專利名稱：電注入調(diào)控三基色單芯片白光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明領(lǐng)域和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉 及一種單芯片白光發(fā)光二極管(LED)器件。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)乃至國際上實(shí)現(xiàn)白光LED的主流方法仍然是以下三種。其中之一是采用 GaN基藍(lán)光、綠光和GaAs基紅光LED構(gòu)成三基色完備發(fā)光體系。把這三種顏色的LED 按一定的比例封裝在一起就可以得到用于照明用途的白光。這種方法封裝的每一個芯片都 需要獨(dú)立的驅(qū)動電路，因此控制電路相對復(fù)雜，成本高。另外一種，也是最為常見的是GaN 基藍(lán)光LED利用熒光粉轉(zhuǎn)換方法。這種方法是在高亮度GaN基藍(lán)光LED的表面均勻涂抹 熒光粉和透明樹脂，LED輻射出峰值為470nm左右的藍(lán)光，而部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出峰 值為570nm左右的黃綠光，與另一部分透射出來的藍(lán)光通過微透鏡聚焦組成白光。這種方 法由于熒光粉長時間處于LED光直射的高溫狀態(tài)引起性能退化，使白光LED的效率下降 和光譜改變。類似于藍(lán)光激發(fā)熒光粉的方法，有人提出了用GaN基紫外光LED輻射的紫 外光去激發(fā)熒光粉得到白光的方法。這種方法存在的主要問題是由于低摻雜效率和低量子 效率，高性能的紫外光LED是很難得到的，另外，熒光粉以及抗紫外光退化的封裝材料都 有待深一步研究。
如中國專利(申請)200320117244.5， 200410081198.7等，都屬于利用上述三種途徑 之一制備白光LED的方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電路簡單，無需熒光粉，較高光電轉(zhuǎn)化效率的單芯片白光 LED。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種電注入調(diào)控三基色的白光LED,在襯底的一側(cè)依次疊加第一n型歐姆接觸層、綠 光有源層、p型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二n型歐姆接觸層，或者依次疊加第一p型 歐姆接觸層、綠光有源層、n型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二p型歐姆接觸層，在襯底 的另一側(cè)鍵合紅光LED。上述綠光有源層為發(fā)射波長在綠光波段的量子阱，所述量子阱可為InGaN或AlInGaN 量子阱。所述量子阱的周期數(shù)可為1 20，每個周期中，阱的厚度可為lnm 5nm之間， 壘的厚度可為6nm 20nm之間。
上述藍(lán)光有源層為發(fā)射波長在藍(lán)光波段的量子阱，所述量子阱可為InGaN或AlInGaN 量子阱。所述量子阱的周期數(shù)可為1 20，每個周期中，阱的厚度可為lnm 5nm之間， 壘的厚度可為6nm 20nm之間。
上述綠光有源層和藍(lán)光有源層共用一個p型歐姆接觸層或n型歐姆接觸層。
上述n型歐姆接觸層材料為n型GaN，厚度為300nm 1500nm, —般是摻雜Si的GaN 層，其中Si的摻雜濃度為1.0X1018cm'3 1.0X102Qcm—3。
上述p型歐姆接觸層材料為p型GaN,厚度為300nm 1500nm， 一般是摻雜Mg的 GaN層，其中Mg的摻雜濃度為1.0X1017crrf3 1.0X1019cm-3。
上述紅光LED是InP基的紅光LED。
在上述LED器件的n型和p型歐姆接觸層上制作出接觸電極就可以通過控制各對電極 之間的電流、電壓的大小控制藍(lán)光、綠光和紅光量子阱的發(fā)光強(qiáng)度，這相當(dāng)于三個各自獨(dú) 立的光源。調(diào)節(jié)三個光源強(qiáng)度的比例，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色度分布圖可以得到各種色度的白光。本 發(fā)明的LED器件只需單一芯片即可發(fā)出白色光，而且器件的電路簡單，無需熒光粉，壽命 長，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，是一種理想的替代現(xiàn)有的白熾燈和熒光燈等照明光源的新 產(chǎn)品，同時也將會在光調(diào)控和全色顯示領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的GaN基白光LED的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備的GaN基白光LED的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例1:
