專利名稱：GaN基雙藍(lán)光波長發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體地說，涉及一種GaN基雙藍(lán)光波長發(fā)光器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是一種半導(dǎo)體固體光源，它具有體積小、低耗能、低電壓驅(qū)動(dòng)、響應(yīng)速度快、壽命長、結(jié)構(gòu)牢固、抗沖擊和抗震能力強(qiáng)、有利于環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)。在照明、顯示、指示等方面具有非常廣的應(yīng)用前景，因此LED將成為21世紀(jì)替代傳統(tǒng)照明器件的新光源。GaN基LED制備經(jīng)過LED外延片生長，LED芯片制備和LED封裝三個(gè)主要環(huán)節(jié)。GaN 材料生長方法有很多，譬如金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延(M0CVD)、分子束外延(MBE)、鹵化物氣相外延(HVPE)等。目前，MOCVD是目前唯一能制備GaN基高亮度LED外延片并用于規(guī)?；a(chǎn)的生長技術(shù)?，F(xiàn)有的GaN基LED外延片均在生長ρ-GaN層前，先生長一層薄的p_AWaN 電子阻擋層以防止大電流下更多的電子溢流。但是P-AKiaN層存在的問題主要表現(xiàn)在
1、由于GaN基材料空穴有效質(zhì)量(1. 1 mQ)高于電子的有效質(zhì)量(0.2 mQ)，因此，電子就更容易穿越活性層進(jìn)入活性層頂部的量子阱層，甚至溢流出有源層進(jìn)入P-GaN層，相反，空穴就比較難達(dá)到活性層靠近n-GaN側(cè)的量子阱。AWaN電子阻擋層的使用意在阻擋電子溢流提高載流子復(fù)合率，但是卻進(jìn)一步阻擋了空穴的注入。2、P-AlGaN電子阻擋層降低了空穴的注入效率，導(dǎo)致在單波長LED有源區(qū)內(nèi)的電子空穴濃度分布不均勻，而在雙藍(lán)光波長混合多量子阱LED中，兩種阱的發(fā)光強(qiáng)度更加不均衡。3、ρ-AlGaN電子阻擋層Al組分的增大雖能阻擋電子溢流，但GaN壘層與p_AWaN 電子阻擋層之間的極化電場也進(jìn)一步增強(qiáng)，反而降低了導(dǎo)帶處最后一個(gè)壘層的勢壘，減弱了在大電流下對(duì)電子的限制。4、GaN基LED外延片中的p-AWaN電子阻擋層的空穴濃度在5 χ IO17CnT3左右， 甚至更低。而外延片中η型GaN層的自由電子濃度約5 χ 1018cm_3。如何獲得高空穴濃度 P-AWaN層，從而增大量子阱中電子和空穴的復(fù)合，對(duì)于GaN基LED顯得尤其重要，這也是 GaN材料生長中十分重要和困難的問題，是提高GaN基LED性能的關(guān)鍵。5、由于p-AWaN層的空穴濃度低，ρ型層和pn結(jié)交界面附近的電阻很大，在LED工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致LED結(jié)溫升高，縮短LED的使用壽命。盡管GaN基LED的理論壽命可達(dá)到10萬小時(shí)以上，但目前壽命在1 2萬小時(shí)左右，甚至更短。獲得高空穴濃度的 P型AWaN層也是獲得長壽命LED的關(guān)鍵一環(huán)。目前，廣泛采用的白光LED方案有兩種(1)以InGaN基藍(lán)光或紫光LED為基礎(chǔ)，通過熒光粉實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的白光LED; (2)多芯片混色的白光LED。前者主要缺點(diǎn)是無機(jī)熒光粉一般面臨著光致轉(zhuǎn)換效率低和顯色指數(shù)(CRI)差等缺點(diǎn)。而后者由于發(fā)光全部來自LED，因此，制作成本高、驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，此外，三種顏色LED之間老化特性的差異，常導(dǎo)致發(fā)光過程中變色。無熒光粉的單芯片白光LED已有報(bào)道，主要是在同一個(gè)藍(lán)寶石襯底上依次生長兩種或三種hGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的LED，調(diào)節(jié)h組分來實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到黃光的發(fā)射從而合成白光。