带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构及其制备方法，该结构包括衬底和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、n型层、有源层和P型层，所述有源层包括多层结构和发光单元，发光单元包括发射3?10个发光波长的多量子阱发光区域，多层结构存在V坑，V坑产生于多层结构，贯穿多量子阱发光区域。用本发明的方法获得的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构可以解决现有主流白光LED存在的荧光粉寿命偏短、色温偏高、显色指数偏低以及蓝光短波长部分危害等问题，实现无荧光粉的单芯片LED发白光。
【专利说明】
带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。实现白光LED通常有两种方法，第一种是利用氮化镓基蓝光LED与荧光粉配合形成白光;第二种是由多种单色光(蓝、绿、黄、红四基色或五基色、六基色)混合形成白光。
[0003]在提倡节能环保的今天，LED照明光源得到了空前的发展，但LED照明引起的人眼健康问题没有在这个行业得到警示，市场存在较多的高色温及低价劣质产品，其最主要的原因是LED光源的制造者与使用者并不了解LED照明产生的蓝光危害。
[0004]人的视力损伤是最不可以接受的，尤其到老年后，视力问题非常困扰生活。由蓝光危害引起的黄斑病变已经成为LED照明最需要关注的问题，根据世界卫生组织报告，黄斑病变导致的失明排名第一，超过白内障，是造成视力不良的最主要因素，在大量使用LED照明的今天，LED照明的蓝光危害更应引起重视。所以寻求多波长混合形成白光的单芯片白光技术，以减少由蓝光引起的视力损伤是科研工作者努力的方向之一。
[0005]目前市场上最主流的白光LED是由蓝光LED+荧光粉形成，此种形式的白光存在白光LED寿命受荧光粉的寿命影响、一致性差及蓝光危害等问题，多波长单芯片白光LED与之相比，不需做荧光粉的调配，更重要的是它可以解决目前蓝光LED+荧光粉白光LED存在的蓝光危害问题，同时，多波长单芯片白光LED还可以彻底解决多基色LED驱动电路复杂化的问题，其获得的色温、显色性还可以自由调整。
【发明内容】
[0006]本发明的第一个目的是提供一种带V坑多量子阱多波长的GaN基(GaN)LED外延结构，它无需荧光粉就能得到根据所需色温、显色性可以自由调整的白光LED。
[0007]本发明的第二个目的在于提供一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构的制备方法。
[0008]本发明的第一个目的是这样实现的:
一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，包括:衬底和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、η型层、有源层和P型层，其特征在于:有源层包括多层结构和发光单元，所述发光单元设置于多层结构上，所述发光单元包括发射波长在400nm-650nm的3_10个发光区域。
[0009]所述多层结构包括依次设置于η型层上的多层结构第一层、多层结构第二层和多层结构第三层，其中:多层结构第一层为GaN材料;多层结构第二层由InxGa(l-x)P^PInyGa(l-y)N两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的周期性结构，其周期数为n，其中，l，0<y< 1，I < η < 50;多层结构第三层为GaN材料。
[0010]所述发光单元包括多个发光区域，发光区域包括多个皇层和与皇层交替层叠的多个讲层，讲层材料为InxGa(l-x)N，皇层材料为InyGazAl(l-y-z)N，其中,0 < x < 1,0 < y < I,
O< z < I，每个发光区域的阱皇周期数为I?20，阱皇厚度为5?lOOnm，发光单元为多量子阱结构。
[0011]在有源层中存在V坑，V坑产生于多层结构，并贯穿整个发光单元。V坑是通过控制材料生长条件，而形成的从截面看为V字型的坑。量子阱在V坑中的生长形成侧壁量子阱，其厚度较平台量子阱薄，禁带宽度更大。在大的载流子注入时，虽然V坑侧壁位置的量子阱禁带宽度更大，但因其量子阱厚度更薄，通过隧穿作用，载流子在V坑侧壁更容易注入，促进接近η面的量子阱发光。
[0012]所述缓冲层为AlN层、AlGaN层或GaN层，厚度为0.01?5μπι。
[0013]所述η 型层为 InxGayAl(l-x_y)N 材料，厚度为 I ?ΙΟμπι，其中，CKx<l，CKy<l。
[0014]所述P型层为InxGayAl(l_x_y)N材料，厚度为20?lOOOnm，其中，O < X < I，O < y <
1
[0015]所述衬底材料为硅(Si)、蓝宝石(A1203)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(A1N)、锗(Ge)或砷化镓(GaAs)中的一种。
