CN103531681A - 一种GaN基白光发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基白光发光二极管及其制备方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管包括衬底、在所述衬底正面依次生长的第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层、第一量子阱发光层、p型GaN层、纳米铟锡金属氧化物层、n型电极、p型电极和钝化层；在所述衬底反面依次生长的第二低温缓冲层、第二高温缓冲层和第二量子阱发光层，所述第一量子阱发光层用于发出蓝光，所述第二量子阱发光层用于在第一量子阱发光层发出的蓝光的激发下发出黄光。本发明通过在衬底正反两面生长不同的量子阱结构分别发出蓝光和黄光复合得到白光。由于不使用荧光粉，光衰影响小，因此GaN基白光LED具有良好的稳定性和使用寿命，且工业化生产简单。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件制造技术领域，特别涉及一种GaN基白光发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管（LED,Light Emitting Diode），尤其是白光LED因其高效、节能、无污染等优点，被誉为第四代绿色照明光源。随着白光LED在照明、背光源等领域越来越广泛的应用，因此对其进行研究意义非凡。
现有的白光LED多采用LED发出的短波长光去激发各色荧光粉，使各色荧光粉发出各色光，进而将各色光进行混合产生白光。例如，利用蓝光LED激发YAG（钇铝石榴石，化学式为Y3Al5O12）荧光粉，其中部分蓝光被YAG荧光粉吸收后发出黄光，该黄光与未被吸收的蓝光混合成为白光。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于荧光粉光衰快，且封装工艺复杂，使得使用荧光粉发光的白光LED使用寿命短，稳定性和可靠性均不高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种GaN基白光发光二极管及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基白光发光二极管，所述发光二极管包括衬底、在所述衬底正面依次生长的第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层、第一量子阱发光层、p型GaN层、纳米铟锡金属氧化物层和钝化层，所述p型GaN层上生长有p型电极，所述n型GaN层上生长有n型电极，且所述p型电极和所述n型电极穿过所述钝化层裸露在外，所述发光二极管还包括在所述衬底反面依次生长的第二低温缓冲层、第二高温缓冲层和第二量子阱发光层，所述第一量子阱发光层用于发出蓝光，所述第二量子阱发光层用于在所述第一量子阱发光层发出的蓝光的激发下发出黄光。
优选地，所述第一量子阱发光层为超晶格结构，所述第一量子阱发光层由InyGa1-yN层和AlaInbGa1-a-bN层堆叠而成，其中，y的取值范围为0.1～0.3，a的取值范围为0.1～0.4、b的取值范围为0.1～0.3，所述第一量子阱发光层的周期数为6～12。
进一步地，所述第一量子阱发光层的所述InyGa1-yN层和所述AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。
优选地，所述第二量子阱发光层为超晶格结构，所述第二量子阱发光层由InxGa1-xN层和AlaInbGa1-a-bN层堆叠而成，其中，x的取值范围为0.3～0.6，a的取值范围为0.1～0.4、b的取值范围为0.1～0.3，所述第二量子阱发光层的周期数为6～12。
进一步地，所述第二量子阱发光层的所述InxGa1-xN层和所述AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。
优选地，所述衬底的正面和/或反面均为图形化表面。
优选地，所述发光二极管还包括生长在所述第二量子阱发光层上的反射层。
进一步地，所述反射层为Ag层或者分布式布拉格反射镜层中的一种。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基白光发光二极管的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底正面依次生长第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层、第一量子阱发光层、p型GaN层；
在所述衬底反面依次生长第二低温缓冲层、第二高温缓冲层和第二量子阱发光层；
在所述p型GaN层上生长纳米铟锡金属氧化物电流扩散层、p型电极和钝化层，在所述n型GaN层上生长n型电极，所述n型电极和所述p型电极穿过所述钝化层裸露在外。