但是，對(duì)于GaN基發(fā)光器件其發(fā)光效率一般在40(Γ500 nm范圍內(nèi)的效率較高，隨著發(fā)射波長向綠光方向增加，GaN基LED的的發(fā)光效率逐漸減小，主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)高h(yuǎn)組分的InGaN薄膜極其困難。當(dāng)前藍(lán)光加YAG:Ce黃光熒光粉的封裝方案占據(jù)白光LED市場的主要份額。對(duì)于單藍(lán)光芯片加YAG:Ce熒光粉封裝的白光LED，在高色溫時(shí)具有高的顯色指數(shù)，可是在低色溫時(shí)，隨著藍(lán)光發(fā)射強(qiáng)度的減弱其顯色性逐漸減小，當(dāng)色溫低于5500K時(shí)，顯色一般低于70。而從顯色指數(shù)公式
- = ^^ (力廣8號(hào)試驗(yàn)色的光譜輻射亮度因數(shù)，分別對(duì)應(yīng)淡灰紅色、暗灰黃色、飽和 2^1 i
黃綠色、中等黃綠色、淡藍(lán)綠色、淡藍(lán)色、淡紫藍(lán)色、淡紅紫色等8種顏色)來看如果保持 YAG:Ce熒光的黃光發(fā)射光譜不變，適當(dāng)增加LED芯片的藍(lán)紫光和藍(lán)綠光部分的發(fā)射，同樣可以增加白光LED的顯色指數(shù)。針對(duì)當(dāng)前制備高顯色性白光LED所存在芯片設(shè)計(jì)的問題， 設(shè)計(jì)和制造GaN基雙藍(lán)光波長發(fā)光芯片及其高顯色性白光LED的封裝方法顯得尤其重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)新型的GaN基雙藍(lán)光波長器件及其制備方法，并將這種雙藍(lán)光波長芯片與黃光熒光粉封裝成白光LED來提高白光的顯色性。在雙藍(lán)光波長 LED中移去了 p-AWaN層而在hGaN/GaN混合多量子阱活性層和n_GaN之間引入n_AWaN 層。從而提高了空穴的注入效率，更好地抑制了電子溢流，大大提高了雙藍(lán)光波長LED的發(fā)光效率，并使得兩種量子阱輻射平衡。本發(fā)明的最佳效果是通過下述方案實(shí)現(xiàn)的
該GaN基雙藍(lán)光波長外延片的結(jié)構(gòu)從襯底開始，依次為GaN緩沖層、GaN本征層、n-GaN 層、反對(duì)稱n-AKiaN層、高h(yuǎn)組分多量子阱、低h組分多量子阱和p_GaN層。其特點(diǎn)在于移去傳統(tǒng)的P-AWaN電子阻擋層而在混合多量子阱活性層和n-GaN之間引入反對(duì)稱n_AWaN 層。P-AlGaN層的移去使得空穴的注入效率大大提高，而n-AWaN層的引入更有效得抑制了電子溢流，從而導(dǎo)致電子空穴濃度在有源區(qū)內(nèi)均勻分布，提高發(fā)光效率，有利于雙藍(lán)光波長 LED的光譜穩(wěn)定。上述反對(duì)稱n-AlGaN層的施主為Si，厚度為10 20 nm,而Al的組分為8 20%。上述n-GaN層的施主為Si，而ρ型GaN層摻有受主Mg。上述高h(yuǎn)組分多量子阱和低h組分多量子阱分別為2 3個(gè)周期的hfahN/ GaN和2 3周期的hyGai_yN/GaN，其中hx(iai_xN/GaN多量子阱的發(fā)光為藍(lán)綠光，發(fā)射峰值在 460^480多量子阱的發(fā)光為藍(lán)紫光，發(fā)射峰值在430 450 nm。該GaN基雙波長LED外延片的制備方法，是通過MOCVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，包括下列步驟
(1)采用AlGaInN系材料生長專用M0CVD，升溫至1000 1100°C烘烤襯底5 10分鐘。(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；(3)升溫至1050°C，生長厚度為2μπι的未摻雜GaN層；
(4)在1000°C 1100°C的溫度下生長厚度1.0 μπι 3.0 μπι的η-GaN層。(5)在1050°C的溫度下生長厚度為10 20 nm的反對(duì)稱n-AlGaN層；