[0016]本发明的第二个目的是这样实现的:
一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤:在衬底上形成缓冲层，在缓冲层上形成N型层，在N型层上形成有源层，在有源层上形成P型层。
[0017]本发明提供一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，这种结构的有源层包括多层结构和发光单元，V坑存在于有源层中；该结构制成的器件，可以通过V坑的设计及量子阱的结构设计达到控制多个发光波长组合发光，混合成所需白光的目的，实现多波长单芯片白光LED。通过本发明得到的白光，无需荧光粉，基本无蓝光危害，驱动电路简单，其获得的色温、显色性还可以自由调整。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的截面不意图；
图2是实施例1的截面示意图；
图3为实施例1中有源层的截面示意图；
图4是实施例2中的截面示意图；
图5为实施例2中有源层的截面示意图；
图6是实施例3中的;截面示意图；
图7为实施例3中有源层的截面示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0020]如图1所示，一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构包括衬底110、设置于衬底110上的缓冲层120、设置于缓冲层120上的η型层130、设置于η型层130上的有源层140和设置于有源层140上的P型层150;其中，所述有源层140包括多层结构141、发光单元(多个发光波长区域)142和V坑143。一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构结构提供的白光，不含荧光粉，是完全依靠有源层140发出白光，有源层140包含发射3-10个中心波长的发光区域，不同注入电流下载流子在发光单元的不同区域复合，从而实现多波长混合形成白光。
[0021]所述衬底110的材料为硅(Si)、蓝宝石(A1203)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(A1N)、锗(Ge)或砷化镓(GaAs)中的一种。
[0022]所述缓冲层120为AlN层、AlGaN层或GaN层，厚度为0.01?5μπι。
[0023]所述η 型层 130 为 InxGayAl(l_x_y)N 材料，厚度为 I ?ΙΟμπι，其中，0<x<l，0<y<
1
[0024]所述P型层150为InxGayAl(l-x_y)N材料，厚度为20?lOOOnm，其中，O SxS 1，其O
[0025]所述多层结构141包括依次设置于η型层130上的多层结构第一层141A、多层结构第二层141Β和多层结构第三层141C。多层结构第一层141Α为GaN材料;多层结构第二层141Β由InxGa( 1-χ)Ν和InyGa( l-y)N两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的周期性结构，周期数为η，其中，O <x<l,0<y<l,50;多层结构第三层141C为GaN材料。
[0026]所述发光单元142包括设置在多层结构上的发射不同波长的3?10个发光区域，所述发光区域包括多个皇层和与皇层交替层叠的多个阱层，阱层材料为InXGa(l-X)N，皇层材料为InyGaZAl(l-y-Z)N，其中，O ^ X < I，0 ^ y < I，0 < z < I，每个发光区域的阱皇周期数为I?20，讲皇厚度为5?10nm，发光单元为多量子讲结构。
[0027]所述V坑143产生于多层结构，贯穿整个发光单元。
[0028]所述量子阱层的InxGa(1-X)N材料的禁带宽度随着In组分的变化而变化，从InN的
0.7eV到GaN的3.4eV，可以覆盖整个可见光光谱，因此可以在InxGa(1-χ)N材料上实现从红光到蓝光多波长的发光。
[0029 ]以下所有实施例均以GaN体系制成，如由ΙΠ - V族元素构成的I nGaN、A11 nGaN或AlGaN组合构成的合金体系。
[0030]实施例1:
如图2所示，根据实施例1的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构包括:衬底210、设置于衬底上的缓冲层220、设置于缓冲层上的η型层230、设置于η型层230上的有源层240和设置于有源层240上的P型层250。
[0031]在本实施例中，在η型层230上设置的有源层240包括多层结构241、发光单元242和V 坑243。
