CN105552183B - 白光发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种芯片级的白光发光二极管及其制作方法，通过在正常的蓝光量子阱的上面或者下面形成由量子阱构成的黄光激发层，利用蓝光量子阱发出的部分蓝光激发黄光激发层发出黄光，混合后形成白光，实现无荧光粉的白光芯片。在本发明中，利用有源层在电注入下发射蓝光，发出的蓝光激发黄光量子阱发射黄光，在注入电流时主要考虑与有源层匹配即可，以有源层发射出的蓝光量达到极大值为最佳。同时黄光量子阱的吸收转化效率高、不易饱和，混合产生的白光色温不随注入电流增大而偏离。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体为一种芯片级白光发光二极管及其制作方法。
背景技术
当前采用LED实现白光光源的技术路线主要有如下几种：第一种是采用红、绿、蓝三种颜色的LED混合输出白光，由于不同颜色的LED衰减速度不同，最终导致控制电路复杂且成本偏高；第二种是采用单基色LED搭配荧光粉实现白光输出，如利用蓝光LED激发黄光荧光粉，或者紫外光LED激发三基色荧光粉，然而荧光粉的稳定性及色温的控制都是技术上的难点，同时对封装工艺有较高要求。第三种是采用无荧光粉的单芯片实现白光，其有望克服以上各种技术的缺陷。
现有的无荧光粉单芯片白光技术主要有如下几种。如中国专利文献CN1741290A中公开一种蓝光、黄光量子阱堆叠结构的白光LED，在量子阱有源区同时生长蓝光和黄光量子阱，电流注入后同时发出蓝光和白光而实现白光输出；但在不同电流下，蓝光和黄光的发光比例较难控制，导致不同电流下色温不一致；另外由于量子阱不是针对蓝光而达到最优化，最终会导致整体效率偏低。中国专利文献CN102097554A中提到了另外一种单芯片白光技术，利用在蓝光量子阱有源区下插入InGaN应力调制层，使蓝光量子阱中形成富含In的能发出黄光的量子点，电注入下量子阱发的蓝光和量子点发出的黄光混合而输出白光。但此种技术中量子点发光容易饱和，高电流注入下色温很容易偏高，并且技术上也很难控制量子点的密度。中国专利文献CN101556983A提到了另一种技术，其有源区能发出370-420nm近紫外光，在有源区下面有一层利用高密度缺陷实现的荧光层，在紫光激发下可发出黄光，与有源区发出的混合而实现白光。但此技术依赖于材料中的点缺陷，点缺陷发光容易在高电流下饱和，最终导致白光色温随注入电流增加而升高。
发明内容
本发明提供了一种芯片级白光发光二极管，通过在正常的蓝光有源层的上面或者下面加入量子阱，利用蓝光有源层发出的部分蓝光激发量子阱发出黄光，混合后形成白光，实现无荧光粉的白光芯片。
本发明的技术方案为：白光发光二极管，包括空穴注入层、有源层和电子注入层，所述有源层具有两个相对的表面，分别为出光面和背光面，在所述有源层的出光面之上设置一量子阱，在电注入下，所述有源层发射蓝光，其发射出的蓝光一部分穿过所述量子阱层向外射出，一部分激发所述量子阱发出黄光，两者混合后形成白光。
优选的，通过调整所述量子阱的个数，调节黄光产生的比例，进而调整白光的色温。
优选的，所述量子阱的个数为3~10个。
优选的，所述量子阱为InGaN/GaN、InGaN/InGaN、InGaN/AlGaN、或InGaN/AlInGaN。
优选的，所述量子阱的垒层厚度为20~200nm，阱层的厚度为3~6nm。
优选的，优化所述有源层和量子阱的结构，在电注入下使所述有源层发射出的蓝光量达到极大值。
在第一个较佳实施例中，所述有源层的出光面邻近所述电子注入层，所述量子阱位于所述有源层与电子注入层之间。进一步的，所述有源层与量子阱之间还有一n型掺杂的势垒层。更佳的，所述量子阱的势垒层具有n型掺杂，其掺杂浓度为5×1017cm-3 ~ 5×1018cm-3。
在另一些实施例中，所述有源层的出光面邻近所述空穴注入层，所述有源层与量子阱之间还设置有一势垒层。
例如本发明的另一较佳实施例中，所述量子阱位于所述空穴注入层之上方，所述量子阱不掺杂，如此可获得较高的黄光效率。
例如本发明的再一较佳实施例中，所述量子阱插入所述空穴注入层中。更佳的，所述量子阱具有p型掺杂，其掺杂浓度为5×1018cm-3 ~ 1×1020cm-3。
