一种白光发光二极管外延结构
阅读：598发布：2021-06-08
专利汇可以提供一种白光发光二极管外延结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种白光发光 二极管 外延 结构，所述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。本实用新型外延结构自身可发出白光，不需要添加 荧光 粉。此外，本实用新型外延结构制作而成的LED芯片的响应时间快、使用寿命时间长。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种白光发光二极管外延结构专利的具体信息内容。
1.一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，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，所述蓝光量子阱层和黄光量子阱层具有InGaN制成。
3.如权利要求2所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，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)。
4.如权利要求1所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为
1～5μm，所述P型GaN层的厚度为10～100nm。
6.如权利要求1所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，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。
7.如权利要求1所述的白光发光二极管外延结构，其特征在于，所述阻挡层为P型AlGaN层。
一种白光发光二极管外延结构
技术领域
背景技术
[0002] LED(Light Emitting Diode，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。
[0003] 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。发明内容
[0004] 本实用新型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。
[0005] 本实用新型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。
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型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。
[0007] 作为上述方案的改进，所述蓝光量子阱层和黄光量子阱层具有InGaN制成。
[0008] 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)。
[0009] 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。
[0010] 作为上述方案的改进，所述N型GaN层的厚度为1～5μm，所述P型GaN层的厚度为10～100nm。
[0011] 作为上述方案的改进，所述阻挡层为P型AlGaN层。
[0012] 实施本实用新型，具有如下有益效果：
[0013] 本实用新型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。本实用新型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。
[0014] 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，本实用新型外延结构制成的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，本实用新型的为ns级。附图说明
[0015] 图1是本实用新型外延结构的示意图；
[0016] 图2是本实用新型量子阱结构的示意图；
[0017] 图3是本实用新型量子阱结构的能带示意图；
[0018] 图4是本实用新型实施例1的芯片的发光图谱。
具体实施方式
[0019] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
[0020] 参见图1，本实用新型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。
[0021] 参见图2和图3，本实用新型的有源层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。
[0022] 本实用新型外延结构发出的黄光波长为550～600nm、蓝光波长为400～480nm，本实用新型外延结构发出的蓝光和黄光组合形成白光。采用本实用新型外延结构形成的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，本实用新型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。
[0023] 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，本实用新型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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 本实用新型的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。
[0031] 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，本实用新型在蓝宝石衬底和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。
[0032] 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。
[0033] 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，
[0034] 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。
[0035] 相应地，本实用新型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：
[0036] 一、对衬底进行预处理；
[0037] 为了能够形成晶体质量好的外延结构，本实用新型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。
[0038] 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；
[0039] 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。
[0040] 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；
[0041] 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。
[0042] 四、重复步骤(三)若干次；
[0043] 优选的，重复步骤(三)6～10次。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 下面将以具体实施例来阐述本实用新型
[0048] 实施例1
[0049] 一种白光发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：
[0050] 一、在1050℃、反应腔压力在1000mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底10min；
[0051] 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；
[0052] 升高温度到1050℃，反应腔压力维持在300mbar，生长3μm的不掺杂GaN层；
[0053] 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；
[0054] 降低温度到850℃，生长6个周期的InGaN/GaN应力释放层；
[0055] 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；
[0056] 四、重复步骤(三)8次；
[0057] 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；
[0058] 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。
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