CN104900771B - 一种无荧光粉的高效白光led外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种无荧光粉的高效白光LED外延结构及其生长方法，该结构包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、N‑GaN层、紫外光波长的发光多量子阱层、P‑GaN层、黄带和蓝带发光激发层以及电极接触层；其生长方法是利用MOCVD工艺直接外延出完整的白光LED结构，在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长紫外光多量子阱结构、黄带和蓝带发光激发层，借用底层紫外光多量子阱部分的紫外光照射P‑GaN后的AlGaN/GaN超晶格层，从而激发出其黄带和蓝带发光，发射出白光，简化了工艺步骤，提高了白光LED的光转换效率，缩短了生长时间，降低了工艺成本，同时也大大提高了GaN基LED的发光效率，改善出射光的质量、发光稳定性和产品重复性，提高白光LED的显色指数，降低其色温。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用金属有机化学气相外延MOCVD技术在不同衬底上生长的无荧光粉的白光LED的结构及其生长方法，属于半导体照明技术领域。
背景技术
作为一种节能环保的新型光源，LED近年来受到了很大关注，以GaN、InN、AlN及其三元系和四元系材料为主的宽禁带III-V族半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。相对于其他的材料体系，无论是在效率上还是在可靠性上，GaN基LED都有着明显地优势。LED采用固体封装、结构牢固、寿命可达10万小时以上。LED还具有工作电压低、耗电量小、光效高、响应时间极短、光色纯、重量轻、体积小等一系列特性。尤其是大功率高亮度白光LED的发明，被业界称为继取火照明、爱迪生发明电灯之后的“照明领域第三次革命”。
从照明角度来看，目前大部分的白光LED都是通过蓝光LED激发荧光粉产生黄光或黄光与红光，再与蓝光混合形成白光。由于短波段到长波段转换过程中的光子能量损失，荧光粉的转换效率难以达到100％(通常在70％左右)，这样势必会降低LED的发光效率。此外，荧光粉还会随使用时间老化，导致LED亮度下降，色温漂移等，部分荧光粉还会对环境造成污染。另一种是将红、绿、蓝三种基色的LED芯片层叠置在一起。同时点亮所述三种基色的LED，从而混合红、绿、蓝三种基色获得白光。采用不同颜色的高效LED直接混合产生白光不但能获得较高的效率，还能减缓器件老化和避免环境污染，但这种白光LED需要将三种基色的LED芯片层叠放在一起，故这种结构的白光LED的制备工艺较为复杂且成本较高，而且目前尽管GaN蓝光LED的外量子效率已经达到70％以上，绿光LED也已超过30％，但在更长的波长范围内(黄光、红光等)，GaN基LED的发光效率还很不理想，远低于我们的期望值。
美国发明专利文献US5998925公开了一种得到白光LED的方法，是以蓝光LED芯片为基础，在芯片上面填充能激发555nm波长的YAG黄色荧光粉和透明脱水混合胶，蓝光LED激发荧光粉产生的黄光与蓝光互补，混合变成二波长的白光，但采用短波长去激发荧光粉这种方法荧光粉会损失一部分能量，并且如果采用紫光作为激发光源，假若封装得不好就会产生紫外泄漏，不利于使用者的身体健康。另外这种方法还使得封装工艺变更复杂，增加白光LED的制作成本。
中国专利文献CN102290508 A公开了一种无荧光粉的白光LED，在蓝宝石衬底上生长出发光二极管；在发光二极管生长的过程中进行相关颜色发光的离子注入。通过发光二极管的发光激发注入的离子发出相应色彩的光，多种光混合生成白色光，实现无荧光粉的单器件白色发光二极管。该方法在工艺实现上较复杂且实行起来较难，极大增加了工艺难度和成本。
