CN102097554A - 一种GaN基单芯片白光发光二极管及其制备方法 - Google Patents

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牛萍娟
李晓云
田海涛
张建新
于莉媛
杨广华
高铁成
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Abstract

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，涉及一种GaN基单芯片白光发光二极管，包括一GaN成核层、一n型GaN层缓冲层、一InGaN插入层、一有源层、一GaN隔离层、一p型欧姆接触层，依次层叠于C面蓝宝石衬底上。本发明同时提供了该种发光二极管的制备方法。本发明的单芯片白光LED，具有无需荧光粉，外延工艺和器件结构都很简单，成本较低，光电转化效率较高的优点。

Description

一种GaN基单芯片白光发光二极管及其制备方法
所属技术领域
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
随着GaN基材料外延技术的不断进步，高亮度的绿光、蓝光以及更短波长的发光二极管(LED)的性能取得了长足的进步，商品化的可见光波段LED已经覆盖了从红光到紫外波段的范围。目前实现白光发光二极管的解决方案主要有三种。一是在1997年由Nakamura等人实现的利用GaN基蓝色LED管芯加少量钇铝石榴石为主的荧光粉，使发射的蓝光一部分激发荧光粉发出黄光，与蓝光混合的方法产生白光。二是采用红、绿、蓝三基色LED芯片组或三基色LED管组合在一起，混合后发出白光。这种办法得到的白光具有色域宽，色调、色温调整灵活等优点，但由于红绿蓝三种LED的光衰特性不一致，随着使用时间的增加，三色的混合比例会变化，显色指数会相应变化，而且此方案的驱动电路比较复杂成本高。三是在2001年由Kafmann等人采用紫外LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光。这种方法得到的白光具有色温适合，色坐标接近标准值以及显色指数较高等优点，但其最大的难点在于获得高转换效率的三色荧光粉，特别是高效红色荧光粉，而且还有紫外光泄漏和荧光粉测试稳定性等问题。
以上传统的GaN基白光LED在效率、寿命和色度等方面都各有所欠缺，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。如中国专利申请公开说明书CN1700484A报道的方法就可制备得到无荧光粉的白光LED，但这种方法的一个缺点就是工艺比较复杂，需要单独制备发光层；如中国专利申请公开说明书CN101556983A报道的方法只需单一芯片即可发出白光，但需要非掺GaN光致荧光层，这样就会增加成本并降低可靠性；如中国专利申请公开说明书CN101582418A报道的方法可制备电注入调控三基色单芯片白光LED，但这种方法用的外延材料的层数太多，还需要用到5个电极，外延和芯片加工艺都比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需荧光粉，外延工艺和器件结构都很简单，成本较低，光电转化效率较高的单芯片白光LED。本发明所采用的技术方案是：
一种GaN基单芯片白光发光二极管，包括一GaN成核层、一n型GaN层缓冲层、一InGaN插入层、一有源层、一GaN隔离层、一p型欧姆接触层，依次层叠于C面蓝宝石衬底上。
作为优选实施方式，所述的有源层为InGaN/GaN多量子阱层，其周期数为3～10，在量子阱的每个周期中，InGaN的厚度为2～5nm之间，GaN的厚度可为15～25nm之间；所述的GaN成核层和n型GaN层缓冲层，分别为衬底温度维持在450～550℃，生长20～50nm厚的GaN成核层以及衬底温度升高到1000～1200℃生长2～4μm厚的n型GaN缓冲层；所述的GaN隔离层为8～20nm厚的GaN层；所述的p型欧姆接触层为掺Mg的GaN层，厚度在150～300nm。
本发明同时给出一种上述GaN基单芯片白光发光二极管的制备方法，包括下列步骤：
(1)在530℃温度下，以三甲基镓和氨气为源，在C面蓝宝石衬底上C生长20～50nm厚的GaN成核层；
(2)将温度升高到1040℃，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，生长掺Si GaN缓冲层，厚度为2～4μm；
(3)在840℃下，生长厚度为200～240nm的InGaN插入层；
(4)生长3～10个周期的InGaN/GaN多量子阱，InGaN的生长温度控制在720℃，生长厚度为2～5nm，GaN的生长温度则控制在820℃，生长厚度为15～25nm之间。
(5)保持温度在820℃以上，生长GaN隔离层，其厚度为8～20nm；
(6)在900℃生长掺Mg的GaN层，厚度在150～300nm。
本发明的单芯片白光LED是在普通GaN基LED基础上增加InGaN插入层，由于InGaN插入层弛豫度不同，在InGaN量子阱中发生In组分的相分离，形成了大量的富In量子点和低In组分局域态。InGaN/GaN多量子阱中富In量子点发出黄光，而量子阱中其他低In组分区域发出蓝光，从而发出混合后的白光。通过改变InGaN插入层的厚度，改变其弛豫度，不同的弛豫度在InGaN量子阱中会发生In组分的相分离的程度不同，可以改变白光LED的发光品质，从而实现了利用InGaN插入层对白光LED的光品质调制，使其色坐标从单一光变化到混合光白光。
附图说明
图1是本发明的单芯片白光LED器件的结构示意图。
图2是本发明的单芯片白光LED器件在20mA注入电流下的光谱图。
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。
本发明的单芯片白光LED器件结构如图1所示，C面(0001)蓝宝石衬底1之上依次为GaN成核层2、n型GaN缓冲层3、InGaN插入层4、有源层5、GaN隔离层6、p型GaN欧姆接触层7。其中InGaN插入层为在840℃下制得的生长厚度为200～240nm的InGaN层，其作用是提高LED的内量子效应，并产生In组分的相分离。
有源层为InGaN/GaN多量子阱层，其周期数为3～10，在量子阱的每个周期中，InGaN的厚度可为2～5nm之间，GaN的厚度可为15～25nm之间。
GaN成核层和缓冲层采用两步生长法，先低温成核再高温生长。首先，衬底温度维持在450～550℃，生长20～50nm厚的GaN成核层，接着衬底温度升高到1000～1200℃生长2～4μm厚的GaN缓冲层。
GaN隔离层为8～20nm厚的GaN层。
p型欧姆接触层可为掺Mg的GaN层，厚度在150～300nm。
本发明的一个实施例的制备过程如下：
1.用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用蓝宝石(0001)C面衬底。首先，C面蓝宝石衬底在氢气中加热到1180℃，并保持10分钟以获得洁净的衬底表面，然后降温到530℃，并以三甲基镓(TMGa)和高纯度氨气(NH3)为源，生长30nm厚的GaN成核层2；
2.在步骤1的基础上，把温度升高到1040℃，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，生长掺Si GaN缓冲层3，此层为常规掺Si的GaN层，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为3μm；
3.在步骤2的基础上，把温度下降到840℃，用三甲基铟(TMIn)作为In源，生长InGaN插入层4，其厚度为220nm；
4.在步骤3的基础上，在InGaN插入层4上生长四个周期的InGaN/GaN多量子阱5，InGaN的生长温度控制在720℃，生长厚度为3nm，而GaN的生长温度则控制在820℃，生长厚度为18nm；
5.在步骤4的基础上，继续保持温度820℃，生长GaN隔离层6，其厚度为10nm；
6.在步骤5的基础上，把温度升至900℃左右，以二茂基镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，生长LED器件的p型欧姆接触层7，此层为掺Mg的GaN层，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm。

