CN101582473B - 通过应力调节led发光波长的方法及相应的白光led - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调节LED发光波长的方法，是在缓冲层上先生长第一n型欧姆接触层，再沉积一层SiO2薄膜作为掩膜，在掩膜上开出具有一定几何形状和尺寸的生长窗口，然后在生长窗口处继续生长第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层。不同形状和尺寸的生长窗口对二次外延器件内部应力的调节可以使同一种生长工艺条件下制备的器件发出不同波段的辐射光。采用这一特殊方法可制备白光LED，即在掩膜的不同区域根据预先设计开设不同形状、尺寸和数量的生长窗口，可从一个器件发出不同波段的辐射光，它们混合后得到白光。该LED器件只需单一芯片即可发出白色光，而且制备简便，电路简单，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，尤其涉及单芯片发光二极管(LED)器件发光波长的调节方法，以及一种单芯片白光LED。
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基的蓝光、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。
如中国专利说明书CN2681354Y，中国专利申请公开说明书CN1618925A等公开的方法，都属于利用上述三种途径制备白光LED的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过器件制备过程中的工艺手段调节LED芯片发光波长的方法，并通过此种方法获得单芯片多波长LED和单芯片多波长白光LED器件。
本发明调节LED发光波长的方法是，在器件的生长过程中，在缓冲层之上先生长第一n型欧姆接触层，再在其上沉积一层SiO2薄膜作为掩膜，在掩膜上开出具有一定几何形状和尺寸的生长窗口，然后在生长窗口处继续生长第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层，从而使有源层发出的光的波长改变。
上述方法中，优选SiO2薄膜的厚度为100-300nm，利用光刻和腐蚀的方法在SiO2掩膜上开出具有如正方形、六边形和圆形等不同几何形状、尺寸的生长窗口。
不同形状和尺寸的生长窗口对二次外延器件内部应力的调节可以使同一种生长工艺条件下制备的器件发出不同波段的辐射光，例如：对于有源层为蓝光多量子阱(MQW)的GaN基LED器件，通过边长为1mm的正方形、边长为180μm的正六边形、直径为350μm的圆形和边长为350μm的正方形的生长窗口，分别可发出紫光、黄绿光、蓝紫光和蓝光。其中，第一和第二n型欧姆接触层均为厚度1000-2000nm的n型GaN；有源层为周期数为1～10的蓝光多量子阱，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm；p型欧姆接触层为厚度100nm～300nm的p型GaN。
基于上述通过应力调节LED发光波长的方法，本发明提出了一种单芯片白光LED，具体技术方案如下：
一种单芯片白光LED，包括第一n型欧姆接触层、SiO2薄膜、第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层，所述SiO2薄膜位于第一n型欧姆接触层上，以该SiO2薄膜为掩膜，在掩膜上开有两种或两种以上的不同几何形状、尺寸和数量的生长窗口，第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层依次层叠于生长窗口处，经不同生长窗口的应力调节发出两种或两种以上不同波段的辐射光，通过预先设定不同生长窗口的几何形状、尺寸和数量，使这两种或两种以上的不同波段的光混合后得到白光。
以一种蓝光有源层的GaN基白光LED为例，其第一n型欧姆接触层为n型GaN，厚度1000-2000nm；SiO2薄膜的厚度为100-300nm；将SiO2薄膜分为两个区域，利用光刻和腐蚀的方法在不同区域上分别开出边长为1mm的正方形和边长为180μm的六边形的生长窗口，正方形和六边形生长窗口的数量比例为1∶4；第二n型欧姆接触层为n型GaN，厚度1000-2000nm；有源层为周期数为1～10的蓝光多量子阱(MQW)，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm；p型欧姆接触层为p型GaN，厚度100nm～300nm。上述结构的LED的不同区域受到不同形状生长窗口对二次外延器件内部应力的调节，发出紫色和黄绿色两种波段的辐射光，这两种光混合后得到白光。
上述第一和第二n型欧姆接触层可为掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
上述p型欧姆接触层可为掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
本发明通过不同形状、尺寸生长窗口对二次外延器件内部应力的调节，使同一种生长工艺条件下制备的器件发出不同波段的辐射光。采用这一特殊方法在LED器件的不同区域根据预先设计开设不同形状、尺寸和数量的生长窗口，就可以从一个器件发出不同波段的辐射光，而这些不同波段的辐射光混合后得到白光。本发明的LED器件只需单一芯片即可发出白色光，而且器件的制备方法简便，电路简单，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是本发明的通过生长窗口应力调节发光波长的GaN基LED的结构示意图。
图2是本发明实施例一中生长窗口的基本单元图形。
图3是本发明实施例二中生长窗口的基本单元图形。
图4是本发明实施例三中生长窗口的基本单元图形。
图5是本发明实施例四中生长窗口的基本单元图形。
图6是本发明的通过生长窗口应力调节发光波长的LED器件的电致荧光光谱图，其中a)、b)、c)、d)分别对应实施例一、二、三、四所制备的LED。
图7是本发明实施例五通过应力调节实现单芯片白光LED的生长窗口的基本单元图形。
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。
实施例一：
本发明的GaN基LED器件的结构如图1所示，在蓝宝石衬底1之上依次是GaN成核层2、非掺GaN层3、第一n型GaN层4和SiO2掩膜5，在掩膜5上开有生长窗口，在生长窗口处再继续依次生长有第二n型GaN层6、蓝光有源层7和p型GaN层8。通过生长窗口的应力调节，可使该LED发射紫光，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℃，并以三甲基镓和氨气为源低温生长25nm厚的GaN成核层2，然后升温到1050℃生长2000nm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)，以每小时1800nm的生长速度生长掺杂浓度为1×1019cm-3的n型GaN层4，厚度为1000nm；
