一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體及其製備方法
2024-04-05 13:36:05
專利名稱：一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料領域，具體涉及一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體及其製備方法。
背景技術：
以GaN為代表的III族氮化物半導體材料具有優良的光電特性和穩定的物化特性。目前以GaN材料製作發光二極體已經被廣泛應用於白光半導體照明。GaN基發光二極體用於白光照明具有效率高，壽命長的優勢，目前實現GaN基LED白光照明主要有三種方式1.採用GaN基藍光發光二極體激發黃色螢光粉發出白光；2.採用GaN基紅，藍，綠三基色發光二極體混合發出白光；3.採用GaN基紫外發光二極體激發混合螢光粉產發出白光。這三種方式都不是單晶片實現白光照明。現在應用最廣泛的方法是第1種。它的缺點包括1)LED的顯色性不好，顯色指數只有60 70，很難滿足室內照明的需求；幻採用螢光粉實現下轉換會造成效率的損失；幻螢光粉的不穩定也是影響LED可靠性和壽命的重要因素之一。
發明內容
為克服現有GaN基發光二極體顯色性差、發光效率低等缺陷，本發明的目的是提供一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體上述發光二極體包括襯底材料，以及在襯底材料上依次外延生長的緩衝層、η型 GaN體材料、有源區、ρ型AlGaN阻擋層及ρ型GaN接觸層；其中，所述有源區由藍光量子阱、 綠光量子阱或量子點層、以及紅光量子點層組成。所述有源區按照光源顏色不同分為三個區，三個區依次生長在η型GaN體材料上形成有源區，其中，三個光源區的生長順序不受限制。上述有源區單色光量子阱的個數為1 10個，單色光量子點層數為1 10層。所述量子點層為InGaN量子點以及其上外延的GaN蓋層組成的複合層，所述量子點的橫向、縱向尺寸為1 40nm，優選10 30nm，所述GaN蓋層的厚度為10 lOOnm。量子阱為hGaN/GaN量子阱，InGaN阱厚度為1 20nm，GaN壘的厚度為1 lOOnm，優選 5 50nm。所述藍光量子阱的h組分按質量為10 30%，發光波長為410 480nm ；所述綠光量子阱或量子點層的h組分按質量為20 50%，發光波長為480 570nm ；所述紅光量子點層的h組分按質量為30 60%，發光波長為620 760nm。所述襯底材料為藍寶石、Si或SiC襯底；所述襯底材料的尺寸為2 12英寸，晶面為(001)，(111)或(110)晶面。所述緩衝層為A1N、GaN或AWaN緩衝層，厚度為10 lOOnm。
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所述η型GaN體材料厚度為IOnm 100 μ m，優選200nm 10 μ m，電子濃度為 IO17 1019cm_3。所述ρ型AlGaN阻擋層按照質量Al的組分為5 50%，優選10 30%，厚度為 10 lOOnm，空穴濃度為IO15 1019cnT3。所述ρ型GaN接觸層厚度為IOnm 2 μ m，優選IOOnm 1 μ m，空穴濃度為IO17
1019Cm_3。本發明還相應地提供了上述技術方案所述無螢光粉單晶片GaN基發光二極體的製備方法，包括以下步驟(1)在襯底材料上依次外延生長緩衝層和η型GaN體材料；(2)在η型GaN體材料上不限順序地外延生長藍光量子阱、綠光量子阱或量子點層、以及紅光量子點層形成有源區；(3)在有源區上依次外延生長ρ型AWaN阻擋層及ρ型GaN接觸層。步驟(2)所述的不限順序為藍、綠、紅三種顏色的有源區在外延生長時的順序不受限制，並且不會對二極體的發光及顯色性能產生影響。所述順序可以是η型GaN體材料 —藍一綠一紅一阻擋層，或藍一紅一綠，或綠一紅一藍等任意順序組合。所述外延生長方法有分子束外延法(MBE)、氫化物氣相外延法(HVPE)或金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)。所述金屬有機源為三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)，氮源為氨氣(NH3),金屬有機源的載氣為氫氣(H2)或氮氣(N2)。所述襯底材料使用前用氫氣進行高溫清洗，溫度為1000 1500°C，反應室壓強為 100 500mbar。所述η型GaN體材料的生長溫度為500 1500°C，優選1000 1500°C ；所述有源區、ρ型AlGaN阻擋層和ρ型GaN接觸層的生長溫度為200 1500°C，優選500 1000°C ； 所述量子點上GaN蓋層的生長溫度為200-800°C。所述反應室壓強為1 lOOOmbar，優選100_500mbar。本發明所述GaN基發光二極體的製備方法不限於本發明所述的製備方法，可以採用本領域發光二極體的常見製備技術，或結合現有量子點製備技術均能製得本發明所述的
