专利名称：GaN基双蓝光波长发光器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件领域，具体地说，涉及一种GaN基双蓝光波长发光器件及其制备方法。
背景技术：
发光二极管是一种半导体固体光源，它具有体积小、低耗能、低电压驱动、响应速度快、寿命长、结构牢固、抗冲击和抗震能力强、有利于环保等众多优点。在照明、显示、指示等方面具有非常广的应用前景，因此LED将成为21世纪替代传统照明器件的新光源。GaN基LED制备经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。GaN 材料生长方法有很多，譬如金属有机化学气相外延(M0CVD)、分子束外延(MBE)、卤化物气相外延(HVPE)等。目前，MOCVD是目前唯一能制备GaN基高亮度LED外延片并用于规模化生产的生长技术。现有的GaN基LED外延片均在生长ρ-GaN层前，先生长一层薄的p_AWaN 电子阻挡层以防止大电流下更多的电子溢流。但是P-AKiaN层存在的问题主要表现在
1、由于GaN基材料空穴有效质量(1. 1 mQ)高于电子的有效质量(0.2 mQ)，因此，电子就更容易穿越活性层进入活性层顶部的量子阱层，甚至溢流出有源层进入P-GaN层，相反，空穴就比较难达到活性层靠近n-GaN侧的量子阱。AWaN电子阻挡层的使用意在阻挡电子溢流提高载流子复合率，但是却进一步阻挡了空穴的注入。2、P-AlGaN电子阻挡层降低了空穴的注入效率，导致在单波长LED有源区内的电子空穴浓度分布不均勻，而在双蓝光波长混合多量子阱LED中，两种阱的发光强度更加不均衡。3、ρ-AlGaN电子阻挡层Al组分的增大虽能阻挡电子溢流，但GaN垒层与p_AWaN 电子阻挡层之间的极化电场也进一步增强，反而降低了导带处最后一个垒层的势垒，减弱了在大电流下对电子的限制。4、GaN基LED外延片中的p-AWaN电子阻挡层的空穴浓度在5 χ IO17CnT3左右， 甚至更低。而外延片中η型GaN层的自由电子浓度约5 χ 1018cm_3。如何获得高空穴浓度 P-AWaN层，从而增大量子阱中电子和空穴的复合，对于GaN基LED显得尤其重要，这也是 GaN材料生长中十分重要和困难的问题，是提高GaN基LED性能的关键。5、由于p-AWaN层的空穴浓度低，ρ型层和pn结交界面附近的电阻很大，在LED工作时会产生大量热量，导致LED结温升高，缩短LED的使用寿命。尽管GaN基LED的理论寿命可达到10万小时以上，但目前寿命在1 2万小时左右，甚至更短。获得高空穴浓度的 P型AWaN层也是获得长寿命LED的关键一环。目前，广泛采用的白光LED方案有两种(1)以InGaN基蓝光或紫光LED为基础，通过荧光粉实现转换的白光LED; (2)多芯片混色的白光LED。前者主要缺点是无机荧光粉一般面临着光致转换效率低和显色指数(CRI)差等缺点。而后者由于发光全部来自LED，因此，制作成本高、驱动复杂，此外，三种颜色LED之间老化特性的差异，常导致发光过程中变色。无荧光粉的单芯片白光LED已有报道，主要是在同一个蓝宝石衬底上依次生长两种或三种hGaN/GaN多量子阱结构的LED，调节h组分来实现从蓝光到黄光的发射从而合成白光。但是，对于GaN基发光器件其发光效率一般在40(Γ500 nm范围内的效率较高，随着发射波长向绿光方向增加，GaN基LED的的发光效率逐渐减小，主要是因为实现高h组分的InGaN薄膜极其困难。当前蓝光加YAG:Ce黄光荧光粉的封装方案占据白光LED市场的主要份额。对于单蓝光芯片加YAG:Ce荧光粉封装的白光LED，在高色温时具有高的显色指数，可是在低色温时，随着蓝光发射强度的减弱其显色性逐渐减小，当色温低于5500K时，显色一般低于70。而从显色指数公式
- = ^^ (力广8号试验色的光谱辐射亮度因数，分别对应淡灰红色、暗灰黄色、饱和 2^1 i
黄绿色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色等8种颜色)来看如果保持 YAG:Ce荧光的黄光发射光谱不变，适当增加LED芯片的蓝紫光和蓝绿光部分的发射，同样可以增加白光LED的显色指数。针对当前制备高显色性白光LED所存在芯片设计的问题， 设计和制造GaN基双蓝光波长发光芯片及其高显色性白光LED的封装方法显得尤其重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构新型的GaN基双蓝光波长器件及其制备方法，并将这种双蓝光波长芯片与黄光荧光粉封装成白光LED来提高白光的显色性。在双蓝光波长 LED中移去了 p-AWaN层而在hGaN/GaN混合多量子阱活性层和n_GaN之间引入n_AWaN 层。从而提高了空穴的注入效率，更好地抑制了电子溢流，大大提高了双蓝光波长LED的发光效率，并使得两种量子阱辐射平衡。本发明的最佳效果是通过下述方案实现的
