CN109841712B - 基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光led及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法，所述LED由下至上包括：衬底；低温成核层，位于衬底上；u‑GaN层，位于低温成核层上；第一n‑GaN层，位于u‑GaN层上；SiO₂层，位于第一n‑GaN层上，含有n(n≥1)个微/纳米孔洞；3D类金字塔型n‑GaN结构，位于微/纳米孔洞上；对3D类金字塔型n‑GaN结构之间的SiO₂进行刻蚀，裸露出第一n‑GaN层后再生长第二n‑GaN层；全结构，位于3D类金字塔型n‑GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n‑GaN层之上；混合量子点，填充于3D类金字塔型结构的间隙之间。其由外延技术生长出的全结构与量子点结合起来所得到的，在避免荧光粉所带来的缺陷的同时，通过量子阱中In的组分及混合量子点配比的调节，形成全光谱，实现高显色性能。

Description

基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法

技术领域

本公开涉及半导体外延和芯片技术领域，尤其涉及一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法。

背景技术

LED作为目前照明市场上的主流产品，荧光转换型白光LED具有封装工艺简单、成本较低等特点，但是还存在发光效率不高、发光质量有待提高等问题。而无荧光粉单芯片白光LED则具有以下的优势：如果采用单一芯片的LED——避免了多套控制电路的复杂设计，成本低，同时也避免了由不同芯片衰减速度而引起的光色漂移等问题，并且单芯片固态照明产品的热问题相对于多芯片型产品大为降低等等；如果采用无荧光粉的LED——避免了荧光粉的降解、色温不稳定等问题，并且还具有寿命相对较长等优势。因此，许多研究者们开始着力发展无荧光粉单芯片的白光LED照明技术，并提出了许多新的实施途径。例如，早在2006年，台湾成功大学Shih-Chang Shei等人就利用MOVPE在蓝宝石C面上外延生长双波长量子阱的结构，即蓝色量子阱(In_0.3Ga_0.73N)和绿色量子阱(In_0.55Ga_0.45N)，从而发出白光，在该结构中，其峰值波长大概为450nm(蓝色)和560nm(黄绿色)，色坐标为(0.2，0.32)；2014年，清华大学Di Yang等人研制出一种阱点耦合的结构，即有源区中包含4个周期的黄绿色量子点和4个周期的蓝色量子阱，在这个结构中，其量子阱的峰值波长大概为450nm(蓝色)，量子点的峰值波长大概为550nm(黄绿色)，而且当注入电流从5mA向50mA变化时，其显色指数会从62变化到30，呈现的是下降的趋势。我们可以看到，在这些技术中白光的显色指数还是比较低，因此，提高显色指数，使色坐标接近(1/3，1/3)也尤为迫切。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法，以缓解现有技术中白光的显色指数比较低等技术问题。

(二)技术方案

在本公开的一个方面，提供一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，包括：衬底；低温成核层，位于所述衬底上；非掺杂GaN层，位于所述低温成核层上；第一n-GaN层，位于所述非掺杂GaN层上；SiO₂层，位于所述第一n-GaN层上，含有n个微/纳米孔洞；3D类金字塔型n-GaN结构，位于所述SiO₂层的微/纳米孔洞上；全结构，位于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层之上；以及混合量子点，填充于所述3D类金字塔型结构的间隙之间。

在本公开实施例中，所述全结构，包括：第二n-GaN层，生长于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层之上；InGaN/GaN多量子阱结构层，生长于所述第二n-GaN层上；AlGaN电子阻挡层，生长于所述InGaN/GaN多量子阱结构层上；以及P-GaN层，生长于所述AlGaN电子阻挡层上。

在本公开实施例中，所述衬底包括：蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。

在本公开实施例中，所述3D类金字塔型结构为六棱锥型。

在本公开实施例中，所述低温成核层的厚度为5nm～200nm；所述非掺杂GaN层的厚度为0.2μm～10μm；所述第一n-GaN层的厚度为0.2μm～10μm。

在本公开实施例中，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10nm～250nm；所述P-GaN层的厚度为10nm～250nm。

