一种白光发光二极管外延结构及其制作方法与流程

本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种白光发光二极管外延结构及其制作方法。

背景技术：

led(lightemittingdiode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，led芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。

目前，白色发光二极管主要采用蓝光led芯片和黄色荧光粉，由蓝光和黄光两色互补得到白光，或用蓝光led芯片配合红色和绿色荧光粉，由芯片发出的蓝光、荧光粉发出的红光和绿光三色混合获得白光。但荧光粉的使用在一定程度上延长了白光led芯片的响应时间，对一些特殊的应用造成影响。另外，随着使用时间的推移，荧光粉容易出现稳定性问题导致白光led发光颜色发生变化，致使荧光粉激发型白光led芯片真正使用远远小于gan机发光二极管的理论寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种白光发光二极管外延结构，外延结构自身可发出白光，不需要添加荧光粉。

本发明还要解决的技术问题在于，白光发光二极管的响应时间快、使用寿命时间长。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种白光发光二极管外延结构的制作方法，工艺简单。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种白光发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、n型gan层、应力释放层、有源层、阻挡层和p型gan层，所述有源层包括若干个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括若干个蓝光量子阱层、若干个黄光量子阱层和一个gan量子垒层，所述外延结构在预设驱动电流下激发出黄光和蓝光。

作为上述方案的改进，所述蓝光量子阱层为inxga1-xn(0.1≤x≤0.3)，所述黄光量子阱层为inyga1-yn(0.4≤y≤0.5)。

作为上述方案的改进，蓝光量子阱层的厚度与黄光量子阱层的厚度比例为(1:5)～(5:1)。

作为上述方案的改进，所述有源层包括6～10个周期的量子阱结构，所述量子阱结构依次包括蓝光量子阱层、黄光量子阱层和gan量子垒层。

作为上述方案的改进，所述n型gan层中si掺杂浓度为1e18～3e19，厚度为1～5μm；所述p型gan层中mg掺杂浓度为1e18～1e22，厚度为10～100nm。

作为上述方案的改进，所述应力释放层包括若干个周期的ingan/gan，ingan的厚度小于10nm，gan的厚度小于10nm。

作为上述方案的改进，所述阻挡层为p型algan层，所述p型algan层中al掺杂浓度为1e18～1e22，mg掺杂浓度为1e18～2e22。

相应地，本发明还提供了一种白光发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：

一、对衬底进行预处理；

二、在步骤(一)获得的衬底上依次形成缓冲层、n型gan层和应力释放层；

三、完成步骤(二)后，在应力释放层上形成量子阱结构，所述量子阱结构包括若干个蓝光量子阱层、若干个黄光量子阱层和一个gan量子垒层；

四、重复步骤(三)若干次；

五、完成步骤(四)后，依次形成阻挡层和p型gan层。

作为上述方案的改进，在完成步骤(二)之后，将温度调整为600～900℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为1～6nm的inxga1-xn(0.1≤x≤0.3)蓝光量子阱层；将温度调整为600～900℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为1～6nm的inyga1-yn(0.4≤y≤0.5)黄光量子阱层；将温度调整为700～1000℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为10～100nm的gan量子垒层。

作为上述方案的改进，在完成步骤(一)之后，将温度降低到500～900℃，反应腔压力维持在500～700mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为10～100nm的gan层；升高温度到900～1200℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长1～5μm的不掺杂gan层；在相同条件下，通入si源，生长n型gan层，si掺杂浓度为1e18～3e19，厚度为1～5μm；降低温度到600～1000℃，生长若干个周期的ingan/gan应力释放层；在完成步骤(四)后，将温度调整为700～1000℃，反应腔压力维持在180～220mbar，通入al源和mg源，生长厚度为30～60nm的p型algan层，al掺杂浓度为1e18～1e22，mg掺杂浓度为1e18～2e22；将温度调整为800～1000℃，反应腔压力维持在180～220mbar，通入mg源，生长厚度为10～100nm的p型gan层，mg掺杂浓度为1e18～1e22。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的一种白光发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、n型gan层、应力释放层、有源层、阻挡层和p型gan层，所述有源层包括若干个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括若干个蓝光量子阱层、若干个黄光量子阱层和一个gan量子垒层，所述外延结构在预设驱动电流下激发出黄光和蓝光。本发明外延结构发出的蓝光和黄光可组合形成白光，在后续的封装工艺中，并不需要荧光粉，可直接发出白光。

