CN104393131A - 光泵浦白光led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光泵浦白光LED及其制备方法，包括一个平面蓝光LED芯片，平面蓝光LED芯片至上而下依次包括蓝宝石衬底，n型GaN层，InGaN/AlGaN双异质结层，P型GaN层；P型GaN层上设有P-电极，n型GaN层设有n电极；蓝宝石衬底上表面生成有使蓝光向蓝宝石衬底竖直方向射出的光子晶体阵列，光子晶体阵列上表面的一侧从下至上依次设有红光波段DBR层和红光波段AlGaInP外延层，光子晶体阵列上表面的另一侧从下至上依次设有绿光波段DBR层和绿光波段AlGaInP外延层。它的优点是响应时间短，使用寿命长，能够很好满足的照明要求。
Description
技术领域
本发明涉及白光LED技术领域，尤其是一种光泵浦白光LED及其制备方法。
背景技术
目前可见光通信使用的白光LED方案：(1)蓝光芯片+黄光荧光粉红，(2)红、绿、蓝三种LED混光。目前光子泵浦白光LED中的红绿光成分较少，无法满足照明对颜色方面的要求。其中，蓝光芯片+黄光荧光粉，蓝光LED响应速度可以达到10-9s，但是涂覆的荧光粉会增加响应时间，进而影响光通信的传输带宽。蓝光的3dB调制带宽大约为10MHz，而受到荧光粉发光时间的影响，白光调制带宽不到5MHz。红、绿、蓝三色LED，由于三种LED的开启电压、驱动电流都不一致，所以驱动电路设计复杂，另外三种LED的光衰速率也不一致，在照明一定时间后，其混合的白光会存在较大的色漂。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种光泵浦白光LED及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种光泵浦白光LED，包括一个平面蓝光LED芯片，平面蓝光LED芯片至上而下依次包括蓝宝石衬底，n型GaN层，InGaN/AlGaN双异质结层，P型GaN层；P型GaN层上设有P-电极，n型GaN层设有n电极；蓝宝石衬底上表面生成有使蓝光向蓝宝石衬底竖直方向射出的光子晶体阵列，光子晶体阵列上表面的一侧从下至上依次设有红光波段DBR层和红光波段AlGaInP外延层，光子晶体阵列上表面的另一侧从下至上依次设有绿光波段DBR层和绿光波段AlGaInP外延层。
一种优选方案是红光波段AlGaInP外延层从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。
一种优选方案是绿光波段AlGaInP外延层从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。
一种优选方案是光子晶体阵列为方形阵列或三角形阵列。
一种优选方案是光子晶体阵列包括若干个光子晶体，单个光子晶体的形状为圆形、方形、六变形或三角形。
一种优选方案是单个光子晶体的高度大于0且小于等于蓝宝石衬底的厚度。
一种优选方案是光子晶体阵列的占空比范围为大于等于0.00001且小于1。
一种优选方案是红光波段DBR层是由若干层不同折射率的第一反射层交替组成，每层第一反射层的厚度为红光波段AlGaInP外延层发出光的峰值波长的四分之一。
一种优选方案是绿光波段DBR层是由若干层不同折射率的第二反射层交替组成，每层第二反射层的厚度为绿光波段AlGaInP外延层发出光的峰值波长的四分之一。
本发明的另一技术方案为：
一种制备光泵浦白光LED的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照MOCVD方法制备平面蓝光LED芯片；通过金属有机化学气相沉积MOCVD生长技术获得，衬底采用蓝宝石，生长过程采用氢气和氮气作为载气，所用的Ga源、In源和N源分别是三甲基镓、三甲基铟和氨气，所使用的p型掺杂剂和n型掺杂剂分别是二茂镁和硅烷；
(2)去除蓝宝石衬底表面杂质，蓝宝石衬底在反应室内经过高温热处理去除表面杂质，先在蓝宝石衬底上生长25～35nm温度为730℃的GaN缓冲层，再升温至1150℃生长1.5～3.0um的非故意掺杂的GaN半导体层，之后在1200℃的条件下生长1.5～3.0um厚的Si掺杂n型GaN层，随后在900～950℃的条件下生长InGaN/AlGaN双异质结层，在1100℃条件下生长25～35nm的p型AlGaN电子阻挡层，最后生长250～350nm厚的Mg掺杂的p型GaN层，经过上述过程后生长出完整的蓝宝石衬底的GaN基LED外延片；
(3)在n型GaN层表面制作n电极，在InGaN/AlGaN双异质结层表面制作P电极，首先需要刻蚀掉在n型GaN层表面的物质，即需要对步骤(2)中生长好的LED外延片清洗烘干，再依次进行旋涂光刻胶、烘干、曝光、显影、刻蚀、去除光刻胶工艺步骤，这时便露出n-GaN，再分别对n型GaN层蒸镀n电极，对p型GaN层蒸镀P-电极；
(4)对蓝宝石衬底上表面进行抛光处理，用电子束光刻法、激光全息光刻法、干法刻蚀法或纳米压印法制备光子晶体阵列；