本實(shí)施例的單芯片白光LED結(jié)構(gòu)如圖1所示，藍(lán)寶石襯底1之上依次為GaN成核層 2、非摻GaN層3、第一n型歐姆接觸層4-l、綠光有源層5、 p型歐姆接觸層6-l、藍(lán)光有 源層7和第二 n型歐姆接觸層8-1 ，藍(lán)寶石襯底1的下面鍵合有紅光LED 11 ，通過刻蝕在
4n型和p型歐姆接觸層上形成臺階，在臺階上分別制作n型和p型金屬歐姆接觸電極9和 10，而紅光LED的電極11-1和11-2位于其上下兩端。具體制備過程如下
1. 用普通的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底1采用(0001)面的藍(lán)寶 石襯底，氫氣(H力氛下，在1100。C 1150。C下高溫烘烤襯底5 15分鐘，降溫至 45(TC 55(TC氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫GaN成核層2，厚度為 25nm，然后升溫到105(TC生長1000nm厚的非摻GaN層3;
2. 在步驟1的基礎(chǔ)上，再向反應(yīng)室通入硅烷(SiH4)作為摻雜劑，以每小時1800nm 的生長速度生長第一n型歐姆接觸層4-l，此層為常規(guī)摻Si的GaN層，Si的摻雜 濃度為1.0X1019cm-3，厚度為lOOOnm;
3. 在步驟2的基礎(chǔ)上把溫度降為700 900'C左右，用三甲基銦(TMIn)作為In源， 生長LED的有源層5，其中包括5個量子阱InxGaLxN/GaN(2nm/8nm)，厚度為 50nm， x = 0.35，以得到發(fā)射綠光波段的有源層；
4. 在步驟3的基礎(chǔ)上把溫度升至100(TC左右，用二茂鎂(Cp2Mg)作摻雜劑，摻雜 濃度為lX10l8cm—3，生長p型歐姆接觸層6-1，此層的厚度約為300nm，并在 MOCVD反應(yīng)室內(nèi)降溫至800'C對p型GaN進(jìn)行退火激活；
5. 在步驟4的基礎(chǔ)上把溫度降為700 900'C左右，用三甲基銦(TMIn)作為In源， 生長LED的有源層7，其中包括5個量子阱InxGa^N/GaN(2nm/8nm)，厚度為 50nm， x = 0.18，以得到發(fā)射藍(lán)光波段的有源層；
6. 在步驟5基礎(chǔ)上升溫至105(TC繼續(xù)生長n型摻雜GaN層作為LED的第二 n型歐 姆接觸層8-l，此步驟中需要提高SiH4流量以提高n型層的摻雜濃度，Si的摻雜 濃度為1.0X102Qcm—3，厚度為IOOO證；
7. 用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方法分別從外延片的頂端刻蝕至兩個有源區(qū)5和7中間 的p型歐姆接觸層6-1和綠光有源層5和藍(lán)寶石襯底1之間的第一 n型歐姆接觸 層4-l，形成臺階，刻蝕氣體可用氯氣、氬氣、三氯化硼等；
8. 在外延片的最上面的第二 n型歐姆接觸層8-1和刻蝕出的第一 n型歐姆接觸層4-1 臺階上濺射Ti/Al/Ni/Au金屬多層膜，形成n型歐姆接觸電極9;在p型歐姆接觸 層6-1臺階上濺射Ni/Au金屬多層膜作為p型歐姆接觸電極10，最后得到帶有綠 光波段的有源層5和藍(lán)光波段的有源層7的雙波段的管芯；
9. 將上述制備的管芯鍵合到單位大小略大的InP基紅光LED 11上，其中InP基紅光 LED 11采用上下電極結(jié)構(gòu)，鍵合材料采用鈀一銦合金。實(shí)施例2:
本實(shí)施例的單芯片白光LED結(jié)構(gòu)如圖2所示，藍(lán)寶石襯底1之上依次為GaN成核層 2、非摻GaN層3、第一p型歐姆接觸層4-2、綠光有源層5、 n型歐姆接觸層6-2、藍(lán)光有 源層7和第二 p型歐姆接觸層8-2，藍(lán)寶石襯底1的下面鍵合有紅光LED 11，通過刻蝕在 n型和p型歐姆接觸層上形成臺階，在臺階上分別制作n型和p型金屬歐姆接觸電極9和 10，而紅光LED的電極11-1和11-2位于其上下兩端。具體制備過程如下
1. 用普通的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底1采用(0001)面的藍(lán)寶石 襯底，氫氣(H2)氛下，在1100'C 115(TC下高溫烘烤襯底5 15分鐘，降溫至450 。C 550。C氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫GaN成核層2，厚度為25nm， 然后升溫到105(TC生長1000nm厚的非摻GaN層3;
2. 在非摻GaN層3基礎(chǔ)上，降低溫度至100(TC，再向反應(yīng)室通入二茂鎂(Cp2Mg) 作為Mg源，生長p型摻雜GaN作為第一p型歐姆接觸層4-2，厚度為800nm,并 在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)降溫至80(TC對p型GaN進(jìn)行退火激活；
3. 在p型摻雜的GaN薄膜4-2上降低溫度至72(TC生長綠光波段的多量子阱，即用三 甲基銦(TMIn)作為In源，繼續(xù)生長5個InxGai-xN/GaN量子阱作為綠光有源層5， 其中x-0.30左右；
4. 在綠光有源層5上升溫至110(TC以硅垸SiH4為n型摻雜劑生長n型GaN層，厚度 為1000nm,得到n型歐姆接觸層6-2;