此外，与传统的蓝光(或紫光)激发荧光粉制备白光led芯片相比，本发明外延结构制成的led芯片反应时间短、使用寿命长，其应用范围更广阔。具体的，现有芯片的反应时间为ms级，本发明的为ns级。

附图说明

图1是本发明外延结构的示意图；

图2是本发明量子阱结构的示意图；

图3是本发明量子阱结构的能带示意图；

图4是本发明实施例1的芯片的发光图谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，本发明提供的一种白光发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底10、缓冲层20、n型gan层30、应力释放层40、有源层50、阻挡层60和p型gan层70。

参见图2和图3，本发明的有源层50包括若干个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括若干个蓝光量子阱层51、若干个黄光量子阱层52和一个gan量子垒层53，所述外延结构在预设驱动电流下激发出黄光和蓝光。

本发明外延结构发出的黄光波长为550～600nm、蓝光波长为400～480nm，本发明外延结构发出的蓝光和黄光组合形成白光。采用本发明外延结构形成的led芯片，在后续的封装工艺中，并不需要荧光粉，可直接发出白光。需要说明的是，本发明外延结构需要在特定的驱动电流下才能发出蓝光和黄光，优选的，驱动电流要大于20ma，若驱动电流小于20ma，则芯片只能发出黄光。随着电流增大，黄光量子阱层的电子空穴对趋于饱和，其他电子空穴对会在蓝光量子阱内复合发射蓝光。优选的，驱动电流为20～500ma。具体的，驱动电流为120ma、130ma、140ma、150ma、160ma、170ma和180ma。

为了使芯片能够发出均匀的白光，需要调整蓝光和黄光的光通量比例。具体的，本发明通过调整蓝光量子阱层和黄光量子阱层的厚度来实现。优选的，蓝光量子阱层的厚度与黄光量子阱层的厚度比例为(1:5)～(5:1)。具体的，蓝光量子阱层的厚度与黄光量子阱层的厚度比例为1:5、2:5、3:5、1:1、3:1、4:1或5:1。

具体的，所述蓝光量子阱层的厚度为1～6nm，所述黄光量子阱层的厚度为1～6nm，所述gan量子垒层的厚度为2～20nm。

优选的，所述蓝光量子阱层的厚度为2～4nm，所述黄光量子阱层的厚度为2～4nm，所述gan量子垒层的厚度为5～10nm。

更优的，所述蓝光量子阱层的厚度为2nm，所述黄光量子阱层的厚度为24nm，所述gan量子垒层的厚度为10nm。

由于空穴相对电子的迁移率低、寿命短，外延结构发光主要集中在靠近p型gan层的3～4个量子阱结构内，过多周期数量子阱结构不仅不能提高亮度，反而导致量子阱质量变差(量子阱的生长温度相对较低)，影响亮度。gan量子垒层中的gan和量子阱层中的ingan存在晶格失配，过少的周期数导致应力释放不完全，gan量子垒层能带倾斜严重，不能有效将电子空穴限制在量子阱内，从而影响亮度。

优选的，所述有源层包括6～10个周期的量子阱结构，所述量子阱结构依次包括一个黄光量子阱层、一个蓝光量子阱层和一个gan量子垒层。

具体的，所述蓝光量子阱层为inxga1-xn(0.1≤x≤0.3)，所述黄光量子阱层为inyga1-yn(0.4≤y≤0.5)。量子阱层中in组分是波长控制的主要因素，x、y对外延结构的波长起着重要的作用。优选的，inxga1-xn中，x＝0.1～0.3；inyga1-yn中，y＝0.4～0.5。x＝0.1～0.3时对应的发光波长为400～480nm，y＝0.4～0.5时对应的发光波长为550-600nm。更优的，inxga1-xn中，x＝0.24；inyga1-yn中，y＝0.45。

本发明的n型gan层用于提供电子，p型gan层用于提供空穴。为了提高外延结构的出光效率，所述n型gan层中si掺杂浓度为1e18～3e19，厚度为1～5μm；所述p型gan层中mg掺杂浓度为1e18～1e22，厚度为10～100nm。

由于蓝宝石衬底和n型gan层之间的晶格失配较大，为了提高外延层的晶体质量，减少晶格失配，本发明在蓝宝石衬底和n型gan层之间设置了缓冲层。优选的，所述缓冲层为低温形成的gan层，厚度为10～100nm。

