本发明涉及半导体外延和芯片技术领域，尤其涉及一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件及其制备方法。
背景技术：
随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染等一系列的问题日益突出。发光二极管(led)作为一种新型固体照明光源，因具有体积小、高光效、低电耗、长寿命等优势受到高度的重视。近年来，获得白光led最普遍的方法就是利用低压直流电来激发单一基质的半导体芯片，其芯片发射出的光再激发到涂敷在芯片上的荧光粉，使荧光粉发出人眼可见的长波长的光，最后通过调节荧光粉的比例来实现白光发射。这种方法主要分为两种：一种为用蓝光芯片激发黄色荧光粉，即以蓝光led芯片作为激发光源，激发与该种芯片发射波长匹配的黄色荧光粉，将发射出的黄光与激发光源的蓝光进行组合得到白光；另一种为用近紫外光芯片激发红、绿、蓝三基色荧光粉，即以近紫外led芯片作为激发光源，激发能够发出红、绿、蓝三基色的三种荧光粉，将三种颜色的光进行调控组合得到白光。然而，这种采用荧光转换的方法存在着很多缺陷，例如由于斯托克斯位移而引起的能量损失，寿命相对缩短，荧光粉的降解，色温不稳定，显色指数较低，存在严重的猝灭发光现象等一系列问题。此外，还有就是红绿蓝三基色led芯片混合的方法，这种方法尽管可以避免荧光粉在光转换过程中固有的能量损失，但是rgb多芯片的混光过程复杂，并且需不同电路和控制系统，价格昂贵，同时色温也受电流波动影响等。
而采用无荧光粉单芯片白光led则具有以下的优势：采用单一芯片的led——避免了多套控制电路的复杂设计，成本低，同时也避免了由不同芯片衰减速度而引起的光色漂移等问题，并且单芯片固态照明产品的热问题相对于多芯片型产品大为降低等；采用无荧光粉的led——避免了荧光粉的降解、色温不稳定等问题，并且还具有显色指数较高、寿命相对较长等优势。
因此，许多研究者们开始着力发展无荧光粉单芯片的白光led照明技术，并提出了许多新的实施途径，如单芯片集成的多波长发射白光技术(采用适当的外延技术，生长出不同的3d或2d结构来制备多波长发射的led)受到了极大的关注，但是在这些技术中白光的显色指数还比较低，因此，提高显色指数，使色坐标接近(1/3，1/3)也尤为迫切。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件及其制备方法，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明的一方面，提供了一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件，包括：
衬底；
第一外延层；
具有n个阵列排列的微/纳米孔洞的sio2层，位于所述第一外延层上方，n为大于1的正整数；
n个含ingan/gan量子阱的三维六角梯形结构，位于各微/纳米孔洞上方；以及
量子点区域，位于每两个三维六角梯形结构之间；
其中，所述ingan/gan量子阱与所述量子点区域形成发光源。
在本发明的一些实施例中，所述ingan/gan量子阱中in为可调组分，所述ingan/gan量子阱的侧面发射蓝光，上表面发射绿光和/或黄光。
在本发明的一些实施例中，所述量子点区域填充有可调比例的混合量子点：红色量子点和/或绿色量子点和/或黄色量子点。
在本发明的一些实施例中，所述第一外延层自下而上包括：
低温成核层、非掺杂gan层和第一n型掺杂gan层。
在本发明的一些实施例中，还包括：位于所述ingan/gan量子阱内侧的第二n型掺杂gan层，以及位于所述ingan/gan量子阱外侧的第二外延层，所述第二外延层自内而外包括：
algan电子阻挡层和p型掺层gan层。
在本发明的一些实施例中，所述低温成核层的厚度为5nm～200nm；
所述非掺杂gan层的厚度为0.2μm～10μm；
所述第一n型掺杂gan层的厚度为0.2μm～10μm；
所述sio2层的厚度为40nm～600nm；
所述algan电子阻挡层的厚度为10nm～250nm；
所述p型gan层的厚度为10nm～250nm。
本发明的另一方面，还提供了一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的制备方法，包括步骤：