二極體。所述的緩衝層、GaN體材料、量子阱、InGaN量子點及GaN蓋層等的生長方法可採用本領域的常見技術或常見技術的組合，本領域技術人員可根據方法的不同適當調整溫度、 壓力等參數，均能實現上述技術方案。本發明所述技術方案採用紅、綠、藍三種單色光源組合在單一晶片中實現白光發射。其中藍光由InGaN藍光量子阱發出，綠光由InGaN綠光量子阱或量子點發出，紅光由 InGaN量子點發出。相對於低h組分的藍光InGaN量子阱，高h組分InGaN量子阱的晶格失配更大，應力也更大。由應力釋放導致的位錯以及由應力導致的壓電極化效應都會使得發光二極體的效率降低，而量子點相對於量子阱而言可以緩解晶格失配帶來的影響，降低應力，提高發光效率，利用高^組分量子點發出長波長可見光比量子阱更有優勢，因此，紅光發光採用量子點，而綠光波長小於紅光波長，^組分含量相對較低，量子點與量子阱發光效果相當。
本發明所述技術方案基於紅、綠、藍三基色的單晶片GaN基白光發光二極體光電轉換效率高，通入電流測試晶片的發光功率，同等測試條件下與傳統白光LED相比，光電轉換效率可以提高20% -40% ；同時對發光光譜進行分析，本發明所述晶片的顯色性好，顯色係數可以高達80-85。另外，本發明所述二極體晶片無需螢光粉，色溫穩定，製備簡便，能適用於各種結構如正裝，倒裝以及垂直結構的發光二極體晶片，降低了製作成本，提高了使用壽命，在通用照明和某些特殊照明領域具有廣闊的應用前景。
圖1是採用藍光量子阱、綠光量子阱和紅光量子點作為有源區的GaN基白光發光二極體的結構示意圖；圖2是採用藍光量子阱、綠光量子點和紅光量子點作為有源區的GaN基白光發光二極體的結構示意圖；圖中1、襯底材料；2、GaN緩衝層；3、η型GaN體材料；4、有源區；5、AlGaN阻擋層；6、ρ型GaN接觸層；41、藍光量子阱；42、綠光量子阱；42』、綠光量子點；43、紅光量子點； 41Α、InGaN 阱；41Β、GaN 壘；42Α、InGaN 阱；42Β、GaN 壘。
具體實施例方式以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。實施例1採用MOCVD在藍寶石襯底上外延有源區採用藍光量子阱、綠光量子阱和紅光量子點的白光發光二極體，如圖1，其具體外延生長步驟為1、將為外延準備的藍寶石襯底放入MOCVD反應室中，先對藍寶石襯底採用氫氣高溫除氣，溫度為1060°C，壓強為200mbar。2、按照傳統的兩步生長法("GaN Growth Using GaN BufferLayer」 JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART2-LETTERS 卷 30 :1705-1707)，在藍寶石表面外延生長 30nm的GaN緩衝層。3、在1050°C，400mbar的條件下在GaN緩衝層上生長η型GaN，摻雜劑為SiH4，生長厚度約為4 μ m，電子濃度為5 X 1018cm_3。4、在η型GaN體材料上外延生長5個藍光量子阱，量子阱結構為阱為3nm的 InGaNdn組分20% )，壘為IOnm的GaN。生長溫度為800°C，壓強為400mbar。5、在藍光量子阱之後外延5個綠光量子阱，量子阱結構為阱為3nm的InGaNan 組分)，壘為IOnm的GaN。生長溫度為800°C，壓強為400mbar。6、在綠光量子阱後外延紅光量子點，其中量子點的h組分為47%，橫向尺寸為 20nm，縱向尺寸為10匪，其上為IOnm的GaN的蓋層，量子點加蓋層的結構重複5層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。7、有源區上外延30nm的P-Ala2Giia8Wi擋層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為 IXlO1W30生長溫度為900°C，壓強為IOOmbar。8、最後外延200nm的ρ-GaN接觸層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為5X 1017cnT3。 生長溫度為900°C，壓強為200mbar。
