一種白光le；d的生長方法及利用該生長方法制備的白光led的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種白光LED的生長方法，本發(fā)明所述的方法是在傳統(tǒng)的藍綠光外延的生長方法的基礎上利用GaP代替P型GaN，直接利用GaP的禁帶寬度與量子阱藍綠波長互相配合，達到直接生長出白光LED的目的，該方法簡單實用。本發(fā)明還提供一種利用上述白光LED的生長方法制備的白光LED。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的采用三基色與藍光涂黃熒光粉的方法，通過改變外延生長結(jié)構(gòu)，用GaP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的P型GaN來實現(xiàn)，在M0CVD中比較簡單易行；InGaN/GaN量子阱有源區(qū)發(fā)射的波長為480nm左右，部分光子穿過P型GaP時會激發(fā)P型GaP產(chǎn)生550mn左右的黃光，這部分黃光與藍光互補，即可得到白光。本發(fā)明MQW多量子阱采用常規(guī)藍綠光LED結(jié)構(gòu)，采用低溫GaP做P型，不會損壞量子阱，既可以得到白光，又可提高發(fā)光效率，簡單實用。
【專利說明】一種白光LED的生長方法及利用該生長方法制備的白光 LED

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種白光LED的生長方法及利用該生長方法制備的白光LED，本發(fā)明 屬于光電子的【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 化合物半導體發(fā)光器件（LED)作為固體光源起源于20世紀60年代。1992年，第 一只GaN基藍色發(fā)光二極管問世；1994年GaN基藍色LED進入實用化階段。LED具有體積 小、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長等優(yōu)點。高亮度GaN基發(fā)光二極管在大屏莫顯示、 車輛及交通、LCD光源、燈光裝飾方面都有巨大的應用潛力。
[0003] 利用氮化物半導體實現(xiàn)全色白光發(fā)射系統(tǒng)一直是氮化物研究與應用的前沿熱點。 對于通常的藍綠發(fā)光器件，利用氮化物多量子阱結(jié)構(gòu)，只能實現(xiàn)高效率特定波長的光發(fā)射， 這是器件有源區(qū)量子阱結(jié)構(gòu)的特性所決定的。
[0004] 現(xiàn)階段的白光LED是以美國發(fā)明專利US5998925公開的內(nèi)容為主，是以藍光LED 芯片為基礎，在芯片上面填充能激發(fā)555nm波長的YAG黃色熒光粉和透明脫水混合膠，藍光 LED激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的黃光與藍光互補，混合變成二波長的白光，但采用短波長去激發(fā)熒光 粉這種方法熒光粉會損失一部分能量，并且如果采用紫光作為激發(fā)光源，假若封裝得不好 就會產(chǎn)生紫外泄漏，不利于使用者的身體健康。另這種方法還使得封裝工藝變更復雜，增加 白光LED的制作成本。如果采用紅、綠、藍三基色二極管芯片封裝在一起這種方法制作白光 LED，制作成本會更高。
[0005] 以GaN、ΙηΝ、Α1Ν為代表的三族氮化物屬于直接帶隙半導體材料，具有優(yōu)良的光電 特性，是制造短波長發(fā)光二極管（LED)、光電探測器中不可缺少的材料。GaN的帶隙是3. 4電 子伏（eV)，InN的帶隙是0.7eV，這兩種材料對應的發(fā)光波長分別位于紫外和紅外區(qū)域。以 GaN和InN組成的合金材料InGaN作為LED的發(fā)光有源區(qū)，隨著In組分的變化其發(fā)光波長 可覆蓋從紫外到紅外全部波段。
[0006] 三族氮化物都是異質(zhì)外延在其他材料上，常用的襯底有藍寶石、碳化硅等，常用的 外延方法有金屬有機物化學氣相沉積（M0CVD)。由于和襯底的晶格失配及熱失配很大，在 藍寶石襯底上生長GaN時都是采用兩步生長法，即先在低溫下生長一層低溫GaN作為緩沖 層，然后升高到1000攝氏度以上的高溫生長GaN。因此現(xiàn)有的GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)由下 至上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、高溫非摻雜GaN層、N型GaN層、MQW層（多量子阱層)、P 型AlGaN層和P型GaN層，襯底可以采用目前常用的藍寶石襯底，外延生長方法最常用的還 是 M0CVD。