3.将生长完第1、2两步的样品置入等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中，进行SiO2掩膜5的生长，掩膜厚度约为250nm；
4.在步骤3生长的SiO2掩膜5上光刻出生长窗口，生长窗口的基本单元图形如图2所示，正方形的边长为1mm，相邻正方形之间的距离为0.05mm，重复光刻此基本单元，直至整个样品表面布满生长窗口，然后用氢氟酸∶水＝1∶10(体积)的混合溶液腐蚀掉暴露的SiO2薄膜，得到光刻的图形；
5.将样品放入MOCVD反应室中进行第二次生长掺杂浓度为1×1019cm-3的n型GaN层6，生长条件和步骤2相同，厚度为1000nm；
6.生长InxGa1-xN/GaN多量子阱作为蓝光有源层7，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；
7.生长掺杂浓度为1×1019cm-3的Mg掺杂p型GaN层8，厚度为200nm。
由以上实施步骤生长得到的LED器件样品在室温下电注入测量电致荧光光谱，CETCST-103A型手动电学探针台对样品进行电注入，光谱信号采集设备为Ocean Optics S2000型光纤光谱仪，光谱仪的积分时间为50ms，样品器件的电致荧光光谱图如图6(a)所示，发出紫色荧光。。
实施例二：
制备步骤同实施例一，其中在步骤4中生长窗口的基本单元图形为如图3所示，生长窗口为边长180μm的正六边形，相邻正六边形之间的最短距离为0.05mm。所得样品的电致荧光光谱图如图6b)所示(测量条件同实施例一)，发出黄绿色荧光
实施例三：
制备步骤同实施例一，其中在步骤4中生长窗口的基本单元图形为如图4所示，生长窗口为直径350μm圆形，相邻圆形之间的最短距离为0.05mm。所得样品的电致荧光光谱图如图6c)所示(测量条件同实施例一)，发出蓝紫色荧光
实施例四：
制备步骤同实施例一，其中在步骤4中生长窗口的基本单元图形为如图5所示，生长窗口为边长350μm的正方形，相邻正方形之间的距离为0.05mm。所得样品的电致荧光光谱图如图6d)所示(测量条件同实施例一)，发出蓝色荧光
实施例五：
一种单芯片白光LED的具体制备过程如下：
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低温生长25nm厚的GaN成核层，然后升温到1050℃生长2000nm厚的非掺GaN；
2.在步骤1的基础上，再向反应室通入硅烷(SiH4)，以每小时1800nm的生长速度生长掺杂浓度为1×1019cm-3的n型掺杂GaN，厚度为1000nm；
3.将生长完第1、2两步的样品置入等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中，进行SiO2掩膜的生长，SiO2掩膜厚度约为250nm；
4.在步骤3生长的SiO2掩膜光刻出生长窗口，生长窗口的基本单元图形如图7所示，可分为两个区域，一边是一个边长为1mm正方形，另一边是四个边长为180μm的六边形，排列方式见图7；用氢氟酸∶水＝1∶10(体积)的混合溶液腐蚀掉暴露的SiO2薄膜，得到光刻的图形；
5.将前面得到的样品放入MOCVD反应室中进行第二次生长，生长条件和步骤2相同，厚度为1000nm；
6.生长InxGa1-xN/GaN多量子阱作为蓝光有源层7，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；
7.掺杂浓度为1×1019cm-3的Mg掺杂p型GaN层，厚度为200nm。
样品的不同区域受到不同形状生长窗口对二次外延器件内部应力的调节，使同一种生长工艺条件下制备的器件发出紫色和黄绿色两种波段的辐射光，两种光混合后得到白光。
Claims (7)
1.一种调节发光二极管发光波长的方法，所述发光二极管为GaN基发光二极管，包括第一n型欧姆接触层、SiO2薄膜、第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层，其中第一和第二n型欧姆接触层均为厚度1000-2000nm的n型GaN；有源层为周期数为1～10的蓝光多量子阱，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm；p型欧姆接触层为厚度100nm～300nm的p型GaN；在发光二极管的生长过程中，在缓冲层之上先生长第一n型欧姆接触层，再在其上沉积一层SiO2薄膜作为掩膜，用光刻和腐蚀的方法在在掩膜上开出具有一定几何形状和尺寸的生长窗口，然后在生长窗口处继续生长第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层，从而使有源层发出的光的波长改变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述SiO2薄膜的厚度为100-300nm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生长窗口为正方形、圆形或正六边形。
4.一种单芯片白光发光二极管，该发光二极管为GaN基发光二极管，包括第一n型欧姆接触层、SiO2薄膜、第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层，其中，所述第一和第二n型欧姆接触层均为厚度1000-2000nm的n型GaN；所述有源层为周期数为1～10的蓝光多量子阱，每个周期中阱的厚度为1nm～10nm，垒的厚度为5nm～20nm；所述p型欧姆接触层为厚度100nm～300nm的p型GaN；所述SiO2薄膜位于第一n型欧姆接触层上，以该SiO2薄膜为掩膜，在掩膜上开有两种或两种以上的不同几何形状、尺寸和数量的生长窗口，第二n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层依次层叠于生长窗口处，经不同生长窗口的应力调节发出两种或两种以上不同波段的辐射光，通过预先设定不同生长窗口的几何形状、尺寸和数量，使这两种或两种以上的不同波段的光混合后得到白光。
5.如权利要求4所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述SiO2薄膜的厚度为100-300nm。
6.如权利要求5所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述SiO2薄膜分为两个区域，分别开有边长为1mm的正方形和边长为180μm的六边形的生长窗口，正方形和六边形生长窗口的数量比例为1∶4。
7.如权利要求6所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于：所述第一和第二n型欧姆接触层为掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3；p型欧姆接触层为掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
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