白光發(fā)光二極管及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，具體為一種芯片級白光發(fā)光二極管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前采用LED實(shí)現(xiàn)白光光源的技術(shù)路線主要有如下幾種:第一種是采用紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED混合輸出白光，由于不同顏色的LED衰減速度不同，最終導(dǎo)致控制電路復(fù)雜且成本偏高;第二種是采用單基色LED搭配熒光粉實(shí)現(xiàn)白光輸出，如利用藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉，或者紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉，然而熒光粉的穩(wěn)定性及色溫的控制都是技術(shù)上的難點(diǎn)，同時對封裝工藝有較高要求。第三種是采用無熒光粉的單芯片實(shí)現(xiàn)白光，其有望克服以上各種技術(shù)的缺陷。
[0003]現(xiàn)有的無熒光粉單芯片白光技術(shù)主要有如下幾種。如中國專利文獻(xiàn)CN1741290A中公開一種藍(lán)光、黃光量子講堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED，在量子講有源區(qū)同時生長藍(lán)光和黃光量子講，電流注入后同時發(fā)出藍(lán)光和白光而實(shí)現(xiàn)白光輸出；但在不同電流下，藍(lán)光和黃光的發(fā)光比例較難控制，導(dǎo)致不同電流下色溫不一致;另外由于量子阱不是針對藍(lán)光而達(dá)到最優(yōu)化，最終會導(dǎo)致整體效率偏低。中國專利文獻(xiàn)CN102097554A中提到了另外一種單芯片白光技術(shù)，利用在藍(lán)光量子阱有源區(qū)下插入InGaN應(yīng)力調(diào)制層，使藍(lán)光量子阱中形成富含In的能發(fā)出黃光的量子點(diǎn)，電注入下量子阱發(fā)的藍(lán)光和量子點(diǎn)發(fā)出的黃光混合而輸出白光。但此種技術(shù)中量子點(diǎn)發(fā)光容易飽和，高電流注入下色溫很容易偏高，并且技術(shù)上也很難控制量子點(diǎn)的密度。中國專利文獻(xiàn)CN101556983A提到了另一種技術(shù)，其有源區(qū)能發(fā)出370-420nm近紫外光，在有源區(qū)下面有一層利用高密度缺陷實(shí)現(xiàn)的熒光層，在紫光激發(fā)下可發(fā)出黃光，與有源區(qū)發(fā)出的混合而實(shí)現(xiàn)白光。但此技術(shù)依賴于材料中的點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷發(fā)光容易在高電流下飽和，最終導(dǎo)致白光色溫隨注入電流增加而升高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種芯片級白光發(fā)光二極管，通過在正常的藍(lán)光有源層的上面或者下面加入量子講，利用藍(lán)光有源層發(fā)出的部分藍(lán)光激發(fā)量子講發(fā)出黃光，混合后形成白光，實(shí)現(xiàn)無熒光粉的白光芯片。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:白光發(fā)光二極管，包括空穴注入層、有源層和電子注入層，所述有源層具有兩個相對的表面，分別為出光面和背光面，在所述有源層的出光面之上設(shè)置一量子阱，在電注入下，所述有源層發(fā)射藍(lán)光，其發(fā)射出的藍(lán)光一部分穿過所述量子阱層向外射出，一部分激發(fā)所述量子講發(fā)出黃光，兩者混合后形成白光。
[0006]優(yōu)選的，通過調(diào)整所述量子阱的個數(shù)，調(diào)節(jié)黃光產(chǎn)生的比例，進(jìn)而調(diào)整白光的色溫O
[0007]優(yōu)選的，所述量子講的個數(shù)為3?10個。
[0008]優(yōu)選的，所述量子阱為InGaN/GaN、InGaN/InGaN、InGaN/AlGaN、或InGaN/AlInGaN。
[0009]優(yōu)選的，所述量子阱的皇層厚度為20?200nm，阱層的厚度為3?6nm。
[0010]優(yōu)選的，優(yōu)化所述有源層和量子阱的結(jié)構(gòu)，在電注入下使所述有源層發(fā)射出的藍(lán)光量達(dá)到極大值。
[0011 ]在第一個較佳實(shí)施例中，所述有源層的出光面鄰近所述電子注入層，所述量子阱位于所述有源層與電子注入層之間。進(jìn)一步的，所述有源層與量子阱之間還有一η型摻雜的勢皇層。更佳的，所述量子阱的勢皇層具有η型摻雜，其摻雜深度為5 X 117Cnf3?5 X 118Cm
-3
O
[0012]在另一些實(shí)施例中，所述有源層的出光面鄰近所述空穴注入層，所述有源層與量子阱之間還設(shè)置有一勢皇層。
[0013]例如本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，所述量子阱位于所述空穴注入層之上方，所述量子阱不摻雜，如此可獲得較高的黃光效率。
[0014]例如本發(fā)明的再一較佳實(shí)施例中，所述量子阱插入所述空穴注入層中。更佳的，所述量子阱具有P型摻雜，其摻雜濃度為5 X 118Cnf3?I X 1020cm"3o
[0015]例如本發(fā)明的再一較佳實(shí)施例中，所述空穴注入層和所述量子阱共用同一結(jié)構(gòu)，當(dāng)注入電時，所述空穴注入層一方面為所述有源層提供空穴傳輸，另一方面吸收來自有所述源層的光子，產(chǎn)生新的電子空穴對并發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)出黃光。