该GaN基双蓝光波长外延片的结构从衬底开始，依次为GaN缓冲层、GaN本征层、n-GaN 层、反对称n-AKiaN层、高h组分多量子阱、低h组分多量子阱和p_GaN层。其特点在于移去传统的P-AWaN电子阻挡层而在混合多量子阱活性层和n-GaN之间引入反对称n_AWaN 层。P-AlGaN层的移去使得空穴的注入效率大大提高，而n-AWaN层的引入更有效得抑制了电子溢流，从而导致电子空穴浓度在有源区内均勻分布，提高发光效率，有利于双蓝光波长 LED的光谱稳定。上述反对称n-AlGaN层的施主为Si，厚度为10 20 nm,而Al的组分为8 20%。上述n-GaN层的施主为Si，而ρ型GaN层掺有受主Mg。上述高h组分多量子阱和低h组分多量子阱分别为2 3个周期的hfahN/ GaN和2 3周期的hyGai_yN/GaN，其中hx(iai_xN/GaN多量子阱的发光为蓝绿光，发射峰值在 460^480多量子阱的发光为蓝紫光，发射峰值在430 450 nm。该GaN基双波长LED外延片的制备方法，是通过MOCVD技术实现的，包括下列步骤
(1)采用AlGaInN系材料生长专用M0CVD，升温至1000 1100°C烘烤衬底5 10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；(3)升温至1050°C，生长厚度为2μπι的未掺杂GaN层；
(4)在1000°C 1100°C的温度下生长厚度1.0 μπι 3.0 μπι的η-GaN层。(5)在1050°C的温度下生长厚度为10 20 nm的反对称n-AlGaN层；
(6)将温度降至600°C 800°C，生长混合多量子阱的活性层，依次分别生长为2 3个周期的hfi^N/GaN和2 3周期的Iny(iai_yN/GaN，其中hfi^N/GaN多量子阱的发光为蓝绿光，发射峰值在46(T480 nm,而hy(iai_yN/GaN多量子阱的发光为蓝紫光，发射峰值在 430^450 nm。(7)在1000°C 1100°C的温度下生长厚度100 200 nm厚的ρ-GaN层。与现有技术相比，本发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电子溢出，有源区的电子空穴浓度均勻性和流明效率都得到大大提高。2、两种不同量子阱所发出的光谱在不同电流下更加稳定，而且随着电流的增大基本能够同步增大。
图1 (a)和(b)分别为传统的双蓝光波长LED和反对称n_AWaN层的双蓝光波长 LED的外延结构示意图。图2为双蓝光芯片加YAG: Ce荧光粉封装结构示意图。图3为反对称n-AWaN层的双蓝光波长芯片加YAG: Ce荧光粉封装的白光LED的发射光谱图。
具体实施例方式给出以下描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，而且这些描述是在具体应用及需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用到其它实施例和应用中。因此，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最大范围一致。现有GaN基LED外延片结构的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层或低温AlN层等等。在采用GaN为衬底时可以不生长低温缓冲层和未掺杂GaN层。多量子阱结构有hGaN/GaN结构、InGaN/AWaN结构、Inx^vxNAnyGahyN结构等等。外延片结构中可以不生长n-AWaN层或p-AWaN层，或n_AWaN层和p-AWaN层均不生长。本专利中传统的双蓝光波长LED外延片结构示意图见图1 (a)。其结构从下至上依次为衬底、GaN缓冲层、GaN本征层、n-GaN层、2 3个周期的高h组分量子阱、2 3个周期的低h组分量子阱、P-AWaN电子阻挡层和p-GaN层。新型的GaN基双波长外延片的结构如图1 (b)所示，其移去传统的p-AKiaN电子阻挡层而在混合多量子阱活性层和n-GaN之间引入反对称n-AKkiN层。其制备方法为(1)采用GaN专用M0CVD，升温至1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10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；
(3)升温至1050°C，生长厚度为2μ m的未掺杂GaN层；
(4)在1050°C的温度下生长厚度为2ym的n-GaN:Si层；