9、反應室溫度降至室溫，生長結束。所得二極體晶片光電轉換效率可以提高35%，顯色指數為85。實施例2採用MOCVD在藍寶石襯底上外延有源區採用藍光量子阱，綠光量子點和紅光量子點的白光發光二極體，如圖2，其具體外延生長步驟為1、將為外延準備的藍寶石襯底放入MOCVD反應室中。先對藍寶石襯底採用氫氣進行高溫除氣，溫度為1050°C，壓強為500mbar。2、按照實施例1所述兩步生長法，在藍寶石表面外延生長20nm的GaN緩衝層。3、在1050°C，400mbar的條件下在GaN緩衝層上生長η型feiN，摻雜劑為SiH4,生長厚度約為4 μ m，電子濃度為5 X 1018cm_3。4、在η型GaN體材料上外延生長5個非故意摻雜藍光量子阱，量子阱結構為阱為 3nm的InGaNan組分20% )，壘為IOnm的GaN。生長溫度為800°C，壓強為400mbar。5、在藍光量子阱之後外延非故意摻雜綠光量子點，其中量子點的h組分為34%， 橫向尺寸為20nm，縱向尺寸為lOnm，其上為IOnm的GaN的蓋層。量子點加蓋層的結構重複 5層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。6、在綠光量子點後外延非故意摻雜紅光量子點，其中量子點的h組分為47%，橫向尺寸為20nm，縱向尺寸為lOnm，其上為IOnm的GaN的蓋層。量子點加蓋層的結構重複5 層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。7、有源區上外延30nm的P-Ala2Giia8Wi擋層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為 IXlO1W30生長溫度為900°C，壓強為IOOmbar。8、最後外延200nm的ρ-GaN接觸層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為5X 1017cm_3。 生長溫度為900°C，壓強為200mbar。9、反應室溫度降至室溫，生長結束。所得二極體晶片光電轉換效率可以提高40%，顯色指數為85。實施例3採用MOCVD在SiC襯底上外延有源區採用藍光量子阱、綠光量子阱和紅光量子點的白光發光二極體，如圖1，其具體外延生長步驟為1、將為外延準備的SiC襯底放MOCVD反應室中，先對SiC襯底採用氫氣高溫除氣， 溫度為1150°C，壓強為200mbar。2、按照傳統的兩步生長法，在SiC襯底表面外延生長50nm的AlN緩衝層。3、在1050°C，400mbar的條件下在AlN緩衝層上生長η型GaN，摻雜劑為SiH4，生長厚度約為150nm，電子濃度為5X 1017Cm_3。4、在η型GaN體材料上外延生長7個藍光量子阱，量子阱結構為阱為5nm的 InGaNdn組分27% )，壘為20nm的GaN。生長溫度為600°C，壓強為200mbar。5、在藍光量子阱之後外延7個綠光量子阱，量子阱結構為講為5nm的InGaNan 組分40% )，壘為20nm的GaN。生長溫度為700°C，壓強為400mbar。6、在綠光量子阱後外延紅光量子點，其中量子點的h組分為55%，橫向尺寸為 30nm,縱向尺寸為20匪，其上為20nm的GaN的蓋層，量子點加蓋層的結構重複7層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。
7、有源區上外延50nm的P-Ala2Giia8Wi擋層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為 IXlO1W30生長溫度為900°C，壓強為IOOmbar。8、最後外延1 μ m的p-GaN接觸層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為2X 1019cm_3。 生長溫度為800°C，壓強為200mbar。9、反應室溫度降至室溫，生長結束。所得二極體晶片光電轉換效率可以提高32%，顯色指數為82。實施例4採用MOCVD在Si襯底上外延有源區採用藍光量子阱，綠光量子點和紅光量子點的白光發光二極體，如圖2，其具體外延生長步驟為1、將為外延準備的Si襯底放入MOCVD反應室中，先對Si襯底採用氫氣進行高溫除氣，溫度為1000°c，壓強為500mbar。