[0016]本發(fā)明還提供一種白光發(fā)光二極管的制作方法，提供一具有至少具有空穴注入層、有源層和電子注入層的外延結(jié)構(gòu)，所述有源層具有兩個相對的表面，分別為出光面和背光面，在所述有源層的出光面之上設(shè)置一量子阱，在電注入下所述有源層發(fā)射藍(lán)光，其發(fā)射出的藍(lán)光一部分穿過所述量子阱層向外射出，一部分激發(fā)所述量子阱發(fā)出黃光，兩者混合后形成白光。
[0017]在前述結(jié)構(gòu)中不需要熒光粉，通過調(diào)整量子阱個數(shù)可調(diào)節(jié)色溫，如對于冷白光LED，量子阱的個數(shù)可以為3~6個，對于暖白光LED，量子阱的個數(shù)可以為7?1個。
[0018]本發(fā)明之白光發(fā)光二極管直接采用發(fā)光效率高的藍(lán)光有源層搭配由光子激發(fā)的黃光量子阱，有源層結(jié)構(gòu)不改變，可以無縫轉(zhuǎn)移原有藍(lán)光技術(shù)，同時黃光量子阱的吸收轉(zhuǎn)化效率高、不易飽和，色溫不隨注入電流增大而偏離。
[0019]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。
【附圖說明】
[0020]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0021]圖1?2為根據(jù)本發(fā)明第一個較佳實(shí)施例白光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為根據(jù)本發(fā)明第二個較佳實(shí)施例白光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為根據(jù)本發(fā)明第三個較佳實(shí)施例白光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為根據(jù)本發(fā)明第四個較佳實(shí)施例白光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合示意圖對本發(fā)明的白光發(fā)光二極管及其制作方法進(jìn)行詳細(xì)的描述，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。
[0026]參看圖1，本發(fā)明第一個較佳實(shí)施例之白光發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，自下而上包括:襯底110、非摻雜氮化物層120、n型氮化物層(即電子注入層)130、黃光量子阱140、n型勢皇層150、有源層160、p型勢皇層170、p型氮化物層180(即空穴注入層)和P型接觸層190。其中，有源層160的發(fā)射波長為435nm?465nm，量子阱140對應(yīng)的發(fā)光峰值波長550-580nm。
[0027]參看圖2，為圖1所示的外延結(jié)構(gòu)制作成LED芯片的混光示意圖，其為倒裝結(jié)構(gòu)，光從η型氮化物層130—側(cè)射出。該結(jié)構(gòu)在電注入下，電激發(fā)有源層160發(fā)射藍(lán)光，發(fā)出的藍(lán)光從倒裝結(jié)構(gòu)或者垂直結(jié)構(gòu)芯片的襯底方向出射，其中一部分被上面的量子阱140吸收，量子阱吸收光子后，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的電子空穴對發(fā)生輻射復(fù)合產(chǎn)生黃光，黃光與穿透量子阱的藍(lán)光混合后，形成白光。通過調(diào)整黃光量子阱的個數(shù)，可以調(diào)節(jié)黃光產(chǎn)生的比例，進(jìn)而可以調(diào)整白光的色溫。例如對于冷白光LED，量子阱的個數(shù)可以為3~6個，對于暖白光LED，量子阱的個數(shù)可以為7?10個。
[0028]下面結(jié)合具體的制作方法對上述白光LED結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說明。
[0029]首先，提供襯底110，將襯底110放入MOCVD中升溫至1000-1200°C，在氫氣氛圍下處理3-10分鐘。襯底110的選取包括但不限于藍(lán)寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其表面結(jié)構(gòu)可為平面結(jié)構(gòu)或圖案化圖結(jié)構(gòu)。
[0030]接著，針對不同襯底，采用不同的緩沖層技術(shù)生長非摻雜氮化物層120，其厚度為2?5微米。
[0031]接著，生長1.5?4微米厚的氮化鎵，通入甲硅烷進(jìn)行摻雜，形成η型氮化物層130。
[0032]接著，在700-800°C環(huán)境下，生長3-10個周期的InGaN/GaN黃光量子阱140，其中每個周期內(nèi)InGaN的厚度范圍3?6nm，GaN的厚度范圍20?200nm。量子阱140對應(yīng)的發(fā)光峰值波長550?580nm，因此量子阱對應(yīng)的銦組份較高，高銦組分的量子阱內(nèi)銦組分不均勻，導(dǎo)致其對應(yīng)的發(fā)光波長展寬很大，可以從520nm—直擴(kuò)展到600nm以上。由于難于生長高質(zhì)量的高銦組分阱層，因此可加大隨后生長的皇層厚度以修復(fù)外延質(zhì)量，其較佳厚度為50?150nm。進(jìn)一步地，可在皇層中通入甲硅烷摻雜，從而整個量子阱結(jié)構(gòu)160也起到傳統(tǒng)藍(lán)光LED中淺阱的作用，可以釋放量子阱中的應(yīng)力，同時產(chǎn)生大量的V型缺陷結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其后續(xù)生長的有源層160空穴的注入。優(yōu)選的，皇層的摻雜濃度為5 X 117Cnf3?5 X 118Cnf3，更佳的，可取I X1018cm-3。
[0033]接著，生長GaN勢皇層150，其厚度10?lOOnm，優(yōu)選50nm，通入甲硅烷進(jìn)行摻雜，