在衬底上方生长第一外延层；
在所述第一外延层上方生长一层sio2层，并在所述sio2层上得到n个阵列排列的微/纳米孔洞；
生长n个含ingan/gan量子阱的三维六角梯形结构，所述三维六角梯形结构位于各微/纳米孔洞上方；以及
在每两个三维六角梯形结构之间填充可调比例的混合量子点，形成量子点区域；
其中，所述ingan/gan量子阱与所述量子点区域形成发光源。
在本发明的一些实施例中，生长第一外延层包括步骤：
在衬底上生长低温成核层；
在所述低温成核层上生长非掺杂gan层；以及
在所述非掺杂gan层上生长第一n型掺杂gan层。
在本发明的一些实施例中，在每两个三维六角梯形结构之间填充可调比例的混合量子点之前，还包括步骤：在所述ingan/gan量子阱内侧生长第二n型掺杂gan层，以及在所述ingan/gan量子阱外侧生长第二外延层。
在本发明的一些实施例中，所述第二外延层自内而外包括：
algan电子阻挡层和p型掺层gan层。
(三)有益效果
本发明的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件及其制备方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：
1、结合量子点和量子阱所形成的发光源，既能避免荧光粉所带来的缺陷，又可以充分利用量子阱与量子点结合所具有的优势，即利用量子阱中的激子与量子点中的激子进行非辐射复合能量转移，提高发光效率。
2、通过调节ingan/gan量子阱中in的组分，可以使得三维六角梯形结构的侧面发射蓝光，而上表面发射比蓝光波长长的绿光(或者黄绿光、或者黄光)，同时也可改变间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，得到三基色，形成白光，并还可调节其发光波长与强度，使之能得到显指可调的无荧光粉单芯片白光led的结构，实现高显色性能。
附图说明
图1为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件结构的截面图。
图2为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件结构的俯视图。
图3为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的制备方法的步骤示意图。
图4为本发明实施例的步骤s1的子步骤的示意图。
具体实施方式
近年来，由于量子点(qds)具有发射峰值可控、色彩纯度高、色稳定性高、高功率效率以及长寿命等的光电性能的优势而引起人们的重视，尤其是采用qds作为色转换材料涂覆在ingan发光二极管上的白光led器件的应用，已取得很大进展。如果采用核壳结构的qds来替代荧光粉来作为光转换材料则可以有效地避免了由传统荧光粉所造成的显色指数低以及存在严重的猝灭发光现象等的一些缺陷，而且有核壳结构的qds材料具有很高的量子产率，例如cdse/zns，其光学范围可覆盖整个可见光光谱区域，是目前最成熟且性能最好的半导体量子点材料。此外，研究还发现，通过混合不同发光波长的半导体量子点可以用来调节白光led的性能参数，如色坐标、显色指数、相关色温等。2007年，nizamoglu等人采用绿色、黄色以及红色qds作为光转换材料涂覆在蓝光led上得到白光led器件，其色坐标为(0.30，0.28)，显色指数为40.9，色温为7521k；2016年，曹进等人也同样采用绿色、黄绿色以及红色qds作为光转换材料涂覆在蓝光led上来得到白光led器件，其性能得到很大的提高，其最高效率可达31.691m·w-1，且在电流为20～200ma范围内时，色坐标变化(0.3551，0.3483)～(0.3234，0.3361)、显色指数变化77.6～84.2，色温变化4607～5920k，均处于正白光范围内。