2、按照實施例1所述兩步生長法，在Si襯底表面外延生長IOOnm的GaN緩衝層。3、在1000°C，400mbar的條件下在GaN緩衝層上生長η型GaN，摻雜劑為SiH4，生長厚度約為8 μ m,電子濃度為1 X 1019cm_3。4、在η型GaN體材料上外延生長3個非故意摻雜藍光量子阱，量子阱結構為阱為 15nm的InGaN(In組分15% )，壘為20nm的GaN。生長溫度為1000°C，壓強為500mbar。5、在藍光量子阱之後外延非故意摻雜綠光量子點，其中量子點的h組分為40%， 橫向尺寸為lOnm，縱向尺寸為30nm，其上為40nm的GaN的蓋層，量子點加蓋層的結構重複 3層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。6、在綠光量子點後外延非故意摻雜紅光量子點，其中量子點的h組分為60%，橫向尺寸為30nm，縱向尺寸為20nm，其上為30nm的GaN的蓋層。量子點加蓋層的結構重複3 層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。7、有源區上外延SOnm的P-Ala2Giia8N阻擋層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為 SXlO1W30生長溫度為900°C，壓強為300mbar。8、最後外延500nm的ρ-GaN接觸層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為2X 1019cnT3。 生長溫度為700°C，壓強為300mbar。9、反應室溫度降至室溫，生長結束。所得二極體晶片光電轉換效率可以提高41 %，顯色指數為83。實施例5採用HVPE和MOCVD在藍寶石襯底上外延有源區採用藍光量子阱，綠光量子點和紅光量子點的白光發光二極體，如圖2，其具體外延生長步驟為1、將為外延準備的藍寶石襯底放入HVPE反應室中。先對藍寶石襯底採用氫氣高溫除氣，溫度為1060°C。2、按照實施例1所述兩步生長法，在藍寶石表面外延生長20nm的GaN緩衝層。3、在1050°C的條件下在GaN緩衝層上生長4 μ m厚層GaN體材料。4、將表面有GaN的藍寶石襯底取出放入MOCVD反應室中。5、在1050°C，400mbar的條件下在GaN上生長η型GaN，摻雜劑為SiH4，生長厚度約為4 μ m，電子濃度為5 X 1018cm_3。6、在η型GaN體材料上外延生長5個非故意摻雜藍光量子阱，量子阱結構為阱為3nm的InGaNan組分20% )，壘為IOnm的GaN。生長溫度為800°C，壓強為400mbar。7、在藍光量子阱之後外延非故意摻雜綠光量子點，其中量子點的h組分為34%， 橫向尺寸為20nm，縱向尺寸為lOnm，其上為IOnm的(iaN的蓋層，量子點加蓋層的結構重複 5層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。8、在綠光量子點後外延非故意摻雜紅光量子點，其中量子點的h組分為47%，橫向尺寸為20nm，縱向尺寸為lOnm，其上為IOnm的GaN的蓋層，量子點加蓋層的結構重複5 層。生長溫度為500°C，壓強為400mbar。9、有源區上外延30nm的P-Ala2Giia8Wi擋層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為 IXlO1W30生長溫度為900°C，壓強為IOOmbar。10、最後外延150nm的p_GaN接觸層。摻雜劑為DCpMg，空穴濃度約為5X 1017Cm_3。 生長溫度為900°C，壓強為200mbar。11、反應室溫度降至室溫，生長結束。所得二極體晶片光電轉換效率可以提高27%，顯色指數為80。雖然上文中已經用一般性說明具體實施方式
及實驗，對本發明作了詳盡的描述， 但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。 因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬於本發明要求保護的範圍。
權利要求
1.一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體，其特徵在於，包括襯底材料，以及在襯底材料上依次外延生長的緩衝層、η型GaN體材料、有源區、ρ型AlGaN阻擋層及ρ型GaN接觸層；其中，所述有源區由藍光量子阱、綠光量子阱或量子點層、以及紅光量子點層組成。