中国专利文献CN 101714604 A公开了一种宽光谱白光LED结构及生长方法。该结构包括：蓝宝石或硅衬底上生长具有GaN缓冲层,厚度在50-2000nm的GaN支撑层，厚度为20-1000nm的N型GaN，浓度为5*1018cm-1；在N型GaN上一次生长蓝光波长量子阱材料、蓝绿或绿光量子阱材料以及红黄光或红光量子阱材料。通过三种不同量子阱材料发出的颜色进行叠加后得到一种三色GaN基白光LED结构。该方法结构较复杂，利用MOCVD方法进行生长程序时间较长，MOCVD设备价格极为昂贵，长时间的生长增加了设备折旧在单片外延片成本的比例，另外目前黄红光的发光效率仍还很不理想，所以造成发出的白光LED效率低。
发明内容
本发明针对现有白光LED的制备技术存在的不足，提供一种光能转换效率及寿命高、发光稳定性和产品重复性好、具有高发光效率的无荧光粉的高效白光LED外延结构，同时提供一种该结构的生长方法。
本发明无荧光粉的高效白光LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、N-GaN层、紫外光波长的发光多量子阱层、P-GaN层、黄带和蓝带发光激发层以及电极接触层。
所述衬底为蓝宝石、硅或SiC衬底。
所述缓冲层为厚度3μm-8μm的GaN或AlN缓冲层。
所述N-GaN层的厚度为2μm-4μm，掺杂浓度为3*1018cm-1—2*1019cm-1。
所述紫外光波长的发光多量子阱层由厚度为2.5nm-6nm的InxGa1-xN阱层和厚度为8nm-11nm的AlGaN垒层周期性交替叠加构成，周期为5-15个，其中InxGa1-xN/AlxGa1-xN多量子阱结构中In的占比为8％-18％，Al的占比为2％-8％。
所述P-GaN层的厚度为150-300nm。
所述黄带和蓝带发光激发层为GaN/AlGaN超晶格结构，周期为20-40，总厚度为120-240nm。
上述无荧光粉的高效白光LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)在MOCVD设备中，对衬底在1000-1100℃氢气环境下进行高温清洗，再在500-650℃范围下生长3μm-8μm厚的GaN或AlN缓冲层；
(2)通入流量为10-30slm的NH3，通入时间为2分钟-5分钟；调整MOCVD反应室内温度为1000-1200℃，在缓冲层上直接生长2μm-4μm厚的N-GaN层，掺杂浓度为3*1018cm-1—2*1019cm-1；
(3)在N-GaN层上生长紫外光波长的发光多量子阱层，具体是在750-850℃温度下生长厚度为2.5nm-5nm的InxGa1-xN阱层，在800-900℃温度下生长厚度为8-10nm的AlxGa1-xN垒层，Al的占比为2％-8％，阱层和垒层周期性交替叠加，周期为5-15；
(4)在880-980℃温度下生长厚度为150-300nm的P-GaN层；
(5)在P-GaN层上生长黄带和蓝带发光激发层，即AlGaN/GaN超晶格层，采用H2为载气，在温度650-750℃、压力50-100Torr以及8-18slm NH3流量的条件下进行GaN层的生长，镓源采用三甲基镓，AlGaN层生长条件同紫外光波长的发光多量子阱层中的AlxGa1-xN垒层(在800-900℃温度下生长)；AlGaN层和GaN层的周期为20-40个，总厚度为120-240nm；
GaN层中的C元素会造成GaN中产生大量缺陷，并引起蓝带和黄带发光，所以本发明通过调整步骤(5)AlGaN/GaN超晶格层的GaN层生长条件，使其在生长过程中掺入大量C元素，主要手段包括采用H2为载气，低温(650-750)、低压(50-100Torr)和高NH3流量(8-18slm)。由于高温下三甲基镓脱去一个或两个甲基就能与NH3反应，未能脱附的甲基可能会被并入晶格形成C污染，温度越高，三甲基镓的裂解越充分，所以采用低温。由于反应室压力越高，气体流速越慢，吸附在外延层表面的甲基有更高的几率与气相中的NH3或H2反应生成甲烷脱离外延层，因而C浓度会降低，所以采用低压。高NH3流量可以改变V/III比，NH3流量越大越促进其与三甲基镓的反应，从而使得三甲基镓裂解充分。H2的存在不利于NH3的分解，反应中有效的N元素即分解过的NHx不充足，就会形成N空位，N空位非常容易被C占据，因此会提高C浓度。
(6)在700-800℃温度下，在黄带和蓝带发光激发层上生长电极接触层P-InGaN。