[0007] 由于過去在材料生長技術和材料物性的研究水平上的限制，利用半導體結(jié)構(gòu)直接 來實現(xiàn)白光LED的研究成果很少。最早的研究報告見于2002年由日本NICHIA公司提出 ?艮告 M. Yamada，Y. Narukawa，and T.Mukai， "Phosphor Free High-Luminous-Efficiency Whitelight-Emitting DiodesComposed of InGaN Multi-Quantum Well Light-Emitting diodes"，Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 45, No. 4A, 2006, ρρ· 2463-2466 后續(xù)此類研究少之又少。
[0008] 中國專利文件CN1641897A提出了一種白光LED的改良方法，本方法是利用藍光 LED芯片激發(fā)黃色與紅色熒光粉的混合體，來制作白光LED，其他的一些白光LED也是致力 于YAG黃色熒光粉中添加其他發(fā)光物質(zhì)，此類方法并不能直接生長出白光LED，而是由藍光 LED去激發(fā)熒光粉來得到白光，后續(xù)工藝復雜且成本較高。
[0009] 中國專利文件CN102751403A提出一種特殊發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，即含有j個 n-GaN/MQW/p-GaN結(jié)構(gòu)（2彡j彡100)且n-GaN與p-GaN間通過MQW連接。此種方法生長 工藝較復雜，nGaN在量子阱后生長容易破壞多量子阱(MQW)，在一定程度上影響發(fā)光效率。
[0010] 中國專利文件CN102593290A公開一種白光LED外延片及其制作工藝以及白光LED 芯片的制作方法，白光LED外延片在藍寶石襯底上成型有GaN緩沖層，在緩沖層上依次成型 有綠光N-GaN接觸層、綠光InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、綠光P-GaN接觸層、藍綠光級聯(lián)層、 藍光N-GaN接觸層、藍光InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、藍光P-GaN接觸層、紅藍光級聯(lián)層、紅 光N-GaP電流擴展及歐姆接觸層、紅光N-AlGalnP過渡及下限制層、紅光多量子阱AlGalnP 發(fā)光層、紅光P-AlGalnP上限制層、紅光P-GaP電流擴展層、黃紅光級聯(lián)層、黃光N-GaP電流 擴展及歐姆接觸層、黃光N-AlGalnP過渡和下限制層、黃光多量子阱AlGalnP發(fā)光層、黃光 P-AlGalnP上限制層及黃光P-GaP電流擴展層。該專利是三基色原理來得到白光，是利用 紅、綠、黃三個LED串聯(lián)得到白光，這樣會導致工作電壓過高，導致功率轉(zhuǎn)化效率低，且據(jù)現(xiàn) 有技術空穴注入到綠光量子阱的效率非常低，導致綠光量子阱發(fā)光效率非常低，整體得到 的白光效率也就非常低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種白光LED的生長方法，本發(fā)明所述的方法 是在傳統(tǒng)的藍綠光外延的生長方法的基礎上利用GaP代替P型GaN，直接利用GaP的禁帶寬 度與量子阱藍綠波長互相配合，達到直接生長出白光LED的目的，該方法簡單實用。
[0012] 本發(fā)明還提供一種利用上述白光LED的生長方法制備的白光LED。
[0013] 發(fā)明概述
[0014] GaP的禁帶寬度約2. 26eV，對應的波長為550nm。GaP是間接帶隙半導體，其帶間 復合概率較低，但是利用等電子陷阱所形成的束縛激子復合可獲得相當高的發(fā)光效率。例 如，往磷化鎵摻氮，氮在晶格中占 P位。氮、磷同屬V族元素，是等電性的，只是氮原子外層 電子比磷原子的少8個。這樣，磷化鎵晶格中P格點上的氮原子對電子的親和力比磷原子 的大而易于俘獲電子，由于庫侖力作用再俘獲空穴形成所謂束縛激子。這就是等價電子所 形成的等電子陷阱。它復合時，可產(chǎn)生有效的近帶隙復合輻射。由于激子只包括電子空穴， 不易把能量傳給其他電子而產(chǎn)生俄歇過程，故等電子陷阱發(fā)光也可得到較高的發(fā)光效率。
[0015] 發(fā)明詳述
[0016] 一種白光LED的生長方法，包括步驟如下：
[0017] (1)首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層： 即在M0CVD生長爐的反應室內(nèi)、在500°C _600°C下生長20nm-60nm厚的GaN緩沖層；
[0018] GaN緩沖層生長后，把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度升高到1000°C -1200°C，在所 述GaN緩沖層上生長100nm-200nm厚的高溫非摻雜GaN層；然后生長2 μ m-3 μ m厚的摻雜 Si的GaN層，所述Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19 ;
