CN104347764A - 一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件及其制作方法，该器件结构包括：依次层叠的衬底、第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、第二种半导体载流子注入层，所述复合白光发光结构为蓝光发光区和黄光发光区复合而成。本发明还提出这种白光发光二极管器件的制作方法。本发明的单芯片发光二极管器件能高效产生白光，提高了电能转化成光能的效率，同时本发明的白光器件结构简单，制作容易，工艺过程易控制，适合量产，对生长设备和工艺条件无特殊要求。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管领域，具体涉及一种GaN基单芯片白光发光二极管器件，本发明还包括该器件的制作方法。
技术背景
当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，以LED(发光二极管)为代表的半导体发光产品，具有节能、环保，以及光源寿命长、体积小等优点，正吸引着世人的目光。
目前白光二极管可以通过两种方法制作。一是采用红蓝绿等三基色LED芯片混光实现白光，另一种是采用蓝光或紫外光等芯片激发荧光材料实现白光。蓝光激发黄色荧光粉的白光二极管器件已被广泛应用于照明领域，但是这种商品化的白光器件还存在荧光粉光转换降低光效，荧光材料影响器件散热，需单独制作光致发光层，工艺比较复杂等问题，因此高光效高稳定的白光二极管制造成本还很高。单芯片白光发光二极管是一种有效的解决途径。实现单芯片白光目前已经报道的有发光区生长量子点(CN102097554A、CN101685844A)、芯片内部生长光致发光层(CN101556983)、电注入调控三基色芯片(CN101582418A)等方法，但是这些方法存在着生长控制难度大、制作工艺复杂等缺点，使得在产业上的应用大受限制。
此外，由于存在着p型氮化镓材料难以高效活化的难题和空穴载流子迁移率低的因素，在电场的作用下氮化镓芯片量子阱两端电子载流子和空穴载流子注入严重失衡。为了保证高电流效率，在外延层中加入电子阻挡层进入p型区域以及在N区域加入电子发射层是通常采用的做法，但是，未参与辐射复合的电子往往以声子的形式耗散能量。随着注入电流增加，额外的电子载流子就越大，引发更为严重的光效“droop”现象。如何充分利用多余的电子载流子，使其在发光端发挥作用，对于提高电流转化效率，提高大电流时的光效非常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件及其制作方法，该发光二极管器件将多余的电子载流子导入具有电子施主与电子受主结合的低导带能级结构中，通过电子激发D-A能级而发射长波长的黄光，之后与多量子阱中电子和空穴复合发射的蓝光混光形成所需白光，这样的器件既能够提高器件的发光效率，又能简化制作流程。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件，其中包括依次层叠的衬底4、第一种半导体载流子注入层1、复合白光发光结构2、第二种半导体载流子注入层3，所述复合白光发光结构为黄光发光区21和蓝光发光区22复合而成，如图1所示。
如上所述的结构，其特征在于：衬底可以是蓝宝石，碳化硅，或硅材质。
如上所述的结构，其特征在于：所述黄光发光区21的结构为GaN层、InGaN层、AlInGaN层、InGaN/GaN多量子阱结构、InGaN/AlGaN多量子阱结构、InGaN/AlInGaN多量子阱结构中的一种或几种。
如上所述的结构，其特征在于：所述黄光发光区21若采用的多量子阱的结构，多量子阱的周期数为1-30。在多量子阱的每个周期中，阱的厚度为1-8nm，垒的厚度为2-20nm。
如上所述的结构，其特征在于：所述黄光发光区21的层厚为3-1000nm。
如上所述的结构，其特征在于：所述黄光发光区21中的低导带能级层所掺杂的元素为Mg、Si、Zn、Ge、B、Se、Sn、S中的两种或几种。
如上所述的结构，其特征在于：所述蓝光发光区22的结构为InGaN/GaN多量子阱结构或双异质结、InxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱结构或双异质结、InGaN/AlGaN多量子阱结构或双异质结、InGaN/AlInGaN多量子阱结构或双异质结中的一种或几种。
如上所述的结构，其特征在于：所述蓝光发光区22结构若采用多量子阱结构，则多量子阱周期数为1-20。在多量子阱的每个周期中，阱的厚度为1-8nm，垒的厚度为2-20nm。
如上所述的结构，其特征在于：所述蓝光发光区22结构若采用双异质结结构，则低导带能级层的厚度为1-40nm。
本发明同时提供了这一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件的制作方法，能够通过较为简单的步骤，制作出性能可靠、发光效率较高的发光二极管。
本发明发光二极管的制作方法的技术方案是，在制作好的N型氮化镓半导体层后，采用MOCVD方法进行黄光发光区的生长，包括如下步骤：
将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为0-600sccm的TMIn，通入流量为0-1000sccm的二茂镁，通入流量为0-500sccm的TMAl，通入流量为0-500sccm的DEZn或DMZn，通入流量为0-100sccm的硅烷，通入流量为0-100sccm的乙硼烷，通入流量为0-100sccm的锗烷，生长单层、多层或多量子阱结构的黄光发光区域。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为0-100sccm的TMAl，通入流量为0-200sccm的TMIn，生长时间为20-800s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-1000s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长1-15个周期的结构。生长完成整个蓝光发光区结构后继续完成发光二极管其他部分。
