[發明專利]一種GaN基單芯片白光發光二極管及其制備方法

無效

• 申請號: 201010599340.2
• 申請日: 2010-12-21
• 公開（公告）號: CN102097554A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 付賢松;牛萍娟;李曉云;田海濤;張建新;于莉媛;楊廣華;高鐵成
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/32;H01L33/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

所屬技術領域

本發明涉及半導體照明領域和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術領域，尤其涉及GaN基單芯片白光發光二極管(LED)器件及其制備方法。

背景技術

隨著GaN基材料外延技術的不斷進步，高亮度的綠光、藍光以及更短波長的發光二極管(LED)的性能取得了長足的進步，商品化的可見光波段LED已經覆蓋了從紅光到紫外波段的范圍。目前實現白光發光二極管的解決方案主要有三種。一是在1997年由Nakamura等人實現的利用GaN基藍色LED管芯加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉，使發射的藍光一部分激發熒光粉發出黃光，與藍光混合的方法產生白光。二是采用紅、綠、藍三基色LED芯片組或三基色LED管組合在一起，混合后發出白光。這種辦法得到的白光具有色域寬，色調、色溫調整靈活等優點，但由于紅綠藍三種LED的光衰特性不一致，隨著使用時間的增加，三色的混合比例會變化，顯色指數會相應變化，而且此方案的驅動電路比較復雜成本高。三是在2001年由Kafmann等人采用紫外LED激發三基色熒光粉或其它熒光粉，產生多色光混合成白光。這種方法得到的白光具有色溫適合，色坐標接近標準值以及顯色指數較高等優點，但其最大的難點在于獲得高轉換效率的三色熒光粉，特別是高效紅色熒光粉，而且還有紫外光泄漏和熒光粉測試穩定性等問題。

以上傳統的GaN基白光LED在效率、壽命和色度等方面都各有所欠缺，令其在大規模商業化方面受到限制。尋找一種效率高、壽命長、安全和性能穩定的照明電器，成為科研領域的又一新的課題。目前，國內外的許多研究機構都研制無需熒光粉的單芯片白光LED以提高器件的效率、延長壽命和使色度更均勻。如中國專利申請公開說明書CN1700484A報道的方法就可制備得到無熒光粉的白光LED，但這種方法的一個缺點就是工藝比較復雜，需要單獨制備發光層；如中國專利申請公開說明書CN101556983A報道的方法只需單一芯片即可發出白光，但需要非摻GaN光致熒光層，這樣就會增加成本并降低可靠性；如中國專利申請公開說明書CN101582418A報道的方法可制備電注入調控三基色單芯片白光LED，但這種方法用的外延材料的層數太多，還需要用到5個電極，外延和芯片加工藝都比較復雜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種無需熒光粉，外延工藝和器件結構都很簡單，成本較低，光電轉化效率較高的單芯片白光LED。本發明所采用的技術方案是：

一種GaN基單芯片白光發光二極管，包括一GaN成核層、一n型GaN層緩沖層、一InGaN插入層、一有源層、一GaN隔離層、一p型歐姆接觸層，依次層疊于C面藍寶石襯底上。

作為優選實施方式，所述的有源層為InGaN/GaN多量子阱層，其周期數為3～10，在量子阱的每個周期中，InGaN的厚度為2～5nm之間，GaN的厚度可為15～25nm之間；所述的GaN成核層和n型GaN層緩沖層，分別為襯底溫度維持在450～550℃，生長20～50nm厚的GaN成核層以及襯底溫度升高到1000～1200℃生長2～4μm厚的n型GaN緩沖層；所述的GaN隔離層為8～20nm厚的GaN層；所述的p型歐姆接觸層為摻Mg的GaN層，厚度在150～300nm。

本發明同時給出一種上述GaN基單芯片白光發光二極管的制備方法，包括下列步驟：

(1)在530℃溫度下，以三甲基鎵和氨氣為源，在C面藍寶石襯底上C生長20～50nm厚的GaN成核層；

(2)將溫度升高到1040℃，以硅烷(SiH₄)作為摻雜劑，生長摻Si?GaN緩沖層，厚度為2～4μm；

(3)在840℃下，生長厚度為200～240nm的InGaN插入層；

(4)生長3～10個周期的InGaN/GaN多量子阱，InGaN的生長溫度控制在720℃，生長厚度為2～5nm，GaN的生長溫度則控制在820℃，生長厚度為15～25nm之間。

(5)保持溫度在820℃以上，生長GaN隔離層，其厚度為8～20nm；

(6)在900℃生長摻Mg的GaN層，厚度在150～300nm。