优选地，所述方法还包括：在所述第二量子阱发光层上生长反射层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底正反两面生长不同波长的量子阱结构，由正面量子阱发光层发出的蓝光激发反面量子阱发光层发出黄光，再通过反射层的反射作用使黄光在正面与蓝光复合得到白光。由于不使用荧光粉，光衰影响小，因此GaN基白光LED具有良好的稳定性和使用寿命，且工业化生产简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种GaN基白光发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种GaN基白光发光二极管制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种GaN基白光发光二极管，参见图1，该发光二极管包括：衬底1、在衬底1正面依次生长的第一低温缓冲层2、第一高温缓冲层3、n型GaN层4、第一量子阱发光层5、p型GaN层6、ITO（Indium Tin OxidesIndium Tin Oxides，纳米铟锡金属氧化物）层7、n型电极8、p型电极9和钝化层10；在衬底1反面依次生长的第二低温缓冲层11、第二高温缓冲层12和第二量子阱发光层13。第一量子阱发光层5用于发出蓝光，第二量子阱发光层13用于在第一量子阱发光层5发出的蓝光的激发下发出黄光。
进一步地，第一量子阱发光层5电致发出蓝光，第二量子阱发光层13在该蓝光的作用下光致发出黄光，该黄光在反射层14的反射下与蓝光在第一量子阱发光层5中复合产生白光，其中，第一量子阱发光层5发出的蓝光的波长范围为430～480nm，第二量子阱发光层13受第一量子阱发光层5发出的蓝光激发而发出的黄光的波长范围为560～590nm。这种结构不采用荧光粉即可得到白光，光衰影响小，制作的发光二极管寿命更长，并且衬底反面采用第二量子阱发光层，可以针对正面蓝光波长范围进行生长调整，使反面第二量子阱发光层更有针对性地、更加高效地吸收正面第一量子阱发光层产生的蓝光，并准确地产生所需要的黄光波长，使黄光与蓝光混合成所需要的白光。总而言之，可以通过调整第一量子阱发光层和第二量子阱发光层来调节蓝光和黄光的波长及比例，从而进一步调节白光的色温及光强，最终产生更优质的白光。
进一步地，第一量子阱发光层5（即衬底1正面的量子阱发光层）采用超晶格结构，由InyGa1-yN层51和AlaInbGa1-a-bN层52堆叠而成，其中，InyGa1-yN层51中InN的含量y值为0.1～0.3，AlaInbGa1-a-bN层52中AlN的含量a值为0.1～0.4、InN的含量b值为0.1～0.3。InyGa1-yN层51和AlaInbGa1-a-bN层52的厚度均为2～5nm。第一量子阱发光层5的周期数可以为6～12。
第二量子阱发光层13（即衬底1反面的量子阱发光层）也采用超晶格结构，由InxGa1-xN层131和AlaInbGa1-a-bN层132堆叠而成，其中，InxGa1-xN层131中InN的含量x值为0.3～0.6，AlaInbGa1-a-bN层132中AlN的含量a值为0.1～0.4、InN的含量b值为0.1～0.3。InxGa1-xN层131和AlaInbGa1-a-bN层132的厚度均为2～5nm。第二量子阱发光层13周期数可以为6～12。
优选地，p型GaN层6空穴浓度为1016～1020cm-3。容易知道，p型GaN层6不限于Mg掺杂，且P型GaN层6可以为单层也可以为多层。
优选地，衬底1可以采用蓝宝石衬底，容易知道，衬底1还可以采用Si衬底、SiC衬底、GaN衬底。
优选地，在本实施例中，衬底1的正面和/或反面均为图形化表面。图形化表面上的图形可以是周期性图形阵列，阵列中的图形单元可以为圆形、方形三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。图形化表面可以增加材料分界处的透射率，使光更高效的通过衬底，从而避免光在衬底内多次反射而降低出光效率。当然，在其它实施例中，衬底1的正面和反面也可以是平坦的表面。
在本实施例中，钝化层10为SiO2层或者SiC层中的一种。ITO层7和钝化层10生长在p型GaN层6上，n型电极8和p型电极9穿过钝化层10裸露在外。
优选地，本实施例中，发光二极管还包括生长在第二量子阱发光层13上的反射层14。利用反射层14的反射作用以提高正面出光量。容易知道，在其他实施例中可以不采用反射层。
可选地，反射层14为Ag层或者DBR（Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜）层中的一种。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底正反两面生长不同波长的量子阱结构，由正面量子阱发光层发出的蓝光激发反面量子阱发光层发出黄光，再通过反射层的反射作用使黄光在正面与蓝光复合得到白光。由于不使用荧光粉，光衰影响小，因此GaN基白光LED具有良好的稳定性和使用寿命，并且由于采用了正反双面的量子阱结构，故外延结构更稳定，产生的白光光质量更好。另外，这种白光LED不再采用荧光粉，避免了荧光粉的特殊封装工艺，简化了生产工艺，提高了生产效率，降低了制作成本。并且，在实际生产时，可以通过调节量子阱结构中In和Al的含量，来调节其发出的光的波长和比例，从而进一步调节LED发出的白光的色温及光强，易于实现。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基白光发光二极管的制备方法，参见图2，该方法包括：