Claims (6)

1.一种GaN基单芯片白光发光二极管，包括一GaN成核层、一n型GaN层缓冲层、一InGaN插入层、一有源层、一GaN隔离层、一p型欧姆接触层，依次层叠于C面蓝宝石衬底上。
2.根据权利要求1所述的GaN基单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的有源层为InGaN/GaN多量子阱层，其周期数为3～10，在量子阱的每个周期中，InGaN的厚度为2～5nm之间，GaN的厚度可为15～25nm之间。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的GaN成核层和n型GaN层缓冲层，分别为衬底温度维持在450～550℃，生长20～50nm厚的GaN成核层以及衬底温度升高到1000～1200℃生长2～4μm厚的n型GaN缓冲层。
4.根据权利要求1或2或3所述的GaN基单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的GaN隔离层为8～20nm厚的GaN层。
5.根据权利要求1所述的GaN基单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的p型欧姆接触层为掺Mg的GaN层，厚度在150～300nm。
6.一种GaN基单芯片白光发光二极管制备方法，包括下列步骤：
(1)在530℃温度下，以三甲基镓和氨气为源，在C面蓝宝石衬底上C生长20～50nm厚的GaN成核层；
(2)将温度升高到1040℃，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，生长掺Si GaN缓冲层，厚度为2～4μm；
(3)在840℃下，生长厚度为200～240nm的InGaN插入层；
(4)生长3～10个周期的InGaN/GaN多量子阱，InGaN的生长温度控制在720℃，生长厚度为2～5nm，GaN的生长温度则控制在820℃，生长厚度为15～25nm之间；
(5)保持温度在820℃以上，生长GaN隔离层，其厚度为8～20nm；
(6)在900℃生长掺Mg的GaN层，厚度在150～300nm。
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