长p型掺杂GaN层作为LED的第二p型欧姆接触层8-2，此步骤中需要提高二茂镁(Cp2Mg)流量以提高p型层的掺杂浓度以便于制作p型欧姆接触电极，厚度为400nm左右；
7.用感应耦合等离子体(ICP)方法分别从外延片的顶端刻蚀至两个有源区5和7中间的n型欧姆接触层6-2和绿光有源层5和蓝宝石衬底之间1的第一p型欧姆接触层4-2，形成台阶，刻蚀气体可用氯气、氩气、三氯化硼等；
8.在外延片的最上面的第二p型欧姆接触层8-2和刻蚀出的第一p型欧姆接触层4-2台阶上溅射Ni/Au，形成p型欧姆接触电极10；在n型欧姆接触层6-2台阶上溅射Ti/Al/Ni/Au金属制备n型欧姆接触电极9，得到带有绿光波段的有源层5和蓝光波段的有源层7的双波段的管芯；
9.将制上述备好的管芯键合到周期大小略大的InP基红光LED 11上，其中InP基红光LED11采用上下电极，键合材料采用钯-铟合金。
Claims (10)
1.一种电注入调控三基色的白光发光二极管，在衬底的一侧依次叠加第一n型欧姆接触层、绿光有源层、p型欧姆接触层、蓝光有源层和第二n型欧姆接触层，或者依次叠加第一p型欧姆接触层、绿光有源层、n型欧姆接触层、蓝光有源层和第二p型欧姆接触层，在衬底的另一侧键合红光发光二极管。
2.如权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述绿光有源层为发射波长在绿光波段的量子阱。
3.如权利要求2所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱为InGaN或AlInGaN量子阱。
4.如权利要求2所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱的周期数为1～20，每个周期中，阱的厚度为1nm～5nm，垒的厚度为6nm～20nm。
5.如权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述蓝光有源层为发射波长在蓝光波段的量子阱。
6.如权利要求5所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱为InGaN或AlInGaN量子阱。
7.如权利要求5所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱的周期数为1～20，每个周期中，阱的厚度为1nm～5nm，垒的厚度为6nm～20nm。
8.如权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述p型欧姆接触层材料为p型GaN，厚度为300nm～1500nm。
9.如权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述n型欧姆接触层材料为n型GaN，厚度为300nm～1500nm。
10.如权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述红光发光二极管是InP基的红光发光二极管。
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