现有技术中一般采用蓝光激发黄色荧光粉制作白光led器件，易造成led器件寿命短、性能不稳定以及显色指数低等问题。有鉴于此，本发明结合量子点和量子阱所形成的发光源，既能避免荧光粉所带来的缺陷，又可以充分利用量子阱与量子点结合所具有的优势，即利用量子阱中的激子与量子点中的激子进行非辐射复合能量转移，提高发光效率；通过调节量子阱中in的组分可以使所得到的三维六角梯形结构的侧面发射蓝光，而上表面发射比蓝光波长长的绿光(或者黄绿光、或者黄光)，同时也可改变间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，得到三基色，并还可调节其发光波长与强度，使之能得到显指可调的无荧光粉单芯片白光led的结构，实现高显色性能。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例的一方面，提供了一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件，图1为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件结构的截面图，如图1所示，该显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件自下而上包括：衬底1、第一外延层、具有n个阵列排列的微/纳米孔洞的sio2层3、n个含ingan/gan量子阱42的三维六角梯形结构4和量子点区域5。
衬底1，可以为硅和/或锗材料、蓝宝石和碳化硅。在其他实施例中，还可以为其他材料。
为了提高本发明的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的质量，在本发明实施例中，第一外延层自下而上为：低温成核层21、非掺杂gan层22(u-gan层)和第一n型掺杂gan层23(n-gan层)。
低温成核层21的厚度可以为5nm～200nm；非掺杂gan层22的厚度可以为0.2μm～10μm；第一n型掺杂gan层23的厚度可以为0.2μm～10μm。
具有n个阵列排列的微/纳米孔洞的sio2层，位于所述第一外延层上方，其厚度可以为40nm～600nm。
图2为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件结构的俯视图，如图2所示，该器件包括了含ingan/gan量子阱42的三维六角梯形结构4和量子点区域5。
n个含ingan/gan量子阱42的三维六角梯形结构4，位于sio2层的上方，且位于所述微/纳米孔洞之上。所述ingan/gan量子阱42中in为可调组分，所述ingan/gan量子阱42的侧面发射蓝光，上表面发射绿光和/或黄光，也就是说，通过调节该ingan/gan量子阱42中in的组分，可以调节该ingan/gan量子阱42的侧面与上表面的发光波长与强度。
量子点区域5，位于每两个三维六角梯形结构4之间。
量子点区域5填充有可调比例的混合量子点，其中一定包含红色量子点，可选地还可以包括绿色量子点和黄色量子点，从而调变该显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的发射光的光色。
其中，所述ingan/gan量子阱42与所述量子点区域5所形成的发光源，二者之间的激子可以进行非辐射复合能量转移，提高发光效率，同时还能稳定该led器件的性能。同时，量子点区域5发出的光、ingan/gan量子阱42的上表面发射出的蓝光和ingan/gan量子阱42的侧面发射出的绿和/或黄光可作为三基色，混合形成白光，此外，还可调节其发光波长与强度，提高显色指数。
在本发明的一些实施例中，在所述ingan/gan量子阱42的内侧生长第二n型掺杂gan层41(n-gan层)，以及在所述ingan/gan量子阱42的外侧生长第二外延层，该第二外延层自内而外依次包括：algan电子阻挡层43和p型掺层gan层44(p-gan层)。
algan电子阻挡层43的厚度范围可以为10nm～250nm，p型掺层gan层44(p-gan层)的厚度可以为10nm～250nm。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的制备方法，图3为本发明实施例的显指可调的无荧光粉单芯片白光led器件的制备方法的步骤示意图，如图3所示，该制备方法包括以下步骤：
s1、在衬底上方生长第一外延层。
图4为本发明实施例的步骤s1的子步骤的示意图，如图4所示，步骤s1可以包括以下子步骤：
