CN102412354B - 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
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 (1)
1.一种白光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
(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10~100nm;
(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200~1000nm;
(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;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℃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100~1000nm;
(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;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℃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。
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