CN102412354A - 一种白光led外延结构及制作方法、白光led芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种白光LED外延结构及制作方法，以及含有该外延结构的白光LED芯片结构。所述外延结构的外延片包括从下至上依次设置的ZnS衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。本发明的白光LED外延结构及芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，发光质量好、显色性好、提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。

Description

一种白光LED外延结构及制作方法、白光LED芯片结构
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体地说，涉及一种白光LED的外延结构及制作方法以及包含有该外延结构的白光LED芯片结构。
背景技术
白光LED具有节能、环保、寿命长、可以工作在高速状态等诸多优点， 其用途越来越广，政府正大力推广。目前，通常采用蓝光LED激发非透明的黄色荧光粉通过波长转换来制作白光LED，由于蓝光LED持续点亮会造成温度升高，波长转换材料会发生退化，蓝光芯片发出的光通过黄色荧光粉时会发生散射吸收等现象，使得出光效率不高，同时由于黄色荧光粉涂覆厚度的不均匀也会带来黄色光圈、蓝色光斑、白光色温不一致等问题，由此使得用蓝光LED激发黄色荧光粉生产的白光LED显色性差、稳定性差。
如何提高现有的白光LED的显色性能和稳定性正成为当今大家最为关心的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现状提供一种显色性好、稳定性好的白光LED外延结构及制作方法以及包含有该外延结构的白光LED芯片结构。 
为解决上述关于白光LED外延结构的技术问题，本发明的技术方案是：一种白光LED外延结构，包括外延片，所述外延片包括从下至上依次设置的ZnS衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。
作为优选，所述ZnS衬底的厚度为50～200um。
作为优选，所述GaN过渡层的厚度为10～100 nm。
作为优选，所述第一N-GaN接触层、第二N-GaN接触层的厚度均为200～1000 nm。
作为优选，所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
作为优选，所述第一P-GaN接触层、第二P-GaN接触层的厚度均为80～600nm。
作为优选，所述N-GaN级联层的厚度为100～1000 nm。
作为优选，所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
为解决上述关于白光LED外延结构的制作方法技术问题，本发明的技术方案是：一种白光LED外延结构的制作方法，包括生长外延片步骤，所述生长外延片步骤包括
(a)将ZnS衬底送入外延炉，在605～615℃生长GaN过渡层, 所述GaN过渡层的厚度为10～100 nm;
(b)在所述外延炉内，在1055～1065℃生长第一N-GaN接触层,所述第一N-GaN接触层的厚度为200～1000 nm；
(c)在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃生长掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层，所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm；
(d)在所述外延炉内，在995～1005℃生长第一P-GaN接触层，所述第一P-GaN接触层的厚度为80～600nm；
(e)在所述外延炉内，在905～1005℃生长N-GaN级联层，所述N-GaN级联层的厚度为100～1000 nm；
(f)在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃生长掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层，所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm；
(g)在所述外延炉内，在995～1005℃生长第二P-GaN接触层，所述第二P-GaN接触层的厚度为80～600nm，即制得外延片。
为解决上述关于白光LED芯片结构的技术问题，本发明的技术方案是：一种白光LED芯片结构，包括以上所述的外延片；在所述外延片的第二P-GaN接触层上设置有P电极，在第一N-GaN接触层上设置有N电极。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：由于本发明的白光LED外延结构是在同一块ZnS衬底上分别生长同时掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层和In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层来得到白光。在500～560nm之间，可以得到宽带波长的施主-受主对，Si和Zn会发生施主-受主对相关的宽带辐射，而InGaN多量子阱LED发生带边辐射，二者结合就会产生白光。这种掺杂Si和Zn的In x Ga1-x N-GaN多量子阱LED的场致发光光谱与荧光粉转换得到的白光LED的光谱非常相似。经过测量，其色温为6300K，色坐标为（0.316，0.312）。由于本发明的白光LED外延结构以及包含有该外延结构的白光LED芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，其发光质量好、显色性好、稳定性好，提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。
ZnS为纳米级材料，能带隙宽，折射率高、透光率高，采用ZnS作衬底具有优良的荧光效应及电致发光功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明实施例中的外延结构示意图；
图2是本发明实施例中的芯片结构示意图；
图中：1-ZnS衬底；2- GaN过渡层；3-第一N-GaN接触层；4-掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层；5-第一P-GaN接触层；6- N-GaN级联层；7-第二N-GaN接触层；8-掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层；9-第二P-GaN接触层；10-P电极；11-N电极。
具体实施方式
如图1所示，一种白光LED外延结构，包括外延片，所述外延片包括从下至上依次设置的ZnS衬底1、GaN过渡层2、第一N-GaN接触层3、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4、第一P-GaN接触层5、N-GaN级联层6、第二N-GaN接触层7、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8和第二P-GaN接触层9。ZnS衬底为纳米级材料，能带隙宽，折射率高、透光率高，具有优良的荧光效应及电致发光功能。
其中，所述ZnS衬底1的厚度为50～200um，最好为100 um。
其中，所述GaN过渡层2的厚度为10～100 nm，最好为50 nm。
其中，所述第一N-GaN接触层3、第二N-GaN接触层7的厚度均为200～1000 nm，最好为500 nm。
其中，所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4的厚度为1000～10000nm，最好为2000 nm。
其中，所述第一P-GaN接触层5、第二P-GaN接触层9的厚度均为80～600nm，最好为250 nm。
其中，所述N-GaN级联层6的厚度为100～1000 nm，最好为200nm。