步骤201：提供一衬底；
优选地，衬底采用蓝宝石衬底，容易知道，衬底还可以采用Si衬底、SiC衬底、GaN衬底。
在本实施例中，衬底的正面和/或反面均为图形化表面。图形化表面上的图形可以是周期性图形阵列，阵列中的图形单元可以为圆形、方形三角形或不规则图形中的一种或几种的组合。图形化表面可以增加材料分界处的透射率，使光更高效的通过衬底，从而避免光在衬底内多次反射而降低出光效率。当然，在其它实施例中，衬底的正面和反面也可以是平坦的表面。
具体地，将蓝宝石衬底在MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀）反应腔中加热至1060℃，在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理以及氮化处理10分钟，以清洁衬底表面。
步骤202：在衬底正面依次生长的第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层；
具体地，在温度为500℃～650℃，压力为300Torr～760Torr，V/III摩尔比为500～3000的条件下，生长一层厚度为15～30nm掺杂的氮化镓层，此为第一低温缓冲层；在温度为1000℃～1200℃，压力为50Torr～760Torr，V/III摩尔比为300～3000的条件下，生长一层厚度为0.8μm～2μm的非掺杂的氮化镓层，此为第一高温缓冲层。
在第一高温缓冲层上生长n型GaN层，其厚度为3μm～4μm，生长温度为1000℃～1200℃，生长压力为50Torr～760Torr，V/III摩尔比为300～3000。
步骤203：在n型GaN层上生长第一量子阱发光层；
第一量子阱发光层（即衬底正面的量子阱发光层）用于发出蓝光，其结构采用超晶格结构，由InyGa1-yN层和AlaInbGa1-a-bN层组成，其中，InyGa1-yN层中InN的含量y值为0.1～0.3，AlaInbGa1-a-bN层中AlN的含量a值为0.1～0.4、InN的含量b值为0.1～0.3。InyGa1-yN层和AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。第一量子阱发光层的周期数可以为6～12。
进一步地，第一量子阱发光层发出的蓝光波长范围为430～480nm。
具体地，第一量子阱发光层生长的温度为720℃～820℃，生长压力为200Torr～400Tor r，V/III摩尔比为300～5000。
步骤204：在第一量子阱发光层上，生长p型GaN层；
优选地，p型GaN层空穴浓度为1016～1020cm-3。容易知道，p型GaN层包括但不限于Mg掺杂，且P型层GaN可以为单层也可以为多层。
具体地，p型GaN层成分为AlInGaN，生长温度为850℃～1050℃，生长压力为100Torr～760Torr，V/III摩尔比为1000～20000，该层Mg掺杂浓度Mg/Ga摩尔比为1/100～1/4，生长厚度为5nm～20nm。
步骤205：在衬底反面依次生长的第二低温缓冲层、第二高温缓冲层；
该步骤中第二低温缓冲层、第二高温缓冲层分别与步骤202中的第一低温缓冲层、第一高温缓冲层的生长的方法相同，在此不再赘述。
步骤206：在第二高温缓冲层上生长第二量子阱发光层；
第二量子阱发光层（即衬底反面的量子阱发光层）用于在第一量子阱发光层发出的蓝光的激发下发出黄光，其结构采用超晶格结构，由InxGa1-xN层和AlaInbGa1-a-bN层组成，其中，InxGa1-xN层中InN的含量x值为0.3～0.6，AlaInbGa1-a-bN层中AlN的含量a值为0.1～0.4、InN的含量b值为0.1～0.3。InxGa1-xN层和AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。第二量子阱发光层的周期数可以为6～12。衬底反面采用量子阱发光层，可以针对正面蓝光波长范围进行生长调整，使反面的量子阱发光层更有针对性地、更加高效地吸收正面量子阱发光层产生的蓝光，准确地产生所需的黄光，使黄光与蓝光混合成所需的白光。总而言之，可以通过调整第一量子阱发光层和第二量子阱发光层来调节蓝光和黄光的波长及比例，从而调节白光的色温及光强，最终产生更优质的白光。
进一步地，第二量子阱发光层受第一量子阱发光层激发发出的黄光的波长范围为560～590nm。
具体地，第二量子阱发光层的生长温度为720℃～820℃，生长压力为200Torr～400Tor r，V/III摩尔比为300～5000。