(6)將溫度降至600°C 800°C，生長混合多量子阱的活性層，依次分別生長為2 3個(gè)周期的hfi^N/GaN和2 3周期的Iny(iai_yN/GaN，其中hfi^N/GaN多量子阱的發(fā)光為藍(lán)綠光，發(fā)射峰值在46(T480 nm,而hy(iai_yN/GaN多量子阱的發(fā)光為藍(lán)紫光，發(fā)射峰值在 430^450 nm。(7)在1000°C 1100°C的溫度下生長厚度100 200 nm厚的ρ-GaN層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
1、提高了空穴的注入效率和更好地抑制了電子溢出，有源區(qū)的電子空穴濃度均勻性和流明效率都得到大大提高。2、兩種不同量子阱所發(fā)出的光譜在不同電流下更加穩(wěn)定，而且隨著電流的增大基本能夠同步增大。


圖1 (a)和(b)分別為傳統(tǒng)的雙藍(lán)光波長LED和反對(duì)稱n_AWaN層的雙藍(lán)光波長 LED的外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為雙藍(lán)光芯片加YAG: Ce熒光粉封裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為反對(duì)稱n-AWaN層的雙藍(lán)光波長芯片加YAG: Ce熒光粉封裝的白光LED的發(fā)射光譜圖。
具體實(shí)施例方式給出以下描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，而且這些描述是在具體應(yīng)用及需求的背景下提供的。公開實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，且在不離開本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，這里限定的一般原理可以應(yīng)用到其它實(shí)施例和應(yīng)用中。因此，本發(fā)明不限于所示出的實(shí)施例，而是與權(quán)利要求的最大范圍一致?，F(xiàn)有GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)的襯底材料可采用藍(lán)寶石、SiC、Si、GaN等。低溫緩沖層可采用低溫GaN層或低溫AlN層等等。在采用GaN為襯底時(shí)可以不生長低溫緩沖層和未摻雜GaN層。多量子阱結(jié)構(gòu)有hGaN/GaN結(jié)構(gòu)、InGaN/AWaN結(jié)構(gòu)、Inx^vxNAnyGahyN結(jié)構(gòu)等等。外延片結(jié)構(gòu)中可以不生長n-AWaN層或p-AWaN層，或n_AWaN層和p-AWaN層均不生長。本專利中傳統(tǒng)的雙藍(lán)光波長LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 (a)。其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、GaN緩沖層、GaN本征層、n-GaN層、2 3個(gè)周期的高h(yuǎn)組分量子阱、2 3個(gè)周期的低h組分量子阱、P-AWaN電子阻擋層和p-GaN層。新型的GaN基雙波長外延片的結(jié)構(gòu)如圖1 (b)所示，其移去傳統(tǒng)的p-AKiaN電子阻擋層而在混合多量子阱活性層和n-GaN之間引入反對(duì)稱n-AKkiN層。其制備方法為(1)采用GaN專用M0CVD，升溫至1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；
(3)升溫至1050°C，生長厚度為2μ m的未摻雜GaN層；
(4)在1050°C的溫度下生長厚度為2ym的n-GaN:Si層；
(5)在1050°C的溫度下生長厚度為15nm的n-Al0.15Ga0.85N:Si層；
(6)將溫度降至700°C分別生長兩個(gè)周期的hc^fe^N/GaN量子阱和兩個(gè)周期的 h。.12G￡ic).88N/GaN量子阱，壘層和阱層厚度分別為10 nm和3 nm ；
(7)在600°C的溫度下生長厚度為200nm的空穴濃度為&1017αιΓ3的p-GaN:Mg層。(8)將外延片經(jīng)過光刻、腐蝕、ICP刻蝕、蒸鍍電極、合金、研磨、劃片、裂片、測試和分選等標(biāo)準(zhǔn)的芯片制備工藝制備出尺寸為300 μ m χ 300 μ m的芯片。(9)雙藍(lán)光波長芯片與封裝支架固晶、烘烤和焊線等工藝，而YAG:Ce熒光粉和環(huán)氧樹脂或硅膠混合、攪拌和除氣等工藝，然后將YAG:Ce熒光粉和環(huán)氧樹脂或硅膠混合物點(diǎn)膠到經(jīng)過固晶焊線后的支架上，并進(jìn)一步烘烤定型制備出雙藍(lán)光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉的白光LED。圖2表示雙藍(lán)光芯片與YAG:Ce熒光粉封裝的LED示意圖，圖3是相應(yīng)白光LED的發(fā)射光譜圖。其中440 nm峰是來自Ina A^^N/GaN多量子阱的發(fā)射，475 nm峰時(shí)來自Inai8Giia82NZGaN多量子阱的發(fā)射，而575 nm則是來自雙藍(lán)光激發(fā)YAG: Ce熒光粉的發(fā)射。