(5)红光波段AlGaInP外延层采用n型GaAs衬底，Ⅲ族源用TMAl、TMGa、TMIn，V族源用AsH3、PH3，反应室的压力为8000-10000Pa，生长温度为680-7200℃，生长速率为4-5μm/h，载气是经过钯管纯化的氢气，在GaAs衬底上依次生长15～25对Al0.6Ga0.4As/AlAs红光波段DBR层，0.5μm厚的n型-(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层，(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子阱有源层，0.5μm厚的p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层；通过控制Ⅲ族、V族掺杂浓度，调整(AlxGa1-x)0.5In0.5P的组分x来形成从红光到黄绿光的转变；使用化学腐蚀法把GaAs吸收衬底从生长好的AlGaInP上腐蚀掉，分别对露出的红光波段DBR层和绿光波段DBR层的下表面进行抛光处理；
(6)将蓝宝石衬底表面做抛光处理，将蓝宝石衬底分别与红光波段DBR层和绿光波段DBR层进行键合。
综合上述技术方案可知本发明具有如下有益效果：利用光泵浦效应，通过增加红光波段AlGaInP外延层和绿光波段AlGaInP外延层、以及它们与蓝宝石衬底之间的DBR层、光子晶体，使本发明的色坐标、显色指数、光效均能够很好的满足照明要求，同时它的响应时间短，使用寿命长。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中光子晶体阵列为三角形阵列示意图；
图3是本发明中光子晶体阵列为方形阵列示意图；
图4是本发明中红光波段DBR层中的高低折射率层的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图对本发明做进一步描述。
第一实施例
如图1至图4所示，一种光泵浦白光LED，包括一个平面蓝光LED芯片，平面蓝光LED芯片至上而下依次包括蓝宝石衬底5，n型GaN层6，InGaN/AlGaN双异质结层8，P型GaN层9；P型GaN层9上设有P电极10，n型GaN层6设有n电极7；蓝宝石衬底5上表面生成有使蓝光向蓝宝石衬底5竖直方向射出的光子晶体阵列，光子晶体阵列上表面的一侧从下至上依次设有红光波段DBR层2和红光波段AlGaInP外延层1，光子晶体阵列上表面的另一侧从下至上依次设有绿光波段DBR层4和绿光波段AlGaInP外延层3。光子晶体阵列表面的一侧设有红光波段AlGaInP外延层1，另一侧设有绿光波段AlGaInP外延层3。
红光波段AlGaInP外延层1从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。在包括n-AlInP限制层与多量子阱有源层之间还可以有n-AlGaInP波导层。在多量子阱有源层与p-AlInP限制层之间还可以有p-AlGaInP波导层。
绿光波段AlGaInP外延层3从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。在包括n-AlInP限制层与多量子阱有源层之间还可以有n-AlGaInP波导层。在多量子阱有源层与p-AlInP限制层之间还可以有p-AlGaInP波导层。
蓝宝石衬底5生成光子晶体阵列。光子晶体阵列为方形阵列或三角形阵列。光子晶体阵列包括若干个光子晶体11，单个光子晶体11的形状为圆形、方形、六变形或三角形，单个光子晶体11的高度大于0，且小于等于蓝宝石衬底的厚度。
下面介绍一下本发明的工作原理：首先n电极7接电源的负极，P电极10接电源的正极。电子通过n电极7传至n型GaN层6，之后再传到InGaN/AlGaN双异质结层8。空穴通过P电极10传至P型GaN层9，之后再传至InGaN/AlGaN双异质结层8，这时电子与空穴在InGaN/AlGaN双异质结层8相遇了，就会发出蓝光，这时的蓝光会向四面八方射出，这就导致射入红光波段AlGaInP外延层1和绿光波段AlGaInP外延层3的蓝光较少，进而产生的红、绿光也少，为了增加蓝光射入红光波段AlGaInP外延层1和绿光波段AlGaInP外延层3的比重，在蓝宝石衬底5中做了光子晶体阵列，它的作用是使得射入到蓝宝石衬底5中的蓝光大多数都向竖直方向射出，即沿红光波段AlGaInP外延层1和绿光波段AlGaInP外延层3射出，进而增加红、绿两种光的成分比重。红光波段AlGaInP外延层1与蓝宝石衬底5之间的DBR层2和绿光波段AlGaInP外延层3与蓝宝石衬底5之间的DBR层4的作用是分别对红、绿光成分的峰值波长进行选择性反射，因此增加了红、绿光出光比重。