[0019] (2)把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的生長溫度調(diào)到700°C -800°C，在所述反應室內(nèi) 的載氣改為氮氣，以氨氣作為反應氣體，通入三乙基鎵和三甲基銦生長MQW多量子阱，所述 MQW多量子阱包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為8-18個，在所述MQW 多量子阱的最上層生長一層厚度150埃-250埃的GaN壘層；
[0020] (3)調(diào)整M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度為900°C -1000°C，在所述生長MQW多量子 阱上生長P型AlGaN層，生長厚度300埃-500埃；
[0021] (4)生長P型GaP層：將M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的反應氣體變?yōu)镻H3，調(diào)整所述 反應室內(nèi)的溫度為700°C _800°C，依次通入磷烷，所述磷烷流量30-60L/min，通入磷烷的 時間為30-120秒，然后開始正式生長P型GaP層，通入三甲基鎵，所述三甲基鎵的流量為 60-200sccm ;PH3的流量為30-100L/min ;二茂鎂的流量為100-500sccm，直至P型GaP層生 長結(jié)束，P型GaP層的生長厚度為100-500nm。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟（2)中所述GaN壘層的厚度為100埃，所述InGaN阱層 的厚度為30埃，所述在所述MQW多量子阱的最上層生長一層厚度200埃的GaN壘層。
[0023] -種利用上述白光LED的生長方法制備的白光LED，包括藍寶石襯底，在藍寶石襯 底上依次生長有GaN緩沖層、非摻雜GaN層、N型GaN層、MQW多量子阱、P型AlGaN層和P 型GaP層。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述N型GaN層為摻雜Si的GaN層，所述摻雜Si的GaN層的 厚度2μπι-3μπι，所述Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述GaN緩沖層的厚度為20nm-60nm ;所述非摻雜GaN層的厚 度為 100nm-200nm ;
[0026] 所述MQW多量子阱包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為8-18 個，所述GaN壘層的厚度為100埃，所述InGaN阱層的厚度為30埃，在所述MQW多量子阱的 最上層生長一層厚度200埃的GaN壘層；所述P型AlGaN層的厚度為300埃-500埃；所述 P型GaP層的厚度為100-500nm。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：
[0028] 本發(fā)明利用GaP代替P型GaN，僅通過外延生長即可得到白光LED :是在生長P型 時通入三甲基鎵，PH3、二茂鎂（CP2Mg)摻雜源，生長厚度范圍100-500nm。本發(fā)明改變了傳 統(tǒng)的采用三基色與藍光涂黃熒光粉的方法，通過改變外延生長結(jié)構(gòu)，用GaP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的P型 GaN來實現(xiàn)，在M0CVD中比較簡單易行；InGaN/GaN量子阱有源區(qū)發(fā)射的波長為480nm左右， 部分光子穿過P型GaP時會激發(fā)P型GaP產(chǎn)生550nm左右的黃光，這部分黃光與藍光互補， 即可得到白光。本發(fā)明利用藍光量子阱來激發(fā)GaP得到黃綠光與藍光混合來得到白光，工 作電壓低，功率轉(zhuǎn)化效率高，得到白光效率高。本發(fā)明MQW多量子阱采用常規(guī)藍綠光LED結(jié) 構(gòu)，采用低溫GaP做P型，不會損壞量子阱，既可以得到白光，又可提高發(fā)光效率，簡單實用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的生長結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖1中，1、藍寶石襯底；2、GaN緩沖層；3、非摻雜GaN層；4、N型GaN層；5、MQW多 量子阱；6、P型AlGaN層；7、P型GaP層。

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限于此。
[0032] 實施例1、
[0033] -種白光LED的生長方法，包括步驟如下：
[0034] (1)首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在藍寶石襯底1上生長低溫GaN緩沖層 2 :即在M0CVD生長爐的反應室內(nèi)、在500°C下生長20nm厚的GaN緩沖層2 ;