(5)在1050°C的温度下生长厚度为15nm的n-Al0.15Ga0.85N:Si层；
(6)将温度降至700°C分别生长两个周期的hc^fe^N/GaN量子阱和两个周期的 h。.12G￡ic).88N/GaN量子阱，垒层和阱层厚度分别为10 nm和3 nm ；
(7)在600°C的温度下生长厚度为200nm的空穴浓度为&1017αιΓ3的p-GaN:Mg层。(8)将外延片经过光刻、腐蚀、ICP刻蚀、蒸镀电极、合金、研磨、划片、裂片、测试和分选等标准的芯片制备工艺制备出尺寸为300 μ m χ 300 μ m的芯片。(9)双蓝光波长芯片与封装支架固晶、烘烤和焊线等工艺，而YAG:Ce荧光粉和环氧树脂或硅胶混合、搅拌和除气等工艺，然后将YAG:Ce荧光粉和环氧树脂或硅胶混合物点胶到经过固晶焊线后的支架上，并进一步烘烤定型制备出双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉的白光LED。图2表示双蓝光芯片与YAG:Ce荧光粉封装的LED示意图，图3是相应白光LED的发射光谱图。其中440 nm峰是来自Ina A^^N/GaN多量子阱的发射，475 nm峰时来自Inai8Giia82NZGaN多量子阱的发射，而575 nm则是来自双蓝光激发YAG: Ce荧光粉的发射。
权利要求
1.一种GaN基双蓝光波长LED外延片，其结构从衬底开始，依次为GaN缓冲层、GaN本征层、n-GaN层、反对称n-AWaN层、高h组分多量子阱、低h组分多量子阱和p_GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其特征在于所述n-AWaN层的电子浓度为IXlOw 5 X IO18 cm—3。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其特征在于所述的 n-AlGaN层施主为Si。
4.根据权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其特征在于所述n-AKiaN层的厚度为10 nm 20 nm,而Al的组分为8% 20%。
5.根据权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其特征在于p-GaN层掺有受主Mg。
6.根据权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其混合多量子阱的活性层从衬底至P-GaN方向，依次为2 3个周期的hxGai_xN/GaN量子阱和2 3个周期的hyfefyN/ GaN量子阱，其中^^fehN/GaN多量子阱的发光为蓝绿光，发射峰值在460 480 nm，而 InyGai_yN/GaN多量子阱的发光为蓝紫光，发射峰值在430 450 nm。
7.根据权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片，其特征在于所述的半导体衬底的材料为蓝宝石、硅、SiC或GaN中的一种。
8.—种如权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED外延片的制备方法，其特征在于包括下列步骤采用AWaInN系材料生长MOCVD，在衬底依次生长GaN缓冲层、GaN本征层、 n-GaN层、反对称n-AlGaN层、2 3个周期的Ir^feihN/GaN量子阱和2 3个周期的hyfeiryN/ GaN量子阱，以及ρ型GaN。
9.一种白光LED，其特征是由权利要求1所述的GaN基双蓝光波长LED芯片与黄光荧光粉结合封装成。
10.根据权利要求9所述的白光LED，其特征在于，其发射峰值的范围在55(T580nm，所述黄光荧光粉材料为YAG:Ce、硅酸盐、铝酸盐或氮化物中的一种。
全文摘要
本发明公开了GaN基双蓝光波长发光器件及其制备方法。其目的在于解决单蓝光芯片激发黄光荧光粉封装出的白光LED的显色性不足的问题。该GaN基双蓝光波长LED外延片的结构从衬底开始，依次为GaN缓冲层、GaN本征层、n-GaN层、反对称n-AlGaN层、高In组分量子阱、低In组分量子阱和p-GaN层，其特点是在混合多量子阱活性层和n-GaN之间引入反对称n-AlGaN层，同时移去p-GaN侧的p-AlGaN电子阻挡层。并将这种双蓝光波长芯片与黄光荧光粉封装成白光LED。
文档编号H01L33/00GK102347408SQ20111032838
公开日2012年2月8日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者严启荣, 李述体, 章勇, 范广涵 申请人:华南师范大学