2.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述有源區單色光量子阱的個數為1 10個，單色光量子點層數為1 10層。
3.根據權利要求2所述的發光二極體，其特徵在於，所述量子點層為InGaN量子點以及其上外延的GaN蓋層組成的複合層，所述量子點的橫向、縱向尺寸為1 40nm，優選10 30nm，所述GaN蓋層的厚度為10 lOOnm。
4.根據權利要求2所述的發光二極體，其特徵在於，所述量子阱為^GaN/GaN量子阱， InGaN阱厚度為1 20nm，GaN壘的厚度為1 lOOnm，優選5 50nm。
5.根據權利要求1-4之一所述的發光二極體，其特徵在於，所述藍光量子阱的h組分按質量為10 30%，發光波長為410 480nm ；所述綠光量子阱或量子點層的h組分按質量為20 50%，發光波長為480 570nm ；所述紅光量子點層的h組分按質量為30 60%，發光波長為620 760nm。
6.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述襯底材料為藍寶石、Si或SiC 襯底。
7.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述緩衝層為AlN、GaN或AlGaN緩衝層，厚度為10 IOOnm0
8.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述η型GaN體材料厚度為IOnm 100 μ m,優選200nm 10 μ m，電子濃度為IO17 IO1W30
9.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述ρ型AWaN阻擋層按照質量 Al的組分為5 50%，優選10 30%，厚度為10 lOOnm，空穴濃度為IO15 1019cm_3。
10.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述ρ型GaN接觸層厚度為 IOnm 2 μ m，優選IOOnm 1 μ m，空穴濃度為IO17 IO19CnT3。
11.權利要求1-10所述無螢光粉單晶片GaN基發光二極體的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)在襯底材料上依次外延生長緩衝層和η型GaN體材料；(2)在η型GaN體材料上不限順序地外延生長藍光量子阱、綠光量子阱或量子點層、以及紅光量子點層形成有源區；(3)在有源區上依次外延生長ρ型AWaN阻擋層及ρ型GaN接觸層。
12.根據權利要求11所述的製備方法，其特徵在於，所述外延生長方法為金屬有機物化學氣相沉積法、分子束外延法或氫化物氣相外延法，金屬有機源為三甲基鎵、三甲基銦或三甲基鋁，氮源為氨氣，所述金屬有機源的載氣為氫氣或氮氣。
13.根據權利要求11或12所述的製備方法，其特徵在於，所述襯底材料使用前用氫氣進行高溫清洗，溫度為1000 1500°C，反應室壓強為100 500mbar。
14.根據權利要求11或12所述的製備方法，其特徵在於，所述η型GaN體材料的生長溫度為500 1500°C，優選1000 1500°C ；所述有源區、ρ型AlGaN阻擋層和ρ型GaN接觸層的生長溫度為200 1500°C，優選500 1000°C ；所述量子點上GaN蓋層的生長溫度為 200-800 °C ；所述反應室壓強為1 lOOOmbar，優選100 500mbar。
全文摘要
本發明涉及一種無螢光粉單晶片GaN基發光二極體，包括襯底材料，以及在襯底材料上依次外延生長的緩衝層、n型GaN體材料、有源區、p型AlGaN阻擋層及p型GaN接觸層；其中，所述有源區由藍光量子阱、綠光量子阱或量子點層、以及紅光量子點層組成。本發明還涉及了上述無螢光粉單晶片GaN基發光二極體的製備方法。本發明所述發光二極體具有效率高、顯色性好、色溫穩定、成本低的優點，在通用照明和某些特殊照明領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01L33/32GK102231422SQ20111016276
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者汪萊, 王嘉星, 羅毅, 郝智彪 申請人:清華大學