光子晶体阵列的占空比(空气孔直径/空气孔间距)范围为大于等于0.00001且小于1。其中，单个光子晶体11的形状为圆形、方形、六变形或三角形，单个光子晶体11的高度大于0且小于等于蓝宝石衬底的厚度。红光波段DBR层2是由若干层不同折射率的第一反射层交替组成，每层第一反射层的厚度为红光波段AlGaInP外延层1发出光的峰值波长的四分之一。绿光波段DBR层4是由若干层不同折射率的第二反射层交替组成，每层第二反射层的厚度为绿光波段AlGaInP外延层1发出光的峰值波长的四分之一。为增加对AlGaInP多量子阱发光峰值波长的反射，红光波段DBR层和绿光波段DBR层中的高低折射率层为非等厚度，例如在前15对高、低反射层的厚度为峰值峰值波长λ的四分之一，在后15对高、低的反射层厚度为峰值波长(1+n％)λ/4，其中n的范围为大于0.1小于100。DBR层中的多层高、低反射层的对数没有限制，在工艺、成本允许的范围内，对数越多，反射率越高。
本发明解决了现有技术中荧光粉寿命限制、驱动电路复杂的问题。
第二实施例
一种制备光泵浦白光LED的方法，包括以下步骤：
(1)按照MOCVD方法制备平面蓝光LED芯片；通过金属有机化学气相沉积MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)生长技术获得，衬底采用蓝宝石，生长过程采用氢气(H2)和氮气(N2)作为载气，所用的Ga源、In源和N源分别是三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)，所使用的p型掺杂剂和n型掺杂剂分别是二茂镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)。
(2)去除蓝宝石衬底表面杂质，蓝宝石衬底在反应室内经过高温热处理去除表面杂质，先在蓝宝石衬底上生长25～35nm的低温(730℃)GaN缓冲层，升温(1150℃)生长1.5～3.0um的非故意掺杂的GaN半导体层，之后在1200℃的条件下生长1.5～3.0um厚的Si掺杂n型GaN层，随后在900～950℃的条件下生长15～25个(200nm)周期的InGaN/AlGaN双异质结层，在1100℃条件下生长25～35nm的p型AlGaN电子阻挡层，最后生长250～350nm厚的Mg掺杂的p型GaN层，经过上述过程后生长出完整的蓝宝石衬底的GaN基LED外延片。
(3)在n型GaN层表面制作n电极，在InGaN/AlGaN双异质结层表面制作P电极，首先需要刻蚀掉在n型GaN层表面的物质，即需要对步骤(2)中生长好的外延片清洗烘干，再依次进行旋涂光刻胶、烘干、曝光、显影、刻蚀、去除光刻胶工艺步骤，这时便露出n-GaN，再分别对n型GaN层蒸镀n电极，对p型GaN层蒸镀P-电极。
(4)对蓝宝石衬底上表面进行抛光处理，再制备光子晶体阵列，制备光子晶体阵列的方法有多种，比如电子束光刻法、激光全息光刻法、干法刻蚀法、纳米压印法，这里仅以紫外纳米压印法举例介绍：首先制备压印用的模板，通过电子束曝光、刻蚀，在石英表面形成所需的光子晶体阵列图形；通过使用化学汽相沉积方法，并用SiH4和N2O作为反映气体，在蓝宝石衬底或n型GaN表面沉积60nm厚的SiO2；在SiO2表面进行旋涂光刻胶，厚度250～300nm；对光刻胶进行图形压印(真空压力570～650mbar)，曝光280s；通过使用O2去除光刻胶，再通过使用Cl2对蓝宝石或n型GaN进行刻蚀，最终形成光子晶体阵列图形。
(5)红光波段AlGaInP外延层采用n型GaAs衬底，Ⅲ族源用TMAl、TMGa、TMIn，V族源用AsH3、PH3，反应室的压力为8000-10000Pa，生长温度为680-7200℃，生长速率为4-5μm/h，载气是经过钯管纯化的氢气。在GaAs衬底上依次生长15～25对Al0.6Ga0.4As/AlAs DBR，0.5μm厚的n型-(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层，(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子阱有源区，0.5μm厚的p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层。通过控制Ⅲ族、V族掺杂浓度，调整(AlxGa1-x)0.5In0.5P的组分x来形成从红光到黄绿光的转变。使用化学腐蚀法把GaAs吸收衬底从生长好的AlGaInP上腐蚀掉，对露出的DBR层下表面进行抛光处理。
(6)将蓝宝石衬底表面做抛光处理，将蓝宝石衬底分别与红光波段DBR层和绿光波段DBR层进行键合。
以上是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光泵浦白光LED，包括一个平面蓝光LED芯片，所述平面蓝光LED芯片至上而下依次包括蓝宝石衬底，n型GaN层，InGaN/AlGaN双异质结层，P型GaN层；所述P型GaN层上设有P-电极，所述n型GaN层设有n电极；其特征在于，所述蓝宝石衬底上表面生成有使蓝光向蓝宝石衬底竖直方向射出的光子晶体阵列，所述光子晶体阵列上表面的一侧从下至上依次设有红光波段DBR层和红光波段AlGaInP外延层，所述光子晶体阵列上表面的另一侧从下至上依次设有绿光波段DBR层和绿光波段AlGaInP外延层。