本发明提供的一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件的优益之处在于：能够充分将多余的电子载流子用于激发黄光，在提高电光转换效率的同时简化白光器件的制作。
附图说明：
图1新型GaN基单芯片白光发光二极管的剖面示意图。
图中1为第一种半导体载流子注入层。
2为复合白光发光结构。
21为黄光发光区。
22为蓝光发光区
3为第二种半导体载流子注入层。
4为衬底。
具体实施方式
为了更具体地说明本发明，现给出若干实施例。但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。实施例中的GaN基单芯片白光发光二极管结构，除复合白光发光区外其他部分采用已公开的GaN基发光二极管结构
实施例1
制作一种本发明的GaN基单芯片白光发光二极管，结构包括：蓝宝石衬底上依次堆叠的n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、p型半导体作为第二种半导体载流子注入层，其中复合白光发光结构为黄光发光区和蓝光发光区的复合结构。所述黄光发光区为Si原子和Zn原子共掺杂InxGa1-xN层，InxGa1-xN层的铟组分x为0.01-0.25之间，InxGa1-xN层的厚度为1-40nm之间，Si的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3。所述蓝光发光区为InGaN/GaN多量子阱结构。
采用MOCVD方法进行生长，在制作好的N型氮化镓半导体层后，进行黄光区域生长包括如下制作步骤：
将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为10-600sccm的TMIn，通入流量为1-500sccm的DEZn，通入流量为1-100sccm的硅烷，生长单层结构的黄光发光区域。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-15个周期的量子阱。生长完成整个多量子阱结构后继续完成发光二极管其他部分。
实施例2
制作一种本发明的GaN基单芯片白光发光二极管结构，结构包括：蓝宝石衬底上依次堆叠的n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、p型半导体作为第二种半导体载流子注入层，其中复合白光发光结构为黄光发光区和蓝光发光区的复合结构。所述黄光发光区为Si原子和Zn原子共掺杂InxGa1-xN层作为阱层和GaN层作为垒层形成的多量子阱结构，InxGa1-xN层的铟组分x为0.01-0.25之间，InxGa1-xN层的厚度为1-40nm之间，Si的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3。所述蓝光发光区为InyGa1-yN/InzGa1-zN多量子阱结构。
采用MOCVD方法进行生长，在制作好的N型氮化镓半导体层后，进行黄光区域生长包括如下制作步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700000℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为10-600sccm的TMIn，通入流量为1-500sccm的DEZn，通入流量为1-100sccm的硅烷，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-15个周期的量子阱。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-400sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-15个周期的量子阱。生长完成整个多量子阱结构后继续完成发光二极管其他部分生长。
实施例3
制作一种本发明的GaN基单芯片白光发光二极管结构，结构包括：硅衬底上依次堆叠的n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、p型半导体作为第二种半导体载流子注入层，其中复合白光发光结构为黄光发光区和蓝光发光区的复合结构。所述黄光发光区为Ge原子和Zn原子共掺杂InxGa1-xN层作为阱层和GaN层作为垒层形成的多量子阱结构，InxGa1-xN层的铟组分x为0.01-0.25之间，InxGa1-xN层的厚度为1-40nm之间，Ge的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3。所述蓝光发光区为InGaN/AlInGaN多量子阱结构。
采用MOCVD方法进行生长，在制作好的N型氮化镓半导体层后，进行黄光区域生长包括如下制作步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为10-600sccm的TMIn，通入流量为1-500sccm的DEZn，通入流量为1-100sccm的锗烷，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长5个周期的量子阱。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为10-400sccm的TMAl，还通入流量为10-400sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长10个周期的量子阱。生长完成整个多量子阱结构后继续完成发光二极管其他部分生长。
实施例4