本发明利用MOCVD工艺直接外延出完整的白光LED结构，在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长紫外光多量子阱结构、黄带和蓝带发光激发层，借用底层紫外光多量子阱部分的紫外光照射P-GaN后的AlGaN/GaN超晶格层，从而激发出其黄带和蓝带发光，发射出白光，而不是通过激发荧光粉发光来得到白光，无需利用荧光粉进行二次量子转化，这样有效简化了工艺步骤，提高了白光LED的光转换效率，不仅缩短了生长时间，降低了工艺成本，同时也大大提高了GaN基LED的发光效率，改善出射光的质量、发光稳定性和产品重复性，提高白光LED的显色指数，降低其色温。
附图说明
图1是本发明无荧光粉的高效白光LED外延结构的示意图。
图中：1、衬底；2、缓冲层；3、N-GaN层；4、紫外光多量子阱层；5、P-GaN层；6、黄带和蓝带发光激发层；7、电极接触层。
具体实施方式
实施例1
本发明的无荧光粉的GaN基高效白光LED外延结构，如图1所示，自下而上依次包括衬底1、缓冲层2、N-GaN层3、紫外光波长的发光多量子阱层4、P-GaN层5、黄带和蓝带发光激发层6及电极接触层7。衬底1为蓝宝石衬底。缓冲层2为厚度3μm的GaN层。N-GaN层3厚度为2μm，掺杂浓度为3*1018cm-1。紫外光波长的发光多量子阱层4是在750℃和800℃下分别生长厚度为2.5nm和8nm的5个周期的InGaN/AlGaN多量子阱结构，所用镓源为二甲基镓。P-GaN层5的厚度为200nm。黄带和蓝带发光激发层5是厚度为4nm的GaN层和厚度2nm的AlGaN层的AlGaN/GaN超晶格结构，周期为20个，总厚度为120nm。
上述无荧光粉的GaN基高效白光LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)在MOCVD设备中，对蓝宝石衬底在1000℃氢气环境下进行高温清洗，再在550℃范围下生长3μm的GaN缓冲层2。
(2)通入流量为10slm的NH3，通入时间为3min；MOCVD反应室内温度调整为1050℃，在GaN缓冲层上直接生长2μm厚的N-GaN层3，掺杂浓度为3*1018cm-1。
(3)以二甲基镓为镓源，在750℃生长厚度为2.5nm的InxGa1-xN阱层，在800℃的温度下生长厚度为8nm的AlxGa1-xN垒层，In的占比为8％,Al的占比为2％，阱层和垒层周期性交替叠加，周期为5，形成紫外光波长的发光多量子阱层。
(4)在880℃的温度下，按现有技术的常规方法，在所述紫光多量子阱层4上生长厚度为150nm的P-GaN层5；
(5)在P-GaN层上生长黄带和蓝带发光激发层6，即AlGaN/GaN超晶格层，采用H2为载气，在温度650℃、压力50Torr以及8slm NH3流量的条件下生长厚度为4nm的GaN层，镓源采用三甲基镓；将生长温度升高至800℃生长厚度2nm的AlGaN层；周期为20个，总厚度为120nm。
(6)在700℃的温度下，按现有技术的常规方法，在黄带和蓝带发光激发层6上生长P-InGaN电极接触层7。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处是：衬底1为Si衬底；缓冲层2为厚度5μm的AlN层；N-GaN层3厚度为3μm，掺杂浓度为10*1018cm-1；紫外光波长的发光多量子阱层4是厚度为4nm和10nm的10个周期的InGaN/AlGaN多量子阱结构；P-GaN层5的厚度为240nm；黄带和蓝带发光激发层5是厚度为4nm的GaN层和厚度2nm的AlGaN层的AlGaN/GaN超晶格结构，周期为30个，总厚度为180nm。
本实施例的生长方法，包括以下步骤：
(1)在MOCVD设备中，对Si衬底在1050℃氢气环境下进行高温清洗，再在500℃范围下生长5μm的AlN缓冲层2。
(2)通入流量为15slm的NH3，通入时间为3min；MOCVD反应室内温度为1050℃，在GaN缓冲层上直接生长3μm厚的N-GaN层3，掺杂浓度为10*1018cm-1。
(3)在N-GaN层3上生长紫外光波长的发光多量子阱层4，具体是在800℃温度下生长厚度为4nm的InxGa1-xN阱层，在850℃温度下生长厚度为10nm的AlxGa1-xN垒层，In的占比为13％,Al的占比为5％，阱层和垒层周期性交替叠加，周期为10。
