专利名称：可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种新型结 构的可复合发光的GaN基LED外延片及其制备方法。
背景技术：
GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和 产业的前沿和热点。
GaN基LED的制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和 LED封装三个主要环节。其中LED外延片制备是LED的核心技术， 它对LED的性能水平起主要作用。
现有的GaN基LED外延片的结构如附图7所示， 一般包括衬底、 n型层、量子阱、p型层。GaN基LED的发光机制是在电流作用下， n型层的电子和p型层的空穴注入到量子阱，在量子阱中电子和空穴 复合发光，其发光本质为一个pn结发光。该量子阱可采用单量子阱 或多量子阱结构，通过调整InGaN/GaN或InGaN/InGaN量子阱中In 的组分，可实现紫、蓝、绿、黄甚至红颜色发光。
由于发光二极管可实现紫、蓝、绿、黄甚至红颜色发光，并且具 有体积小、重量轻、能耗低、无污染等特点，广泛应用于大屏幕显示、 交通信号灯、液晶背光源等领域。
但随着发光二极管亮度不断提高、成本不断下降，其应用范围越 来越广泛，并逐渐进入更多的应用领域，例如照明领域，这对于发光二极管的发光颜色也提出了更多更高的要求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可同时发射不同波长光的GaN基 LED外延片。
本发明的另 一个目的是提供所述可同时发射不同波长光的GaN 基LED外延片的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来予以实现
提供一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，所述外 延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、 n型层、量
子阱n和p型层n。
所述外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I、 n型层、
和p型层n制作三个电极，在外加电压下，电子和空穴可通过p型层
I、 n型层、和p型层II分别注入到两个量子阱，在两量子阱中复合
发光。如果两量子阱的阱层禁带宽度不同，两量子阱就可发射不同波
长的光。其发光本质为可实现两个pn结发光。因此，该外延片制作 成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子阱II发出的不同波长的混 合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II产生的单色光，大大拓展 LED的应用范围。例如通过设计和调整量子阱禁带宽度，量子阱 I发出蓝光、量子阱II发出黄橙光，混合后可得到白光LED，或者 根据需要只发出蓝光或黄橙光。
所述量子阱i 、量子阱n可以掺入Si或不掺杂；量子阱I 、量 子阱n可以为单量子阱或多量子阱；周期数可以分别为1 10。作为优选，所述量子阱I可以为InGaN/GaN、 InGaN/InGaN或 InGaN/AlInGaN量子阱；所述量子阱II可以为InGaN/GaN 、 InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
所述n型层可以是n型GaN，或者n型InGaN，或者n型GaN 和AlGaN，或者n型GaN和InGaN，且n型InGaN的禁带宽度大于 量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度；所述n型层厚度为0.5 u m 2.0 P m。
所述p型层I可以为p型GaN或者p型GaN和AlGaN。 所述p型层II可以为p型GaN，或者p型InGaN，或者p型GaN 和InGaN，或者p型AlGaN和GaN，或者p型AlGaN和GaN和InGaN， 且p型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度。
本发明同时提供了采用MOCVD设备制备所述可同时发射不同 波长光的GaN基LED外延片的方法，包括以下步骤
(1) 在100(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2) 在48(TC 1100。C的温度下，在衬底上生长p型层I;
(3) 将温度降至700。C 90(TC，生长量子阱I;
(4) 将温度升至80(TC 100(TC，生长n型层；
(5) 将温度降至60(rC 80(TC，生长量子阱II;
(6) 在温度700。C 1000。C，生长p型层II。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
(1)现有的GaN基LED外延片的结构一般包括衬底、n型层、量子阱、p型层，通常只发出一种颜色的光。本发明创造了一种具有
分隔双量子阱的GaN基LED外延片结构，通过在p型层I 、 n型层、 和p型层II制作三个电极，可使两量子阱在外加电压下分别发射不同 波长的光。该外延片制作成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子 阱II发出的不同波长的混合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II 产生的一种颜色的单色光，大大拓展LED的应用范围。