在本公开实施例中，所述混合量子点，包括：红色量子点、黄色量子点以及绿色量子点。

在本公开的另一放方面，提供一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，用于制备以上所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，包括：步骤A：在衬底上生长低温成核层；步骤B：在步骤A所生长的低温成核层上生长非掺杂GaN层；步骤C：在步骤B所生长的非掺杂GaN层上生长第一n-GaN层；步骤D：在步骤C所生长的第一n-GaN层上制备含有n个微/纳米孔洞的SiO₂层，作为掩模版；步骤E：在步骤D所制备的掩模版上生长n个3D类金字塔型n-GaN结构；步骤F：在步骤E的基础上对3D类金字塔型n-GaN结构之间的SiO₂层进行刻蚀，裸露出步骤C所生长的第一n-GaN层；步骤G：在步骤F的基础上生长全结构，与此同时也形成3D类金字塔型结构；以及步骤H：在步骤G所形成的3D类金字塔型结构的间隙之间填充混合量子点，完成基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备。

在本公开实施例中，所述步骤G包括：步骤G1：在步骤E所制备的3D类金字塔型n-GaN结构表面及步骤F刻蚀SiO₂后裸露出的第一n-GaN层表面再次外延生长n-GaN结构层，即第二n-GaN层；步骤G2：在步骤G1所制备的第二n-GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱结构层；步骤G3：在步骤G2所制备的InGaN/GaN多量子阱结构层上生长AlGaN电子阻挡层；以及步骤G4：在步骤G3所制备的AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，完成全结构的制备。

在本公开实施例中，所述步骤D中制备的SiO₂层的厚度为40nm～600nm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)此单芯片白光LED是由外延技术生长出的全结构与量子点结合起来所得到，能避免荧光粉所带来的缺陷，并且在此全结构中，由于3D类金字塔型结构之间的平面与3D类金字塔型结构的侧面并入的In组分不同，因此可以通过调节量子阱中In的组分可以使InGaN/GaN多量子阱结构层发射出两种波长的光或宽光谱的光；

(2)可改变3D类金字塔型结构间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，形成全光谱，实现高显色性能(显色指数＞90)。

附图说明

图1是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的截面结构示意图。

图2是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的俯视结构示意图。

图3是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED制备方法的流程图。

图4是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED制备方法中全结构的制备方法流程图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法，是由外延技术生长出的全结构与量子点结合起来所得到。并且在此全结构中，由于3D类金字塔型结构之间的平面与3D类金字塔型结构的侧面并入的In组分不同，因此可以通过调节量子阱中In的组分可以使InGaN/GaN多量子阱结构层发射出两种波长的光或宽光谱的光，同时也可改变3D类金字塔型结构间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，形成全光谱。这样既能避免荧光粉所带来的缺陷，又能实现高显色性能(显色指数＞90)。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，图1是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的截面结构示意图；图2是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的俯视结构示意图，结合图1至图2所示，所述基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，包括：

衬底；

低温成核层，位于所述衬底上；

非掺杂GaN层(u-GaN)，位于所述低温成核层上；

第一n-GaN层(n-GaN)，位于所述非掺杂GaN层上；

SiO₂层，位于所述第一n-GaN层上，刻蚀有n(n≥1)个微/纳米孔洞；

3D类金字塔型n-GaN结构，位于所述SiO₂层的微/纳米孔洞上；

对3D类金字塔型n-GaN结构之间的SiO₂进行刻蚀，裸露出第一n-GaN层；

全结构，位于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO2刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层之上，包括：