例如本发明的再一较佳实施例中，所述空穴注入层和所述量子阱共用同一结构，当注入电时，所述空穴注入层一方面为所述有源层提供空穴传输，另一方面吸收来自有所述源层的光子，产生新的电子空穴对并发生辐射复合发出黄光。
本发明还提供一种白光发光二极管的制作方法，提供一具有至少具有空穴注入层、有源层和电子注入层的外延结构，所述有源层具有两个相对的表面，分别为出光面和背光面，在所述有源层的出光面之上设置一量子阱，在电注入下所述有源层发射蓝光，其发射出的蓝光一部分穿过所述量子阱层向外射出，一部分激发所述量子阱发出黄光，两者混合后形成白光。
在前述结构中不需要荧光粉，通过调整量子阱个数可调节色温，如对于冷白光LED，量子阱的个数可以为3~6个，对于暖白光LED，量子阱的个数可以为7~10个。
本发明之白光发光二极管直接采用发光效率高的蓝光有源层搭配由光子激发的黄光量子阱，有源层结构不改变，可以无缝转移原有蓝光技术，同时黄光量子阱的吸收转化效率高、不易饱和，色温不随注入电流增大而偏离。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1~2为根据本发明第一个较佳实施例白光发光二极管结构示意图。
图3为根据本发明第二个较佳实施例白光发光二极管结构示意图。
图4为根据本发明第三个较佳实施例白光发光二极管结构示意图。
图5为根据本发明第四个较佳实施例白光发光二极管结构示意图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的白光发光二极管及其制作方法进行详细的描述，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
参看图1，本发明第一个较佳实施例之白光发光二极管的外延结构，自下而上包括：衬底110、非掺杂氮化物层120、n型氮化物层（即电子注入层）130、黄光量子阱140、n型势垒层150、有源层160、p型势垒层170、p型氮化物层180（即空穴注入层）和p型接触层190。其中，有源层160的发射波长为435nm~465nm，量子阱140对应的发光峰值波长550-580nm。
参看图2，为图1所示的外延结构制作成LED芯片的混光示意图，其为倒装结构，光从n型氮化物层130一侧射出。该结构在电注入下，电激发有源层160发射蓝光，发出的蓝光从倒装结构或者垂直结构芯片的衬底方向出射，其中一部分被上面的量子阱140吸收，量子阱吸收光子后，产生电子空穴对，新产生的电子空穴对发生辐射复合产生黄光，黄光与穿透量子阱的蓝光混合后，形成白光。通过调整黄光量子阱的个数，可以调节黄光产生的比例，进而可以调整白光的色温。例如对于冷白光LED，量子阱的个数可以为3~6个，对于暖白光LED，量子阱的个数可以为7~10个。
下面结合具体的制作方法对上述白光LED结构作详细说明。
首先，提供衬底110，将衬底110放入MOCVD中升温至1000-1200℃，在氢气氛围下处理3-10分钟。衬底110的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其表面结构可为平面结构或图案化图结构。
接着，针对不同衬底，采用不同的缓冲层技术生长非掺杂氮化物层120，其厚度为2~5微米。
接着，生长1.5~4微米厚的氮化镓，通入甲硅烷进行掺杂，形成n型氮化物层130。
接着，在700-800℃环境下，生长3-10个周期的InGaN/GaN黄光量子阱140，其中每个周期内InGaN的厚度范围3~6nm，GaN的厚度范围20~200nm。量子阱140对应的发光峰值波长550~580nm，因此量子阱对应的铟组份较高，高铟组分的量子阱内铟组分不均匀，导致其对应的发光波长展宽很大，可以从520nm一直扩展到600nm以上。由于难于生长高质量的高铟组分阱层，因此可加大随后生长的垒层厚度以修复外延质量，其较佳厚度为50~150nm。进一步地，可在垒层中通入甲硅烷掺杂，从而整个量子阱结构160也起到传统蓝光LED中浅阱的作用，可以释放量子阱中的应力，同时产生大量的V型缺陷结构，促进其后续生长的有源层160空穴的注入。优选的，垒层的掺杂浓度为5×1017cm-3 ~5×1018cm-3 ，更佳的，可取1×1018cm-3。