(2)本发明提供的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精 确，可实现工业化生产。
图1实施例1 GaN基LED外延片结构示意图
图2实施例2 GaN基LED外延片结构示意图
图3实施例3 GaN基LED外延片结构示意图
图4实施例4 GaN基LED外延片结构示意图
图5实施例5 GaN基LED外延片结构示意图
图6实施例6 GaN基LED外延片结构示意图
图7现有技术GaN基LED外延片结构示意图
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明。
现有GaN基LED外延片结构示意图见附图7。其中，衬底材料 可采用蓝宝石、SiC、 Si、 GaN等。低温缓冲层可采用低温GaN层、 低温AIN层等。在采用GaN为衬底时可以不生长低温缓冲层和未掺 杂GaN层。量子阱可采用单量子阱，也可采用多量子阱，量子阱结构有InGaN/GaN结构、I&Ga^N/InyGaLyN结构等。外延片结构中可 以不生长n型AlGaN层或p型AlGaN层，或n型AlGaN层和p型 AlGaN层均不生长，其发光本质为一个pn结发光，可实现紫、蓝、 绿、黄或红颜色单色发光。
本发明所述外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I 、 n 型层、和p型层II制作三个电极，在外加电压下，电子和空穴可通过
p型层I、 n型层、和p型层n分别注入到两个量子阱，在两量子阱
中复合发光。如果两量子阱的阱层禁带宽度不同，两量子阱就可发射 不同波长的光。其发光本质为可实现两个pn结发光，也可以实现一 个pn结发光。下面的实施例帮助说明本发明，但不因此将本发明思 想局限于实施例中。 实施例1
新型的GaN基LED外延片的结构如附图l所示，从下至上依次 为衬底、低温缓冲层、未惨杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量 子阱I、 n型GaN层、InGaN/GaN量子阱II 、 p型GaN。
其制备方法为
(1) 采用MOCVD设备，升温至100(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；
(2) 降温至48(TC，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度 缓冲层；
升温至105(TC，生长厚度为2.0um的未掺杂GaN层； 在1000。C的温度下生长厚度为l.Oym的p型GaN:Mg层；(3) 在80(TC生长InGaN/GaN量子阱I ，使其发光颜色为蓝色， 量子阱个数为l;
(4) 将温度升至1000。C生长n型GaN:Si层，厚度为1.0um;
(5) 降温至700。C生长InGaN/GaN量子阱n，使其发光为绿色， 量子阱个数为1;
(6) 升温到90(TC生长p型GaN:Mg层。 这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子
阱I为蓝光量子阱，InGaN/GaN量子阱II为绿光量子阱。通过在p 型层I 、 n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED外延片发出 蓝光或绿光，或者蓝光和绿光的混合光。 实施例2
新型的GaN基LED外延片的结构如附图2所示，从下至上依次 为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、p型AlGaN层、 InGaN/InGaN量子阱I 、 n型GaN层、n型AlGaN层、InGaN/InGaN 量子阱II、 p型InGaN。
其制备方法为
(1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；
(2) 降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度 缓冲层；
升温至105(TC，生长厚度为2.0um的未掺杂GaN层； 在1000。C的温度下生长厚度为l.Otxm的p型GaN:Mg层；在110(TC的温度下生长厚度为20nrn的p型AlGaN:Mg层；
(3) 在70(TC生长InGaN/InGaN量子阱I ，使其发光颜色为蓝 色，量子阱个数为5;
(4) 将温度升至90(TC生长n型GaN:Si层，厚度为0.5"m; 温度900。C生长n型AlGaN:Si层，厚度为20nm;
(5) 降温至60(TC生长InGaN/InGaN量子阱I1，使其发光为黄 橙色，量子阱个数为5;
(6) 升温到70(TC生长p型InGaN:Mg层。 这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/InGaN量
子阱I为蓝光量子阱，InGaN/InGaN量子阱II为黄橙光量子阱，且在 量子阱I生长前生长了 p型AlGaN层，可增大量子阱I对自由电子 和空穴的束缚作用，提高发光效率。通过在p型层I、 n型层、和p 型层II制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或黄橙光，或 者同时发出蓝光和黄橙光，得到白光发射。 实施例3
新型的GaN基LED外延片的结构如附图3所示，从下至上依次 为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、p型AlGaN层、 InGaN/GaN量子阱I 、 n型GaN层、n型AlGaN层、InGaN/GaN量 子阱II、 p型GaN、 p型InGaN。