第二n-GaN层，生长于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层的表面；

InGaN/GaN多量子阱结构层，生长于所述第二n-GaN层上；

AlGaN电子阻挡层，生长于所述InGaN/GaN多量子阱结构层上；以及

P-GaN层，生长于所述AlGaN电子阻挡层上。

混合量子点，填充于所述3D类金字塔型结构的间隙之间。

所述衬底包括：蓝宝石、碳化硅或硅中的一种；

所述低温成核层的厚度为5nm～200nm。

所述非掺杂GaN层的厚度为0.2μm～10μm。

所述第一n-GaN层的厚度为0.2μm～10μm；

所述SiO₂层的厚度为40nm～600nm；

所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10nm～250nm；

所述P-GaN层的厚度为10nm～250nm；

所述3D类金字塔型结构为六棱锥形，由下至上包括：3D类金字塔型n-GaN结构、3D类金字塔型的第二n-GaN层、3D类金字塔型的AlGaN电子阻挡层、3D类金字塔型的P-GaN层；

所述混合量子点，包括：红色量子点、黄色量子点以及绿色量子点。

所述低温成核层是为了提高GaN外延薄膜的生长质量；非掺杂GaN层是为了得到较平坦的GaN表面；第一n-GaN层、3D类金字塔型n-GaN结构、第二n-GaN层的作用是为发光层(多量子阱层)提供复合载流子，即电子；全结构中的InGaN/GaN多量子阱结构层以及3D类金字塔型结构间隙间的混合量子点是主要的发光源；AlGaN电子阻挡层是为了把更多的载流子限制在芯片的有源区，提高辐射复合率，即提高内量子效率；P-GaN层的作用也是为发光层提供复合载流子，即空穴。

在本公开实施例中，还提供一种基于类金字塔型的高显指单芯片白光LED的制备方法，用于制备上述基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，图3是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED制备方法的流程图；图4是本公开实施例提供的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED制备方法中全结构的制备方法流程图；结合图3和图4所示，所述基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，包括：

步骤A：在衬底上生长低温成核层；

在一衬底上生长低温成核层，其中，衬底可以蓝宝石、碳化硅或硅中的一种，成核层的厚度可取5nm～200nm。

步骤B：在步骤A所生长的低温成核层上生长非掺杂GaN层；

在低温成核层上生长非掺杂GaN层，非掺杂GaN层的厚度可取0.2μm～10μm。

步骤C：在步骤B所生长的非掺杂GaN层上生长第一n-GaN层；

在非掺杂GaN层生长第一n-GaN层，第一n-GaN层的厚度可取0.2μm～10μm。

步骤D：在步骤C所生长的第一n-GaN层上制备含有n(n≥1)个微/纳米孔洞的SiO₂层，作为掩模版；

在n-GaN/u-GaN模板上，采取一定的方法通过ICP光刻、图形转移后，在厚度为40nm～600nm SiO₂上形成n(n≥1)个微/纳米孔洞，作为后续选区掩模版。

步骤E：在步骤D所制备的掩模版上生长n个3D类金字塔型n-GaN结构；

在本公开实施例中，所述的3D类金字塔型n-GaN结构的生长温度为800℃～1200℃，生长压力为30Torr～400Torr；。

步骤F：在步骤E的基础上对3D类金字塔型n-GaN结构之间的SiO₂层进行刻蚀，裸露出步骤C所生长的第一n-GaN层；

步骤G：在步骤F的基础上生长全结构，与此同时也形成3D类金字塔型结构；包括：

步骤G1：在步骤E所制备的3D类金字塔型n-GaN结构表面及步骤F刻蚀SiO₂后裸露出的第一n-GaN层表面再次外延生长n-GaN结构层，即第二n-GaN层；

步骤G2：在步骤G1所制备的第二n-GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱结构层；

步骤G3：在步骤G2所制备的InGaN/GaN多量子阱结构层上生长AlGaN电子阻挡层；

步骤G4：在步骤G3所制备的AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，完成全结构的制备；

所述的InGaN/GaN多量子阱结构层的生长温度为650℃～1050℃，生长压力为30Torr～400Torr；

所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10nm～250nm；

所述P型掺层GaN层的厚度为10nm～250nm。

步骤H：在步骤G所制备的3D类金字塔型结构的间隙之间填充一定比例的混合量子点，最终完成基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备。