需要说明的是，步骤202～204与步骤205～206的顺序可以互换，也就是说，可以先执行步骤205～206，然后再执行步骤202～204。容易知道，在其他实施例中，还可以是第一低温缓冲层和第二低温缓冲层一起制作，第一高温缓冲层和第二高温缓冲层一起制作。
步骤207：在p型GaN层上生长ITO层、p型电极和钝化层，在n型GaN层上生长n型电极。
优选地，钝化层为SiO2层或者SiC层中的一种，ITO层和钝化层生长在p型GaN层上，n型电极和p型电极穿过钝化层裸露在外。
具体地，可以采用清洗、镀膜、光刻和刻蚀等半导体加工工艺依次在正面制作ITO层、n型电极、p型电极以及钝化层。此为本领域熟知技术，再次不在详述。
在本实施例中，该方法还包括步骤208：在第二量子阱发光层上生长反射层。利用反射层的反射作用以提高正面出光量。容易知道，在其他实施例中可以不采用反射层。
可选地，反射层为Ag层或者DBR层中的一种。
实现时，该步骤208需要在步骤207之前执行。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底正反两面生长不同波长的量子阱结构，由正面量子阱发光层发出的蓝光激发反面量子阱发光层发出黄光，再通过反射层的反射作用使黄光在正面与蓝光复合得到白光。由于不使用荧光粉，光衰影响小，因此GaN基白光LED具有良好的稳定性和使用寿命，并且由于采用了正反双面的量子阱结构，故外延结构更稳定，产生的白光光质量更好。另外，这种白光LED不再采用荧光粉，避免了荧光粉的特殊封装工艺，简化了生产工艺，提高了生产效率，降低了制作成本。并且，在实际生产时，可以通过调节量子阱结构中In和Al的含量，来调节其发出的光的波长和比例，从而进一步调节LED发出的白光的色温及光强，易于实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基白光发光二极管，所述发光二极管包括衬底、在所述衬底正面依次生长的第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层、第一量子阱发光层、p型GaN层、纳米铟锡金属氧化物层和钝化层，所述p型GaN层上生长有p型电极，所述n型GaN层上生长有n型电极，且所述p型电极和所述n型电极穿过所述钝化层裸露在外，其特征在于，
所述发光二极管还包括在所述衬底反面依次生长的第二低温缓冲层、第二高温缓冲层和第二量子阱发光层，所述第一量子阱发光层用于发出蓝光，所述第二量子阱发光层用于在所述第一量子阱发光层发出的蓝光的激发下发出黄光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一量子阱发光层为超晶格结构，所述第一量子阱发光层由InyGa1-yN层和AlaInbGa1-a-bN层堆叠而成，其中，y的取值范围为0.1～0.3，a的取值范围为0.1～0.4、b的取值范围为0.1～0.3，所述第一量子阱发光层的周期数为6～12。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第一量子阱发光层的所述InyGa1-yN层和所述AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二量子阱发光层为超晶格结构，所述第二量子阱发光层由InxGa1-xN层和AlaInbGa1-a-bN层堆叠而成，其中，x的取值范围为0.3～0.6，a的取值范围为0.1～0.4、b的取值范围为0.1～0.3，所述第二量子阱发光层的周期数为6～12。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第二量子阱发光层的所述InxGa1-xN层和所述AlaInbGa1-a-bN层的厚度均为2～5nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底的正面和/或反面均为图形化表面。
7.根据权利要求1-6任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括生长在所述第二量子阱发光层上的反射层。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述反射层为Ag层或者分布式布拉格反射镜层中的一种。
9.一种如权利要求1-6任一项所述的GaN基白光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底正面依次生长第一低温缓冲层、第一高温缓冲层、n型GaN层、第一量子阱发光层、p型GaN层；
在所述衬底反面依次生长第二低温缓冲层、第二高温缓冲层和第二量子阱发光层；
在所述p型GaN层上生长纳米铟锡金属氧化物层、p型电极和钝化层，在所述n型GaN层上生长n型电极，所述n型电极和所述p型电极穿过所述钝化层裸露在外。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第二量子阱发光层上生长反射层。
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