[0035] GaN緩沖層2生長后，把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度升高到1000°C，在所述GaN 緩沖層2上生長100nm厚的高溫非摻雜GaN層3 ;然后生長2 μ m厚的摻雜Si的GaN層，所 述Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19 ;
[0036] (2)把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的生長溫度調(diào)到700°C，在所述反應室內(nèi)的載氣改 為氮氣，以氨氣作為反應氣體，通入三乙基鎵和三甲基銦生長MQW多量子阱5,所述MQW多量 子阱5包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為8個，所述GaN壘層的厚度 為100埃，所述InGaN阱層的厚度為30埃，所述在所述MQW多量子阱5的最上層生長一層 厚度200埃的GaN壘層；
[0037] (3)調(diào)整M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度為900°C，在所述生長MQW多量子阱5上生 長P型AlGaN層6,生長厚度300埃-500埃；
[0038] (4)生長P型GaP層7 :將M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的反應氣體變?yōu)镻H3，調(diào)整所述 反應室內(nèi)的溫度為700°C，依次通入磷烷，所述磷烷流量50L/min，通入磷烷的時間為30秒， 然后開始正式生長P型GaP層，通入三甲基鎵，所述三甲基鎵的流量為10〇 SCCm;PH3的流量 為50L/min ;二茂鎂的流量為40〇SCCm，直至P型GaP層7生長結(jié)束，P型GaP層7的生長厚 度為lOOnm。
[0039] 實施例2、
[0040] 一種利用如實施例1所述白光LED的生長方法制備的白光LED，包括藍寶石襯底 1，在藍寶石襯底1上依次生長有GaN緩沖層2、非摻雜GaN層3、N型GaN層4、MQW多量子 阱5、P型AlGaN層6和P型GaP層7。
[0041] 所述N型GaN層4為摻雜Si的GaN層，所述摻雜Si的GaN層的厚度2 μ m，所述 Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19。所述GaN緩沖層2的厚度為20nm ;所述非摻雜GaN 層3的厚度為lOOnm ;所述MQW多量子阱5包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生 長周期為8個，所述GaN壘層的厚度為100埃，所述InGaN阱層的厚度為30埃，在所述MQW 多量子阱5的最上層生長一層厚度200埃的GaN壘層；所述P型AlGaN層6的厚度為300 埃-500埃；所述P型GaP層7的厚度為lOOnm。
[0042] 實施例3、
[0043] 如實施例1所述的一種白光LED的生長方法，其區(qū)別在于：
[0044] 在所述步驟（1)中，采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在藍寶石襯底1上生長低溫 GaN緩沖層2 :即在M0CVD生長爐的反應室內(nèi)、在600°C下生長60nm厚的GaN緩沖層2 ;
[0045] GaN緩沖層2生長后，把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度升高到1200°C，在所述GaN 緩沖層2上生長200nm厚的高溫非摻雜GaN層3 ;
[0046] 在所述步驟（2)中，把M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的生長溫度調(diào)到800°C，在所述反 應室內(nèi)的載氣改為氮氣，以氨氣作為反應氣體，通入三乙基鎵和三甲基銦生長MQW多量子 阱5,所述MQW多量子阱5包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為18個；
[0047] 在步驟（3)中，調(diào)整M0CVD生長爐的反應室內(nèi)溫度為1000°C，在所述生長MQW多量 子阱5上生長P型AlGaN層6,生長厚度300埃-500埃；
[0048] 在步驟（4)中，生長P型GaP層7 :將M0CVD生長爐的反應室內(nèi)的反應氣體變?yōu)镻H3， 調(diào)整所述反應室內(nèi)的溫度為700°C，依次通入磷烷，所述磷烷流量50L/min，通入磷烷的時 間為30秒，然后開始正式生長P型GaP層，通入三甲基鎵，所述三甲基鎵的流量為lOOsccm ; PH3為流量為50L/min，二茂鎂的流量為40〇SCCm，直至P型GaP層生長結(jié)束，P型GaP層7的 生長厚度為500nm。
[0049] 實施例4、
[0050] -種利用如實施例3所述白光LED的生長方法制備的白光LED，包括藍寶石襯底 1，在藍寶石襯底1上依次生長有GaN緩沖層2、非摻雜GaN層3、N型GaN層4、MQW多量子 阱5、P型AlGaN層6、和P型GaP層7。