所述混合量子点，包括：红色量子点、黄色量子点以及绿色量子点。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED及其制备方法，是由外延技术生长出的全结构与量子点结合起来所得到。并且在此全结构中，由于3D类金字塔型结构之间的平面与3D类金字塔型结构的侧面并入的In组分不同，因此可以通过调节量子阱中In的组分可以使InGaN/GaN多量子阱结构层发射出两种波长的光或宽光谱的光，同时也可改变3D类金字塔型结构间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，形成全光谱。这样既能避免荧光粉所带来的缺陷，又能实现高显色性能(显色指数＞90)。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，包括：

衬底；

低温成核层，位于所述衬底上；

非掺杂GaN层，位于所述低温成核层上；

第一n-GaN层，位于所述非掺杂GaN层上；

SiO₂层，位于所述第一n-GaN层上，含有n个微/纳米孔洞；

3D类金字塔型n-GaN结构，位于所述SiO₂层的微/纳米孔洞上；

全结构，位于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层之上；以及

混合量子点，填充于所述3D类金字塔型结构的间隙之间；

所述全结构，包括：

第二n-GaN层，生长于所述3D类金字塔型n-GaN结构以及经SiO₂刻蚀后所裸露出的第一n-GaN层之上；

InGaN/GaN多量子阱结构层，生长于所述第二n-GaN层上；

AlGaN电子阻挡层，生长于所述InGaN/GaN多量子阱结构层上；以及

P-GaN层，生长于所述AlGaN电子阻挡层上。

2.根据权利要求1所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述衬底包括：蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述3D类金字塔型结构为六棱锥型。

4.根据权利要求1所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述低温成核层的厚度为5nm～200nm；所述非掺杂GaN层的厚度为0.2μm～10μm；所述第一n-GaN层的厚度为0.2μm～10μm。

5.根据权利要求1所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为10nm～250nm；所述P-GaN层的厚度为10nm～250nm。

6.根据权利要求1所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述混合量子点，包括：红色量子点、黄色量子点以及绿色量子点。

7.一种基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，用于制备如权利要求1至6任一项所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED，所述基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，包括：

步骤A：在衬底上生长低温成核层；

步骤B：在步骤A所生长的低温成核层上生长非掺杂GaN层；

步骤C：在步骤B所生长的非掺杂GaN层上生长第一n-GaN层；

步骤D：在步骤C所生长的第一n-GaN层上制备含有n个微/纳米孔洞的SiO₂层，作为掩模版；

步骤E：在步骤D所制备的掩模版上生长n个3D类金字塔型n-GaN结构；

步骤F：在步骤E的基础上对3D类金字塔型n-GaN结构之间的SiO₂层进行刻蚀，裸露出步骤C所生长的第一n-GaN层；

步骤G：在步骤F的基础上生长全结构，与此同时也形成3D类金字塔型结构；

以及

步骤H：在步骤G所形成的3D类金字塔型结构的间隙之间填充混合量子点，完成基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备；

所述步骤G包括：

步骤G1：在步骤E所制备的3D类金字塔型n-GaN结构表面及步骤F刻蚀SiO₂后裸露出的第一n-GaN层表面再次外延生长n-GaN结构层，即第二n-GaN层；

步骤G2：在步骤G1所制备的第二n-GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱结构层；

步骤G3：在步骤G2所制备的InGaN/GaN多量子阱结构层上生长AlGaN电子阻挡层；

以及

步骤G4：在步骤G3所制备的AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，完成全结构的制备。

8.根据权利要求7所述的基于类金字塔型的显指可调的单芯片白光LED的制备方法，所述步骤D中制备的SiO₂层的厚度为40nm～600nm。

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