[0032]在本实施例中，如图3所示，所述发光单元242设置于多层结构241上，包括3个发光区域242Α、242Β和242C，依次是设置于多层结构241上的蓝光多量子阱发光区域242Α、设置于蓝光多量子阱发光区域242Α上的绿光多量子阱发光区域242Β、设置于绿光多量子阱发光区域242Β上的黄光多量子阱发光区域242C。每个发光区域包括多个皇层交替层叠的多个阱层。蓝光多量子阱发光区域242Α由多个阱层242AW和多个皇层242ΑΒ交替层叠而成，绿光多量子阱发光区域242Β由多个阱层242BW和多个皇层242ΒΒ交替层叠而成，黄光多量子阱发光区域242C由多个阱层242CW和多个皇层242CB交替层叠而成。发光单元242具有多量子阱(MQW)结构。
[0033]本实施例中的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，所发射多个波长的可见光是通过设置对应三种不同发光波长的量子阱区，使得LED在不同注入电流下，载流子的主要复合区域不同，获得不同波长的光，从而实现单芯片所需的白光。
[0034]制备方法:参照图2。把干净的衬底放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长带V坑多量子阱区多波长的GaN基LED叠层结构，该结构从下到上依次包括氮化物缓冲层、N型铟镓铝氮层、有源层、P型铟镓铝氮层。有源层包括多层结构和发光单元，多层结构的V坑大小和密度可以通过多层结构的厚度、生长温度、生长气压或其中多层结构中In组分的多少来调节。发光单元先长蓝光多量子阱区、再依次生长绿光多量子阱区、黄光多量子阱区。所有叠层结构生长完成后，就得到本发明的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构。
[0035]实施例2:
如图4所示，根据实施例2带有V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构包括:衬底310、设置于衬底310上的缓冲层320、设置于缓冲层320上的η型层330、设置于η型层330上的有源层340和设置于有源层340上的P型层350。
[0036]在本实施例中，在η型层330上设置的有源层340包括多层结构341、发光单元342和V 坑343。
[0037]在本实施例中，如图5所示，所述发光单元342设置于多层结构341上，包括4个发光区域342A、342B、342C和342D，依次是设置于多层结构341上的蓝光多量子阱发光区域342Α、设置于蓝光多量子阱发光区域342A上的青光量多子阱发光区域342B、设置于青光多量子阱发光区域342B上的绿光多量子阱发光区域342C以及设置于绿光多量子阱发光区域342C上的黄光多量子阱发光区域342D。每个发光区域包括多个皇层交替层叠的多个阱层。蓝光多量子阱发光区域342A由多个阱层342AW和多个皇层342AB交替层叠而成，青光多量子阱发光区域342B由多个阱层342BW和多个皇层342BB交替层叠而成，绿光多量子阱发光区域342C由多个阱层342CW和多个皇层342CB交替层叠而成，黄光多量子阱发光区域342D由多个阱层342DW和多个皇层342DB交替层叠而成。发光单元342具有多量子阱(MQW)结构。
[0038]本实施例中的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，所发射多波长的可见光，是通过设置对应四种不同发光波长的量子阱层，使得LED在不同注入电流下，载流子的主要复合区域不同，获得不同波长的光，从而实现单芯片所需的白光。
[0039]制备方法:参照图4。把干净的衬底放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长带有V坑的多量子阱多波长的GaN基LED叠层结构，该结构从下到上依次包括氮化物缓冲层、N型铟镓铝氮层、有源层、P型铟镓铝氮层。有源层包括多层结构和发光单元，多层结构的V坑大小和密度可以通过多层结构的厚度、生长温度、生长气压或其中多层结构中In组分的多少来调节。发光单元先长蓝光多量子阱区、再依次青光多量子阱区、绿光多量子阱区、黄光多量子阱区。所有叠层结构生长完成后，就得到本发明的带有V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构。
[0040]实施例3:
如图6所示，根据实施例3的带有V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构包括:衬底410、设置于衬底上的缓冲层420、设置于缓冲层上的η型层430、设置于η型层430上的有源层440和设置于有源层440上的P型层450。
[0041 ]在本实施例中，在η型层上设置的有源层440包括多层结构441、发光单元442和V坑443。