[0051] 所述N型GaN層4為摻雜Si的GaN層，所述摻雜Si的GaN層的厚度2 μ m，所述 Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19。
[0052] 所述GaN緩沖層2的厚度為60nm ;所述非摻雜GaN層3的厚度為200nm ;所述MQW 多量子阱5包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為18個，所述GaN壘層 的厚度為1〇〇埃，所述InGaN阱層的厚度為30埃，在所述MQW多量子阱的最上層生長一層 厚度200埃的GaN壘層；所述P型AlGaN層6的厚度為300埃-500埃；所述P型GaP層7 的厚度為500nm。
【權(quán)利要求】
1. 一種白光LED的生長方法，其特征在于，該方法包括步驟如下： (1) 首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層：即在 MOCVD生長爐的反應室內(nèi)、在500°C _600°C下生長20nm-60nm厚的GaN緩沖層； GaN緩沖層生長后，把MOCVD生長爐的反應室內(nèi)溫度升高到1000°C -1200°C，在所述 GaN緩沖層上生長100nm-200nm厚的高溫非摻雜GaN層；然后生長2 μ m-3 μ m厚的摻雜Si 的GaN層，所述Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19 ; (2) 把MOCVD生長爐的反應室內(nèi)的生長溫度調(diào)到700°C _800°C，在所述反應室內(nèi)的載氣 改為氮氣，以氨氣作為反應氣體，通入三乙基鎵和三甲基銦生長MQW多量子阱，所述MQW多 量子阱包括交替生長的GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為8-18個，在所述MQW多量 子阱的最上層生長一層厚度150埃-250埃的GaN壘層； (3) 調(diào)整MOCVD生長爐的反應室內(nèi)溫度為900°C -1000°C，在所述生長MQW多量子阱上 生長P型AlGaN層，生長厚度300埃-500埃； (4) 生長P型GaP層：將MOCVD生長爐的反應室內(nèi)的反應氣體變?yōu)镻H3，調(diào)整所述反 應室內(nèi)的溫度為700°C _800°C，依次通入磷烷，所述磷烷流量30-60L/min，通入磷烷的時 間為30-120秒，然后開始正式生長P型GaP層，通入三甲基鎵，所述三甲基鎵的流量為 60-200sccm ;PH3的流量為30-100L/min ;二茂鎂的流量為100-500sccm，直至P型GaP層生 長結(jié)束，P型GaP層的生長厚度為100-500nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種白光LED的生長方法，其特征在于，在步驟（2)中所述 GaN壘層的厚度為100埃，所述InGaN阱層的厚度為30埃，所述在所述MQW多量子阱的最上 層生長一層厚度200埃的GaN壘層。
3. -種利用如權(quán)利要求1所述白光LED的生長方法制備的白光LED，其特征在于，所述 的白光LED包括藍寶石襯底，在藍寶石襯底上依次生長有GaN緩沖層、非摻雜GaN層、N型 GaN層、MQW多量子阱、P型AlGaN層和P型GaP層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的白光LED，其特征在于，所述N型GaN層為摻雜Si的GaN層， 所述摻雜Si的GaN層的厚度2 μ m-3 μ m，所述Si的摻雜深度范圍是：1E18到5E19。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的白光LED，其特征在于，所述GaN緩沖層的厚度為20nm-60nm ; 所述非摻雜GaN層的厚度為100nm-200nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的白光LED，其特征在于，所述MQW多量子阱包括交替生長的 GaN壘層和InGaN阱層，交替生長周期為8-18個，所述GaN壘層的厚度為100埃，所述InGaN 阱層的厚度為30埃，在所述MQW多量子阱的最上層生長一層厚度200埃的GaN壘層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的白光LED，其特征在于，所述P型AlGaN層的厚度為300 埃-500埃。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的白光LED，其特征在于，所述P型GaP層的厚度為100-500nm。
【文檔編號】H01L33/02GK104218125SQ201310214341
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】李毓鋒, 徐明升, 曲爽, 馬旺, 王成新 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司