其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；(2) 降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度 缓冲层；
升温至105(TC，生长厚度为2.0nm的未掺杂GaN层； 在1000。C的温度下生长厚度为l.Oum的p型GaN:Mg层； 在1000°C的温度下生长厚度为20nrn的p型AlGaN:Mg层；
(3) 在90(TC生长InGaN/GaN量子阱I ，使其发光颜色为紫色， 量子阱个数为10;
(4) 将温度升至100(TC生长n型GaN:Si层，厚度为2.0um; 温度lOO(TC生长n型AlGaN:Si层，厚度为30nm;
(5) 降温至80(TC生长InGaN/GaN量子阱I1，使其发光为蓝， 量子阱个数为5;
(6) 升温到900。C生长p型GaN:Mg层； 降温至800 °C生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子 阱I为紫光量子阱，InGaN/GaN量子阱II为蓝光量子阱，且在量子阱 II生长后生长了 p型GaN，并降低温度生长了 p型InGaN。在量子阱 II生长后采用较低的温度下生长p型层，可降低高温对量子阱的破 坏，提高LED性能。通过在p型层I、 n型层、和p型层II制作三 个电极，可使LED外延片分别发出紫光或蓝光，或者同时发出蓝光 和紫光。 实施例4
该新型的GaN基LED外延片的结构如附图4所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/AlInGaN 量子阱I 、 n型GaN层、n型InGaN层、InGaN/AlInGaN量子阱II 、 p型GaN、 p型InGaN。 其制备方法为
(1 )采用MOCVD设备，升温至100(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；
(2) 降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度 缓冲层；
升温至1050"C，生长厚度为2.0um的未掺杂GaN层； 在IOO(TC的温度下生长厚度为l.Oum的p型GaN:Mg层；
(3) 在70(TC生长InGaN/AlInGaN量子阱I ，使其发光颜色为 蓝色，量子阱个数为5;
(4) 将温度升至800。C生长n型GaN:Si层，厚度为1.5"m; 将温度降至75(TC生长n型InGaN:Si层，厚度为10nm;
(5) 降温至60(TC生长InGaN/AlInGaN量子阱n，使其发光为 橙红色，量子阱个数为3;
(6) 升温到900。C生长p型GaN:Mg层； 降温至75(TC生长p型InGaN:Mg层。
这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/AlInGaN 量子阱I为蓝光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱n为橙红光量子阱。 量子阱采用InGaN/AlInGaN量子阱，可获得较高质量的量子阱。且 在量子阱II生长后生长了 p型GaN，并降低温度生长了 p型InGaN。在量子阱II生长后采用较低的温度下生长p型层，可降低高温对量子
阱的破坏，提高LED性能。通过在p型层I 、 n型层、和p型层II 制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或橙红光，或者同时 发出蓝光和橙红光，得到混合白光。 实施例5
新型的GaN基LED外延片的结构如附图5所示，从下至上依次 为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量 子阱I 、 n型InGaN层、InGaN/AlInGaN量子阱II 、 p型AlGaN、 p 型GaN、 p型InGaN。
其制备方法为
(1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；
(2) 降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度 缓冲层；
升温至1050"C，生长厚度为l.Oum的未掺杂GaN层； 在IOO(TC的温度下生长厚度为1.5ym的p型GaN:Mg层；
(3) 在700。C生长InGaN/GaN量子阱I ，使其发光颜色为蓝色， 量子阱个数为6;
(4) 将温度升至800。C生长n型InGaN:Si层，厚度为0.5"m;
(5) 降温至600。C生长InGaN/AlInGaN量子阱I1，使其发光为 橙红色，量子阱个数为5;
(6) 升温到90(TC生长p型AlGaN:Mg层；升温到900 °C生长p型GaN:Mg层；
降温至70(TC生长p型InGaN:Mg层。 这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子 阱I为蓝光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱II为橙红光量子阱，且在 量子阱I生长后，在温度为80(TC生长n型InGaN层，降低了 n型层 的生长纟显度。同时降低温度生长了p型InGaN，可降低高温对量子阱 的破坏，提高LED性能。另外，量子阱II采用InGaN/AlInGaN量子 阱，可获得较高质量的量子阱。通过在p型层I、 n型层、和p型层 II制作三个电极，可使LED外延片分别发出蓝光或橙红光，或者同 时发出蓝光和橙红光，得到混合白光。 实施例6