[0042]在本实施例中，如图7所示，所述发光单元442设置在多层结构441上，包括5个发光区域442A、442B、442C、442D和442Ε，依次是设置于多层结构441上的蓝光多量子阱发光区域442A、设置于蓝光多量子阱发光区域442A上的青光多量子阱发光区域442B、设置于青光多量子阱发光区域442B上的绿光多量子阱发光区域442C，设置于绿光多量子阱发光区域442C上的黄光多量子阱发光区域442D，设置于黄光多量子阱发光区域442D上的红光多量子阱发光区域442E。每个发光区域包括多个皇层交替层叠的多个阱层。蓝光多量子阱发光区域442A由多个阱层442AW和多个皇层442AB交替层叠而成，青光多量子阱发光区域442B由多个阱层442BW和多个皇层442BB交替层叠而成，绿光多量子阱发光区域442C由多个阱层442CW和多个皇层442CB交替层叠而成、黄光多量子阱发光区域442D由多个阱层442DW和多个皇层442DB交替层叠而成、红光多量子阱发光区域442E由多个阱层442EW和多个皇层442EB交替层叠而成。发光单元442具有多量子阱(MQW)结构。
[0043]本实施例中的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，所发射多波长的可见光，是通过设置对应5种不同发光波长的量子阱层，使得LED在不同注入电流下，载流子的主要复合区域不同，获得不同波长的光，从而实现单芯片所需的白光。
[0044]制备方法:参照图6。把干净的衬底放入一化学气相沉积设备的反应炉中，依照一种公开的铟镓铝氮半导体材料生长工艺，生长带有V坑的多量子阱多波长的的GaN基LED叠层结构，该结构从下到上依次包括氮化物缓冲层、N型铟镓铝氮层、有源层、P型铟镓铝氮层。有源层包括多层结构和发光单元，多层结构的V坑大小和密度可以通过多层结构的厚度、生长温度、生长气压或其中多层结构中In组分的多少来调节。发光单元先长蓝光多量子阱区、再依次青光多量子阱区、绿光多量子阱区、黄光多量子阱区。所有叠层结构生长完成后，就得到本发明的带有V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构。
[0045]以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解;其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，包括:衬底和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、η型层、有源层和P型层，其特征在于:有源层包括多层结构和发光单元，所述发光单元设置于多层结构上，所述发光单元包括发射波长在400nm-650nm的3_10个发光区域。2.根据权利要求1所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:所述衬底包括下列材料中的一种或若干种:硅;蓝宝石;碳化硅;氮化镓;氮化铝、锗;砷化镓。3.根据权利要求1所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:所述多层结构产生V坑，所述V坑为通过生长条件控制形成的从截面看为V字型的坑。4.根据权利要求3所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:V坑产生于多层结构，贯穿整个发光单元。5.根据权利要求1所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:发光单元由3?10个不同波长的发光区域组成。6.根据权利要求5所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:每个发光区域由多个量子讲组成，每个多量子讲发光区域由I?20周期的InxGa(l-x)N量子讲讲层及AlyGazIn(l-y_z)N量子讲皇层交替叠加而成，其中O，0，0。7.根据权利要求6所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:发光单元中不同发光区域的量子阱发射出不同波长的光混合成所需的光。8.根据权利要求1所述的带V坑多量子阱多波长的GaN基LED外延结构，其特征在于:所述缓冲层为AlN层、AlGaN层或GaN层，厚度为0.01?5μηι;所述η型层为InxGayAl (l_x_y )Ν材料，厚度为I?ΙΟμπι，其中，0 ^ X ^ I，0 ^ y < I;所述P型层为InxGayAl(l_x-y)N材料，厚度为20?lOOOnm，其中，0<x< 1，0<y<l。9.一种带V坑多量子阱多波长的G a N基L E D外延结构的制备方法，其特征在于:步骤如下: 选取衬底； 在上述衬底上生长缓冲层； 在所述的缓冲层上生长η型层； 在所述的η型层上生长有源层； 在所述的有源层生长P型层。
【文档编号】H01L33/08GK105870286SQ201610253193
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】莫春兰, 刘军林, 江风益, 全知觉, 张建立, 王小兰, 王光绪, 吴小明
【申请人】南昌大学, 南昌黄绿照明有限公司