其中，所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8的厚度为1000～10000nm，最好为2000nm。
本发明的白光LED外延结构的制作方法，包括生长外延片步骤，所述生长外延片步骤如下：
(a)选择厚度为50～200um，最好为100 um的ZnS衬底1，清洗干净，将ZnS衬底1放在托盘里送入K465i  MOCVD外延炉，在605～615℃下生长GaN过渡层2, 直至所述GaN过渡层2的厚度生长到10～100 nm，厚度为50 nm时最好。
(b)在所述外延炉内，在1055～1065℃生长第一N-GaN接触层3,直至所述第一N-GaN接触层3的厚度生长至200～1000 nm，厚度为500 nm时最好。
(c)在所述外延炉内，冲入氮气作保护，在685～695℃，最好680℃生长掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4，直至所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层4的厚度生长至1000～10000nm，厚度为2000 nm时最好。按质量比，Si和Zn的掺杂量占该发光层的0.15%～0.25%。
(d)在所述外延炉内，在995～1005℃，最好1000℃生长第一P-GaN接触层5，直至所述第一P-GaN接触层5的厚度生长至80～600nm；厚度为250 nm时最好。
(e)在所述外延炉内，在905～1005℃，最好950℃生长N-GaN级联层6，直至所述N-GaN级联层6的厚度生长至100～1000 nm，厚度为200nm时最好。
(f)在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃，最好690℃生长掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8，直至所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层8的厚度生长至1000～10000nm，厚度为2000 nm时最好。按质量比，Si和Zn的掺杂量占该发光层的0.15%～0.25%。
(g)在所述外延炉内，在995～1005℃，最好1000℃生长第二P-GaN接触层9，直至所述第二P-GaN接触层9生长至80～600nm，厚度为250 nm时最好。最终即制得图1所示的外延片。
如图2所示，一种白光LED芯片结构，包括图1所示的外延片；在所述外延片的第二P-GaN接触层9上设置有P电极10，在第一N-GaN接触层3上设置有N电极11。
制作出图1所示的外延片后，按照如下常规的制作芯片工艺流程，即可制作出图2所示的白光LED芯片结构：外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2 沉积→窗口图形光刻→SiO2 腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P 极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。其中，在制作电极时，P电极10先镀铝再镀钛, N电极11依次蒸镀钛、铝、钛、金，以便与外延结构的材料更好地结合。
本发明的白光LED外延结构是在同一块ZnS衬底上分别生长同时掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层和In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层来得到白光，这种掺杂Si和Zn的In x Ga1-x N-GaN多量子阱LED结构也可以采用MOVPE的方法进行生长。在500～560nm之间，可以得到宽带波长的施主-受主对，Si和Zn会发生施主-受主对相关的宽带辐射，而InGaN多量子阱LED发生带边辐射，二者结合就会产生白光。这种掺杂Si和Zn的In x Ga1-x N-GaN多量子阱LED的场致发光光谱与荧光粉转换得到的白光LED的光谱非常相似。经过测量，其色温为6300K，色坐标为（0.316，0.312）。由于本发明的白光LED外延结构以及包含有该外延结构的白光LED芯片结构不用涂覆荧光粉，因此从根本上摆脱了荧光粉的束缚，其发光质量好、显色性好、稳定性好，提高了工作稳定性和使用寿命，减少了封装工序，可以使从白光LED的外延、芯片、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种白光LED外延结构，包括外延片，其特征在于：所述外延片包括从下至上依次设置的ZnS衬底、GaN过渡层、第一N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层、第一P-GaN接触层、N-GaN级联层、第二N-GaN接触层、掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层和第二P-GaN接触层。
2.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述ZnS衬底的厚度为50～200um。
3.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述GaN过渡层的厚度为10～100 nm。
4.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述第一N-GaN接触层、第二N-GaN接触层的厚度均为200～1000 nm。
5.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
6.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述第一P-GaN接触层、第二P-GaN接触层的厚度均为80～600nm。
7.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述N-GaN级联层的厚度为100～1000 nm。
8.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构，其特征在于：所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm。
9.如权利要求1所述的一种白光LED外延结构的制作方法，其特征在于：包括生长外延片步骤，所述生长外延片步骤包括
将ZnS衬底送入外延炉，在605～615℃生长GaN过渡层, 所述GaN过渡层的厚度为10～100 nm;
在所述外延炉内，在1055～1065℃生长第一N-GaN接触层,所述第一N-GaN接触层的厚度为200～1000 nm；
在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃生长掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层，所述掺杂Si和Zn的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm；
在所述外延炉内，在995～1005℃生长第一P-GaN接触层，所述第一P-GaN接触层的厚度为80～600nm；
在所述外延炉内，在905～1005℃生长N-GaN级联层，所述N-GaN级联层的厚度为100～1000 nm；
在所述外延炉内，以氮气作保护，在685～695℃生长掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层，所述掺杂Si和Zn的In0.49Ga0.51N/GaN多量子阱发光层的厚度为1000～10000nm；
在所述外延炉内，在995～1005℃生长第二P-GaN接触层，所述第二P-GaN接触层的厚度为80～600nm，即制得外延片。
10.一种白光LED芯片结构，其特征在于：包括权利要求1至8中任一项所述的外延片；所述外延片的第二P-GaN接触层上设置有P电极， N-GaN接触层上设置有N电极。
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