接着，生长GaN势垒层150，其厚度10~100nm，优选50nm，通入甲硅烷进行掺杂，其Si掺杂浓度5E17~5E18，优选1E18。
接着，在750-900℃环境下，生长5~15个周期的InGaN/GaN多量子阱作为有源层160，其发射波长为435nm~465nm。其中InGaN量子阱厚度2~5nm，GaN势垒层厚度5~15nm。
接着，生长AlGaN势垒层170，其中铝组分5%~25%，厚度5~30nm。
接着，生长低温p型AlInGaN层180作为空穴注入层，厚度20~80nm。
接着，生长GaN层，通入二茂镁进行掺杂，形成p型接触层190。
最后，通过芯片加工过程，制作成倒装结构或者垂直结构芯片。
在上述白光发光二极管结构，量子阱160与空穴注入层180之间隔着较厚的GaN势垒层150，空穴一般无法到达，其主要是利用有源层在电注入下发光，发出的蓝光激发位于其上方的量子阱发射黄光。因此，在注入电流时主要考虑与有源层匹配即可，以有源层发射出的蓝光量达到极大值为最佳。同时量子阱的吸收转化效率高、不易饱和，色温不随注入电流增大而偏离。
参看图3，本发明第二个较佳实施例之白光发光二极管，自下而上包括：衬底210、非掺杂氮化物层220、n型氮化物层（即电子注入层）230、InGaN/GaN应变调节层240、GaN势垒层250、有源层260、AlGaN势垒层270、p型氮化物层280（即空穴注入层）和p型接触层290。本实施例为正装结构，光从p型氮化物层280一侧射出。
在本实施例中，有源层260的发射波长为435nm~465nm，p型氮化物层280采用量子阱结构，其一方面作为空穴注入层，为有源层260提供空穴传输，另一方面作为黄光激发层，吸收来自有源层发射出的蓝光，该量子阱吸收光子后，产生电子空穴对，新产生的电子空穴对发生辐射复合产生黄光，黄光与穿过该量子阱的蓝光混合后，形成白光。该p型氮化物层280的量子阱结构相应的发光峰值波长550~580nm。
下面结合具体的制作方法对上述白光LED结构作详细说明。
首先，在一衬底210上依次生长非掺杂氮化层220、n型半导体层230，相关内容可参照前一实施例。
接着，在780~880℃环境下，生长3-10个周期的InGaN/GaN应变调节层240。
接着，生长GaN势垒层250，其厚度10~100nm。
接着，在750~90℃环境下，生长5~15个周期的InGaN/GaN多量子阱层作为有源层260，其发射波长为435nm~465nm，其中InGaN量子阱厚度2~5nm，GaN势垒层厚度5~15nm。
接着，生长AlGaN势垒层270，其中铝组分5%-25&，厚度5~30nm。
接着，在700~800℃环境下，生长3~10个周期的InGaN/GaN量子阱作为p型氮化物层280，其中每个周期内InGaN的厚度范围3~6nm，GaN厚度范围5~200nm，量子阱对应的发光峰值波长550~580nm。这一层生长时通入二茂镁进行掺杂。由于InGaN层的Mg激活能比GaN中的激活能低，因此可以得到更高浓度的空穴浓度。
接着，生长GaN层，通入二茂镁进行掺杂，形成p型接触层290。
最后，通过芯片加工过程，制作成正装结构芯片，并在衬底210的背部制作反射镜，光从p型氮化物层280一侧射出。
在本实施例中，黄光量子阱正好位于LED结构的p型材料中，而Mg在InGaN材料中具有更高的空穴浓度，起到了一举两得的效果：一方面黄光量子阱可以被蓝光激发，另一方面掺杂黄光量子阱能共提供更高的空穴浓度。
图4显示了本发明的第三个较佳实施例白光发光二极管，与图2所示的白光LED的区别在于：在p型氮化物层280插入黄光量子阱，该黄光量子阱可位于p型氮化物层280的底部280a、中间位置280b（即图4结构）或顶部280c。其中黄光量子阱采用InGaN/GaN结构，进行p型掺杂，其掺杂浓度为5×1018cm-3 ~ 1×1020cm-3。
图5显示了本发明第四个较佳实施例白光发光二极管，与图1所述的白光LED的区别在于：该白光LED为水平结构，在p型氮化物层280的上方设置黄光量子阱280b，该黄光量子阱280b不进行掺杂，此结构同时作应力释放结构。该实施例可获得较高的黄光效率。
尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。
Claims (16)
1.白光发光二极管，包括空穴注入层、有源层和电子注入层，所述有源层具有两个相对的表面，分别为出光面和背光面，其特征在于：在所述有源层的出光面之上设置一由光子激发的量子阱，所述有源层与量子阱之间还设置有一势垒层，所述有源层的出光面邻近所述电子注入层，所述量子阱位于所述有源层与电子注入层之间，在电注入下所述有源层发射蓝光，其发射出的蓝光一部分穿过所述量子阱层向外射出，一部分激发所述量子阱发出黄光，两者混合后形成白光。
2.根据权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：位于所述有源层与量子阱之间的势垒层为一n型掺杂的势垒层。
3.根据权利要求1所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱包含垒层和阱层，其中该垒层具有n型掺杂，其掺杂浓度为5×1017cm-3 ~ 5×1018cm-3。
4.白光发光二极管，包括空穴注入层、有源层和电子注入层，所述有源层具有两个相对的表面，分别为出光面和背光面，所述有源层的出光面邻近所述空穴注入层，其特征在于：在所述有源层的出光面之上设置一由光子激发的量子阱，所述有源层与量子阱之间还设置有一势垒层，在电注入下所述有源层发射蓝光，其发射出的蓝光一部分穿过所述量子阱层向外射出，一部分激发所述量子阱发出黄光，两者混合后形成白光。
5.根据权利要求4所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱位于所述空穴注入层之上方。
6.根据权利要求4所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱插入所述空穴注入层中。
7.根据权利要求4所述的白光发光二极管，其特征在于：所述空穴注入层和所述量子阱共用同一结构，所述空穴注入层一方面为所述有源层提供空穴传输，另一方面吸收来自所述有源层的光子，产生新的电子空穴对并发生辐射复合发出黄光，向外射出的蓝光和黄光混合后形成白光。
8.根据权利要求6或7所述的白光 发光二极管，其特征在于：所述量子阱具有p型掺杂，其掺杂浓度为5×1018cm-3 ~ 1×1020cm-3。
9.根据权利要求1或4所述的白光发光二极管，其特征在于：通过调整所述量子阱的个数，调节黄光产生的比例，进而调整白光的色温。
10.根据权利要求9所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱的个数为3~10个。
11.根据权利要求1或4所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱为InGaN/GaN、InGaN/InGaN、InGaN/AlGaN、或InGaN/AlInGaN。
12.根据权利要求1或4或所述的白光发光二极管，其特征在于：所述量子阱包含阱层和垒层，其中垒层的厚度为20~200nm。
13.根据权利要求1或4所述的白光发光二极管，其特征在于：优化所述有源层和量子阱的结构，在电注入下使所述有源层发射出的蓝光量达到极大值。
14.白光发光二极管的制作方法，提供一具有至少具有空穴注入层、有源层和电子注入层的外延结构，所述有源层具有两个相对的表面，分别为出光面和背光面，其特征在于：在所述有源层的出光面之上设置一由光子激发的量子阱，所述有源层与量子阱之间还设置有一势垒层，所述有源层的出光面邻近所述电子注入层，所述量子阱位于所述有源层与电子注入层之间，在电注入下所述有源层发射蓝光，其发射出的蓝光一部分穿过所述量子阱层向外射出，一部分激发所述量子阱发出黄光，两者混合后形成白光。
15.根据权利要求14所述的白光发光二极管的制作方法，其特征在于：优化所述有源层和量子阱的结构，在电注入下使所述有源层发射出的蓝光量达到极大值。
16.根据权利要求14所述的白光发光二极管的制作方法，其特征在于：通过调整所述量子阱个数，调节黄光产生的比例，进而调整白光的色温。
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