2.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述红光波段AlGaInP外延层从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。
3.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述绿光波段AlGaInP外延层从下至上依次包括n-AlInP限制层，多量子阱有源层和p-AlInP限制层。
4.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述光子晶体阵列为方形阵列或三角形阵列。
5.如权利要求4所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述光子晶体阵列包括若干个光子晶体，单个光子晶体的形状为圆形、方形、六变形或三角形。
6.如权利要求5所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述单个光子晶体的高度大于0且小于等于蓝宝石衬底的厚度。
7.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述光子晶体阵列的占空比范围为大于等于0.00001且小于1。
8.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述红光波段DBR层是由若干层不同折射率的第一反射层交替组成，每层第一反射层的厚度为红光波段AlGaInP外延层发出光的峰值波长的四分之一。
9.如权利要求1所述的光泵浦白光LED，其特征在于，所述绿光波段DBR层是由若干层不同折射率的第二反射层交替组成，每层第二反射层的厚度为绿光波段AlGaInP外延层发出光的峰值波长的四分之一。
10.一种制备光泵浦白光LED的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照MOCVD方法制备平面蓝光LED芯片；通过金属有机化学气相沉积MOCVD生长技术获得，衬底采用蓝宝石，生长过程采用氢气和氮气作为载气，所用的Ga源、In源和N源分别是三甲基镓、三甲基铟和氨气，所使用的p型掺杂剂和n型掺杂剂分别是二茂镁和硅烷；
(2)去除蓝宝石衬底表面杂质，蓝宝石衬底在反应室内经过高温热处理去除表面杂质，先在蓝宝石衬底上生长25～35nm温度为730℃的GaN缓冲层，再升温至1150℃生长1.5～3.0um的非故意掺杂的GaN半导体层，之后在1200℃的条件下生长1.5～3.0um厚的Si掺杂n型GaN层，随后在900～950℃的条件下生长InGaN/AlGaN双异质结层，在1100℃条件下生长25～35nm的p型AlGaN电子阻挡层，最后生长250～350nm厚的Mg掺杂的p型GaN层，经过上述过程后生长出完整的蓝宝石衬底的GaN基LED外延片；
(3)在n型GaN层表面制作n电极，在InGaN/AlGaN双异质结层表面制作P电极，首先需要刻蚀掉在n型GaN层表面的物质，即需要对步骤(2)中生长好的LED外延片清洗烘干，再依次进行旋涂光刻胶、烘干、曝光、显影、刻蚀、去除光刻胶工艺步骤，这时便露出n-GaN，再分别对n型GaN层蒸镀n电极，对p型GaN层蒸镀P-电极；
(4)对蓝宝石衬底上表面进行抛光处理，用电子束光刻法、激光全息光刻法、干法刻蚀法或纳米压印法制备光子晶体阵列；
(5)红光波段AlGaInP外延层采用n型GaAs衬底，Ⅲ族源用TMAl、TMGa、TMIn，V族源用AsH3、PH3，反应室的压力为8000-10000Pa，生长温度为680-7200℃，生长速率为4-5μm/h，载气是经过钯管纯化的氢气，在GaAs衬底上依次生长15～25对Al0.6Ga0.4As/AlAs红光波段DBR，0.5μm厚的n型-(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层，(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子阱有源层，0.5μm厚的p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P限制层；通过控制Ⅲ族、V族掺杂浓度，调整(AlxGa1-x)0.5In0.5P的组分x来形成从红光到黄绿光的转变；使用化学腐蚀法把GaAs吸收衬底从生长好的AlGaInP上腐蚀掉，分别对露出的红光波段DBR层和绿光波段DBR层的下表面进行抛光处理；(6)将蓝宝石衬底表面做抛光处理，将蓝宝石衬底分别与红光波段DBR层和绿光波段DBR层进行键合。
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