(4)在920℃的温度下，按现有技术的常规方法，在紫外光波长的发光多量子阱层4上生长厚度为240nm的P-GaN层5；
(5)在P-GaN层上生长黄带和蓝带发光激发层6，即AlGaN/GaN超晶格层，采用H2为载气，在温度700℃、压力70Torr以及13slm NH3流量的条件下生长厚度为4nm的GaN层，镓源采用三甲基镓；将生长温度升高至850℃生长厚度2nm的AlGaN层；周期为30个，总厚度为180nm。
(6)在750℃的温度下，按现有技术的常规方法，生长P-InGaN电极接触层7。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处是：衬底1为SiC衬底；缓冲层2为厚度8μm的GaN层；N-GaN层3厚度为4μm，掺杂浓度为2*1019cm-1；紫外光波长的发光多量子阱层4是厚度为6nm和11nm的9个周期的InGaN/AlGaN多量子阱结构；P-GaN层5的厚度为260nm；黄带和蓝带发光激发层5是厚度为4nm的GaN层和厚度2nm的AlGaN层的AlGaN/GaN超晶格结构，周期为40个，总厚度为240nm。
本实施来的制备方法，包括以下步骤：
(1)在MOCVD系统中，对SiC衬底在1100℃氢气环境下进行高温清洗，再在650℃范围下生长8μm的GaN缓冲层2。
(2)通入NH3，其中NH3流量为17slm，通入时间为3min；所述MOCVD反应室内温度为1100℃，在GaN缓冲层上直接生长4μm厚的N-GaN层3，掺杂浓度为2*1019cm-1。
(3)在N-GaN层上生长紫外光波长的发光多量子阱层，具体是在900℃温度下生长厚度为6nm的InxGa1-xN阱层，在840℃温度下生长厚度为11nm的AlxGa1-xN垒层，In的占比为18％,Al的占比为8％，阱层和垒层周期性交替叠加，周期为15。
(4)按现有技术的常规方法在980℃的温度下，在所述紫光多量子阱层上生长厚度为300nm的P-GaN层5。
(5)在P-GaN层上生长黄带和蓝带发光激发层6，即AlGaN/GaN超晶格层，采用H2为载气，在温度750℃、压力100Torr以及18slm NH3流量的条件下生长厚度为4nm的GaN层，镓源采用三甲基镓；将生长温度升高至900℃生长厚度2nm的AlGaN层；周期为40个，总厚度为240nm。
(6)在800℃的温度下，按现有技术的常规方法，生长P-InGaN电极接触层7。
Claims (1)
1.一种无荧光粉的GaN基高效白光LED外延结构的生长方法，所述LED外延结构包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、N-GaN层、紫外光波长的发光多量子阱层、P-GaN层、黄带和蓝带发光激发层以及电极接触层，其特征是，包括以下步骤：
（1）在MOCVD设备中，对衬底在1000-1100℃氢气环境下进行高温清洗，再在500-650℃范围下生长3μm-8μm厚的GaN或AlN缓冲层；
（2）通入流量为10-30slm 的NH3，通入时间为2分钟-5分钟；调整MOCVD反应室内温度为1000-1200℃，在缓冲层上直接生长2μm-4μm厚的N-GaN层，掺杂浓度为3*1018cm-1—2*1019cm-1；
（3）在N-GaN层上生长紫外光波长的发光多量子阱层，具体是在750-850℃温度下生长厚度为2.5nm-5nm的InxGa1-xN阱层，在800-900℃温度下生长厚度为8-10nm的AlxGa1-xN垒层，Al的占比为2%-8%，阱层和垒层周期性交替叠加，周期为5-15；
（4）在880-980℃温度下生长厚度为150-300nm的P-GaN层；
（5）在P-GaN层上生长黄带和蓝带发光激发层，即AlGaN/GaN超晶格层，采用H2为载气，在温度650-750℃、压力50-100Torr以及8-18slm NH3流量的条件下进行GaN层的生长，镓源采用三甲基镓，AlGaN层生长条件同紫外光波长的发光多量子阱层中的AlxGa1-xN垒层；AlGaN层和GaN层的周期为20-40个，总厚度为120-240nm；
（6）在700-800℃温度下，在黄带和蓝带发光激发层上生长电极接触层P-InGaN。
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