權(quán)利要求
1.一種GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其結(jié)構(gòu)從襯底開始，依次為GaN緩沖層、GaN本征層、n-GaN層、反對(duì)稱n-AWaN層、高h(yuǎn)組分多量子阱、低h組分多量子阱和p_GaN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其特征在于所述n-AWaN層的電子濃度為IXlOw 5 X IO18 cm—3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其特征在于所述的 n-AlGaN層施主為Si。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其特征在于所述n-AKiaN層的厚度為10 nm 20 nm,而Al的組分為8% 20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其特征在于p-GaN層摻有受主Mg。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其混合多量子阱的活性層從襯底至P-GaN方向，依次為2 3個(gè)周期的hxGai_xN/GaN量子阱和2 3個(gè)周期的hyfefyN/ GaN量子阱，其中^^fehN/GaN多量子阱的發(fā)光為藍(lán)綠光，發(fā)射峰值在460 480 nm，而 InyGai_yN/GaN多量子阱的發(fā)光為藍(lán)紫光，發(fā)射峰值在430 450 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片，其特征在于所述的半導(dǎo)體襯底的材料為藍(lán)寶石、硅、SiC或GaN中的一種。
8.—種如權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片的制備方法，其特征在于包括下列步驟采用AWaInN系材料生長MOCVD，在襯底依次生長GaN緩沖層、GaN本征層、 n-GaN層、反對(duì)稱n-AlGaN層、2 3個(gè)周期的Ir^feihN/GaN量子阱和2 3個(gè)周期的hyfeiryN/ GaN量子阱，以及ρ型GaN。
9.一種白光LED，其特征是由權(quán)利要求1所述的GaN基雙藍(lán)光波長LED芯片與黃光熒光粉結(jié)合封裝成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的白光LED，其特征在于，其發(fā)射峰值的范圍在55(T580nm，所述黃光熒光粉材料為YAG:Ce、硅酸鹽、鋁酸鹽或氮化物中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了GaN基雙藍(lán)光波長發(fā)光器件及其制備方法。其目的在于解決單藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉封裝出的白光LED的顯色性不足的問題。該GaN基雙藍(lán)光波長LED外延片的結(jié)構(gòu)從襯底開始，依次為GaN緩沖層、GaN本征層、n-GaN層、反對(duì)稱n-AlGaN層、高In組分量子阱、低In組分量子阱和p-GaN層，其特點(diǎn)是在混合多量子阱活性層和n-GaN之間引入反對(duì)稱n-AlGaN層，同時(shí)移去p-GaN側(cè)的p-AlGaN電子阻擋層。并將這種雙藍(lán)光波長芯片與黃光熒光粉封裝成白光LED。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102347408SQ20111032838
公開日2012年2月8日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者嚴(yán)啟榮, 李述體, 章勇, 范廣涵 申請人:華南師范大學(xué)