所述应力释放层包括若干个周期的ingan/gan，ingan的厚度小于10nm，gan的厚度小于10nm。

n型gan层和量子阱层之间存在晶格失配，应力释放层的加入起到过渡作用，保证后续量子阱垒的晶体质量。优选的，

所述阻挡层为p型algan层，所述p型algan层中al掺杂浓度为1e18～1e22，mg掺杂浓度为1e18～2e22。优选的，所述阻挡层的厚度为30～60nm。

相应地，本发明还提供了一种白光发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：

一、对衬底进行预处理；

为了能够形成晶体质量好的外延结构，本发明需要采用高温高压和特殊气体来处理衬底。具体的，在1000～1100℃、反应腔压力在100～1000mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底8～15min。

二、在步骤(一)获得的衬底上依次形成缓冲层、n型gan层和应力释放层；

具体的，在完成步骤(一)之后，将温度降低到500～900℃，反应腔压力维持在500～700mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为10～100nm的gan层；升高温度到900～1200℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长1～5μm的不掺杂gan层；在相同条件下，通入si源，生长n型gan层，si掺杂浓度为1e18～3e19，厚度为1～5μm；降低温度到600～1000℃，生长若干个周期的ingan/gan应力释放层。

三、完成步骤(二)后，在应力释放层上形成量子阱结构，所述量子阱结构包括若干个蓝光量子阱层、若干个黄光量子阱层和一个gan量子垒层；

具体的，将温度调整为600～900℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为1～6nm的inxga1-xn(0.1≤x≤0.3)蓝光量子阱层；将温度调整为600～900℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为1～6nm的inyga1-yn(0.4≤y≤0.5)黄光量子阱层；将温度调整为700～1000℃，反应腔压力维持在250～350mbar，生长厚度为10～100nm的gan量子垒层。

四、重复步骤(三)若干次；

优选的，重复步骤(三)6～10次。

五、完成步骤(四)后，在量子阱结构上依次形成阻挡层和p型gan层。

具体的，完成步骤(四)后，将温度调整为700～1000℃，反应腔压力维持在180～220mbar，通入al源和mg源，生长厚度为30～60nm的p型algan层，al掺杂浓度为1e18～1e22，mg掺杂浓度为1e18～2e22；将温度调整为800～1000℃，反应腔压力维持在180～220mbar，通入mg源，生长厚度为10～100nm的p型gan层，mg掺杂浓度为1e18～1e22。

需要说明的是，在完成步骤(五)之后，还包括以下步骤：最后降温至700～800℃，通入mg源，生长厚度为2～4nm的接触层，mg掺杂浓度为1e18～1e22退火20分钟，接着炉内冷却。接触层的作用是降低外延结构表面与芯片电极的接触电阻，能有效降低芯片电压，提高光效。

下面将以具体实施例来阐述本发明

实施例1

一种白光发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：

一、在1050℃、反应腔压力在1000mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底10min；

二、在完成步骤(一)之后，将温度降低到550℃，反应腔压力维持在600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为40nm的gan层；

升高温度到1050℃，反应腔压力维持在300mbar，生长3μm的不掺杂gan层；

在相同条件下，通入si源，生长厚度为3nm的n型gan层，si掺杂浓度为1e19；

降低温度到850℃，生长6个周期的ingan/gan应力释放层；

三、完成步骤(二)后，将温度调整为750℃，反应腔压力维持在300mbar，生长厚度为2nm的inxga1-xn(x＝0.24)蓝光量子阱层；将温度调整为700℃，反应腔压力维持在300mbar，生长厚度为2nm的inyga1-yn(y＝0.45)黄光量子阱层；将温度调整为800℃，反应腔压力维持在300mbar，生长厚度为10的gan量子垒层；

四、重复步骤(三)8次；

五、完成步骤(四)后，将温度调整为900℃，反应腔压力维持在200mbar，通入al源和mg源，生长厚度为40nm的p型algan层，al掺杂浓度为2e20，mg掺杂浓度为5e19；将温度调整为950℃，反应腔压力维持在200mbar，通入mg源，生长厚度为40nm的p型gan层，mg掺杂浓度为5e19；

最后降温至750℃，通入mg源，生长厚度为3nm的接触层，mg掺杂浓度为1e18～1e22，退火20分钟，接着炉内冷却。

将实施例1的外延结构制作成尺寸为10mil*28mil的芯粒，研磨后蓝宝石衬底保留150微米，将芯粒进行无荧光粉封装，在150ma电流驱动下测试其发光光谱，如图4所示，左边的波峰为蓝光量子阱层发射，右边波峰为黄光量子阱层发射，其响应时间在ns级。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。