新型的GaN基LED外延片的结构如附图6所示，从下至上依次 为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、p型GaN层、InGaN/GaN量 子阱I 、 n型GaN层、InGaN/GaN量子阱II 、 p型AlGaN、 p型GaN。
其制备方法为
(1) 采用MOCVD设备，升温至100(TC在氢气氛围下烘烤衬底 IO分钟；
(2) 降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度 缓冲层；
升温至105(TC，生长厚度为l.Oum的未掺杂GaN层； 在IOO(TC的温度下生长厚度为1.5um的p型GaN:Mg层；
(3) 在90(TC生长InGaN/GaN量子阱I ，使其发光颜色为紫色，量子阱个数为10;
(4) 将温度升至1000。C生长n型GaN:Si层，厚度为1.5iim;
(5) 降温至80(TC生长InGaN/GaN量子阱II，使其发光为蓝色， 量子阱个数为5;
(6 )升温到1000 °C生长p型AlGaN:Mg层； 降温至90(TC生长p型GaN:Mg层。 这种结构特点是该外延片有两个分隔的量子阱，InGaN/GaN量子 阱I为紫光量子阱，InGaN/AlInGaN量子阱n为蓝光量子阱，量子阱 II生长完后，依次生长了 p型AlGaN、 GaN和InGaN层。采用p型 AlGaN层可增大量子阱II对自由电子和空穴的束缚作用，提高LED 性能。通过在p型层I 、 n型层、和p型层II制作三个电极，可使LED 外延片分别发出紫光或蓝光，或者同时发出蓝光和紫光。
权利要求
1、一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述外延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、n型层、量子阱II和p型层II。
2、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱i和量子阱n的阱层禁带宽度不同。
3、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，其特征在于所述量子阱I、量子阱n可以掺入si或不掺杂。
4、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED 外延片，其特征在于所述量子阱I 、量子阱II为单量子阱或多量子阱； 周期数可以分别为1 10。
5、 根据权利要求1、 2、 3或4所述可同时发射不同波长光的GaN 基LED外延片，其特征在于所述量子阱I为InGaN/GaN、 InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
6、 根据权利要求1、 2、 3或4所述可同时发射不同波长光的GaN 基LED外延片，其特征在于所述量子阱II为InGaN/GaN、 InGaN/InGaN或InGaN/AlInGaN量子阱。
7、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED 外延片，其特征在于所述n型层是n型GaN,或者n型InGaN，或者 n型GaN和AlGaN，或者n型GaN和InGaN，且n型InGaN的禁带 宽度大于量子阱I和量子阱II中InGaN的禁带宽度；所述n型层厚 度为0.5um 2.0tim。
8、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED 外延片，其特征在于所述p型层I为p型GaN、或p型GaN和AlGaN。
9、 根据权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED 外延片，其特征在于p型层II为p型GaN，或者p型InGaN，或者p 型GaN和InGaN，或者p型AlGaN和GaN，或者p型AlGaN和GaN 和InGaN，且p型InGaN的禁带宽度大于量子阱I和量子阱II中 InGaN的禁带宽度。
10、 一种如权利要求1所述可同时发射不同波长光的GaN基LED 外延片的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，其特征在 于包括以下步骤-(1) 在IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底IO分钟；(2) 在48(TC 110(TC的温度下，在衬底上生长p型层I;(3) 将温度降至70(TC 90(TC，生长量子阱I ;(4) 将温度升至80(rC 100(TC，生长n型层；(5) 将温度降至60(TC 80(TC，生长量子阱II;(6) 在温度700。C 1000。C，生长p型层II。
全文摘要
本发明公开了一种可同时发射不同波长光的GaN基LED外延片，所述外延片的结构从下至上依次为衬底、p型层I、量子阱I、n型层、量子阱II和p型层II。本发明外延片设有两个分隔的量子阱，通过在p型层I、n型层、和p型层II制作三个电极，可使两量子阱在外加电压下分别发射不同波长的光，该外延片制作成LED芯片后，可获得由量子阱I和量子阱II发出的不同波长的混合光，或者分别发出由量子阱I或量子阱II产生的一种颜色的单色光，大大拓展LED的应用范围。本发明提供的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
文档编号H01L33/00GK101281945SQ200810028049
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者李述体 申请人:华南师范大学