制作一种本发明的GaN基单芯片白光发光二极管结构，结构包括：碳化硅衬底上依次堆叠的n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、p型半导体作为第二种半导体载流子注入层，其中复合白光发光结构为黄光发光区和蓝光发光区的复合结构。所述黄光发光区为Si原子和Mg原子共掺杂InxGa1-xN层作为阱层和GaN层作为垒层形成的多量子阱结构，InxGa1-xN层的铟组分x为0.01-0.25之间，InxGa1-xN层的厚度为1-40nm之间，Si的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3，Mg的掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1020cm-3。所述蓝光发光区为InyGa1-y/InzGa1-zN多量子阱结构。
采用MOCVD方法进行生长，在制作好的N型氮化镓半导体层后，进行黄光区域生长包括如下制作步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为10-600sccm的TMIn，通入流量为1-500sccm的二茂镁，通入流量为1-100sccm的硅烷，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长5-10个周期的量子阱。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤：
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-400sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长9-15个周期的量子阱。生长完成整个多量子阱结构后继续完成发光二极管其他部分生长。
本发明所提供的上述新型GaN基单芯片白光发光二极管结构具有D-A能级发光的黄光发光区，可以充分利用多余的电子载流子发黄光，与器件中的蓝光发光区结合，不仅能提高电光转化效率，而且可以在简单的氮化镓基芯片中实现白光的功能，工艺简单，具有非常好的应用前景。
Claims (9)
1.一种新型GaN基单芯片白光发光二极管器件，其中包括依次层叠的衬底、第一种半导体载流子注入层、复合白光发光结构、第二种半导体载流子注入层，所述复合白光发光结构为具有两种及两种以上除氮和镓以外的元素掺杂的黄光发光区和蓝光发光区复合而成。
2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述黄光发光区的结构为GaN层、InGaN层、AlInGaN层、InGaN/GaN多量子阱结构、InGaN/AlGaN多量子阱结构、InGaN/AlInGaN多量子阱结构中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述黄光发光区中的低导带能级层所掺杂的元素为Mg、Si、Zn、Ge、B、Se、Sn、S中的两种或几种。
4.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述蓝光发光区的结构为InGaN/GaN多量子阱结构或双异质结、InxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱结构或双异质结、InGaN/AlGaN多量子阱结构或双异质结、InGaN/AlInGaN多量子阱结构或双异质结中的一种或几种。
5.如权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于：所述黄光发光区的结构为InGaN层，掺杂元素为Si和Zn，厚度为3-1000nm。
6.如权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于：所述黄光发光区的结构为InGaN/GaN多量子阱结构，掺杂元素为Si和Zn，多量子阱的周期数为1-30。在多量子阱的每个周期中，阱的厚度为1-8nm，垒的厚度为2-20nm。
7.权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：复合白光发光结构为具有Si和Zn共掺杂的InGaN层黄光发光区和具有InxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱结构的蓝光发光区复合而成。
8.权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：复合白光发光结构为具有Si和Zn共掺杂的InGaN/GaN多量子阱结构的黄光发光区和具有InxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱结构的蓝光发光区复合而成。
9.一种如权利1所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：在制作好的N型氮化镓半导体层后，采用MOCVD方法，包括如下生长步骤：
将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为0-600sccm的TMIn，通入流量为0-1000sccm的二茂镁，通入流量为0-500sccm的TMAl，通入流量为0-500sccm的DEZn或DMZn，通入流量为0-100sccm的硅烷，通入流量为0-100sccm的乙硼烷，通入流量为0-100sccm的锗烷，生长单层、多层或多量子阱结构的黄光发光区域。
进一步进行蓝光区域的MOCVD生长，包括如下生长步骤
(1)生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，通入流量为0-100sccm的TMAl，通入流量为0-200sccm的TMIn，生长时间为20-800s；
(2)生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-1000s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长1-15个周期的结构。生长完成整个蓝光发光区结构后继续完成发光二极管其他部分。
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