s101、在衬底上生长低温成核层，从而提高后续的gan外延薄膜的生长质量。在一些实施例中，可以将衬底清洗干净，放入金属有机化学气相沉积(mocvd)或者分子束外延(mbe)系统中，温度升高到400～850℃之间，压力调整到100～600torr之间，生长5nm～200nm的低温成核层。
s102、在所述低温成核层上生长非掺杂gan层(u-gan层)，从而为后续得到较平坦的gan表面做准备。在一些实施例中，可以将温度升高到950～1100℃之间，压力降低到30～600torr之间，生长非掺杂gan层(u-gan层)0.2μm～10μm。
s103、在所述非掺杂gan层上生长第一n型掺杂gan层(n-gan层)(厚度可以为0.2μm～10μm)，为发光层提供复合载流子，即电子。
需要说明的是，第一外延层即低温成核层、非掺杂gan层和第一n型掺杂gan层可以都是采用金属有机化学气相沉积(movcd)或分子束外延(mbe)方法进行外延生长。
s2、在所述第一外延层上方生长一层sio2层，并在所述sio2层上得到n个阵列排列的微/纳米孔洞。
具体为，在第一n型掺杂gan层(n-gan层)上，先沉积一层sio2层，然后可以通过光刻、icp图形转移等方法，形成n个阵列排列的微/纳米孔洞，作为后续的掩模板。
s3、生长n个含ingan/gan量子阱的三维六角梯形结构，所述三维六角梯形结构位于各微/纳米孔洞上方。
具体为，在含有n个阵列排列的微/纳米孔洞的sio2层上，先生长一层三维六角梯形状的第二n型掺杂gan层(n-gan层)，再自内向外生长ingan/gan量子阱以及外侧的algan电子阻挡层和p型掺层gan层(p-gan层)，从而形成三维六角梯形结构。其中，ingan/gan量子阱的生长温度可以为600℃～800℃，生长压力可以为30torr～600torr。
s4、在每两个三维六角梯形结构之间填充可调比例的混合量子点，形成量子点区域。
其中，所述ingan/gan量子阱与所述量子点区域形成发光源。在三维六角梯形结构之间，旋涂一定比例(比例可调)的混合量子点(红色量子点和/或绿色量子点和/或黄色量子点)，从而形成量子点区域。其中，优选地，在该三维六角梯形结构上进行回刻，使量子点区域与三维六角梯形结构的上平面处在同一平面上，以方便制作。
在本发明的一些实施例中，在步骤s4之前还可以包括步骤s31：在在所述ingan/gan量子阱的内侧生长第二n型掺杂gan层(n-gan层)；以及步骤s32：在所述ingan/gan量子阱的外侧生长第二外延层。
其中，该第二外延层自内而外依次包括：algan电子阻挡层和p型掺层gan层(p-gan层)。生长algan电子阻挡层是为了把更多的载流子限制在有源区，提高辐射复合率，即提高内量子效率；生长p型掺杂gan层(p-gan层)是为发光层提供复合载流子，即空穴。也就是说，所述三维六角梯形结构自内向外依次包括第二n型掺杂gan层(n-gan层)、ingan/gan量子阱、algan电子阻挡层和p型掺层gan层(p-gan层)。
第二外延层的生长方法可以与第一外延层的生长方法类似。其中，algan电子阻挡层的生长温度可以为900～1050℃，生长压力可以为50～600torr，厚度可以为10nm～250nm；p型掺层gan层(p-gan层)的生长温度可以为800～1000℃，生长压力可以为50～600torr，厚度可以为10nm～250nm。
步骤s3中得到的ingan/gan量子阱和步骤s4得到的量子点区域是主要的发光源，并且量子阱中的激子与量子点中的激子能进行非辐射复合能量转移，提高发光效率。
综上，本发明通过结合量子点和量子阱所形成的发光源，既能避免荧光粉所带来的缺陷，又可以充分利用量子阱与量子点结合所具有的优势，即利用量子阱中的激子与量子点中的激子进行非辐射复合能量转移，提高发光效率；通过调节量子阱中in的组分可以使所得到的三维六角梯形结构的侧面发射蓝光，而上表面发射比蓝光波长长的绿光(或者黄绿光、或者黄光)，同时也可改变间隙中混合量子点(混合量子点中包含着红色量子点)的配比，两者结合，得到三基色，并还可调节其发光波长与强度，使之能得到显指可调的无荧光粉单芯片白光led的结构，实现高显色性能，且此显指可调的无荧光粉单芯片白光led结构的制备方法简单，易于大规模制作。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。