5. 在n型GaN層上降溫至780'C繼續(xù)生長藍(lán)光波段的多量子阱作為藍(lán)光有源層7，這 一有源層中的x值比步驟3中的要低一些，x = 0.15以得到藍(lán)光；
6. 再升溫至IOO(TC繼續(xù)生長p型摻雜GaN層作為LED的第二 p型歐姆接觸層8-2，此 步驟中需要提高二茂鎂(Cp2Mg)流量以提高p型層的摻雜濃度以便于制作p型歐 姆接觸電極，厚度為400nm左右；
7. 用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方法分別從外延片的頂端刻蝕至兩個有源區(qū)5和7中間的 n型歐姆接觸層6-2和綠光有源層5和藍(lán)寶石襯底之間1的第一 p型歐姆接觸層4-2， 形成臺階，刻蝕氣體可用氯氣、氬氣、三氯化硼等；
8. 在外延片的最上面的第二 p型歐姆接觸層8-2和刻蝕出的第一 p型歐姆接觸層4-2臺 階上濺射Ni/Au，形成p型歐姆接觸電極10;在ii型歐姆接觸層6-2臺階上濺射 Ti/Al/Ni/Au金屬制備n型歐姆接觸電極9,得到帶有綠光波段的有源層5和藍(lán)光波段的有源層7的雙波段的管芯； 9.將制上述備好的管芯鍵合到周期大小略大的InP基紅光LEDll上，其中InP基紅光 LED11采用上下電極，鍵合材料采用鈀一銦合金。
權(quán)利要求
1.一種電注入調(diào)控三基色的白光發(fā)光二極管，在襯底的一側(cè)依次疊加第一n型歐姆接觸層、綠光有源層、p型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二n型歐姆接觸層，或者依次疊加第一p型歐姆接觸層、綠光有源層、n型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二p型歐姆接觸層，在襯底的另一側(cè)鍵合紅光發(fā)光二極管。
2. 如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述綠光有源層為發(fā)射波長在綠 光波段的量子阱。
3. 如權(quán)利要求2所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述量子阱為InGaN或AlInGaN量子阱。
4. 如權(quán)利要求2所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述量子阱的周期數(shù)為1 20，每 個周期中，阱的厚度為lnm 5nm，壘的厚度為6nm 20nm。
5. 如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述藍(lán)光有源層為發(fā)射波長在藍(lán) 光波段的量子阱。
6. 如權(quán)利要求5所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述量子阱為InGaN或AlInGaN量子阱。
7. 如權(quán)利要求5所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述量子阱的周期數(shù)為1 20，每 個周期中，阱的厚度為lnm 5nm,壘的厚度為6nm 20nm。
8. 如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述p型歐姆接觸層材料為p型 GaN,厚度為300nm 1500nm。
9. 如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述n型歐姆接觸層材料為n型 GaN，厚度為300nm 1500nm。
10. 如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述紅光發(fā)光二極管是InP基的 紅光發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電注入調(diào)控三基色的白光發(fā)光二極管(LED)，在襯底的一側(cè)依次疊加第一n型歐姆接觸層、綠光有源層、p型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二n型歐姆接觸層，或者依次疊加第一p型歐姆接觸層、綠光有源層、n型歐姆接觸層、藍(lán)光有源層和第二p型歐姆接觸層，在襯底的另一側(cè)鍵合紅光LED。該白光LED通過控制各對電極之間的電流、電壓的大小來調(diào)節(jié)藍(lán)光、綠光和紅光有源層的發(fā)光強(qiáng)度，從而得到各種色度的白光。這相當(dāng)于在單一芯片有三個各自獨(dú)立的光源，以電注入調(diào)控三基色發(fā)出白色光。該器件的電路簡單，無需熒光粉，壽命長，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，將在白光照明、全色顯示和光調(diào)控領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。
文檔編號H01L25/075GK101582418SQ200810111710
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者張國義, 浩 方, 丁 李, 楊志堅(jiān), 桑立雯, 童玉珍, 陶岳彬 申請人:北京大學(xué)