一种单芯片白光发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单芯片白光ＬＥＤ及其制备方法，该ＬＥＤ包括依次叠加的光致荧光层、ｎ型欧姆接触层、有源层和ｐ型欧姆接触层，其中：有源层为可发射３７０－４２０ｎｍ的近紫外光波段的量子阱，光致荧光层是在近紫外光激发下发出黄绿荧光的非掺杂ＧａＮ层。所述光致荧光层是利用ＧａＮ材料中Ｇａ空位和氧掺杂替氮位配对可以被近紫外光激发而发出黄绿光的特点而形成的，通过在生长ＧａＮ层时提高氨气源的流量将Ⅴ／Ⅲ比提高至４０００－９０００，或者降低生长温度至９００－１０５０℃来大量引入上述缺陷。该ＬＥＤ器件只需单一芯片即可发出白色光，而且器件的制备工艺简单，无需荧光粉，寿命长，具有较高的光电转化效率。

Single chip white light LED and preparation method thereof

The invention discloses a single chip white LED and preparation method thereof, the LED includes a fluorescent layer, N type ohmic contact layer, active layer and P type ohmic contact layer, caused by overlapping of light quantum well active layer which can transmit 370 420nm near ultraviolet band, photoluminescence layer the undoped GaN layer emits yellow green fluorescence in the near ultraviolet excitation. The photoluminescence layer is matched for nitrogen can be excited by near UV features a yellow green light formed by GaN material Ga doped by oxygen vacancies and, when growing GaN layer increase the source of ammonia flow V / III ratio increased to 4000 - 9000, or lower growth temperature to 9001050 C to introduce a large number of the above defects. The LED device needs only a single chip to emit white light, and the device has the advantages of simple preparation process, no fluorescent powder, long service life and high photoelectric conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)
，尤其涉及一种GaN基单芯片白光发光二极管(LED)器件及其制备方法。
技术介绍
GaN基氮化物半导体发光二极管(LED)，以其较高的理论光电转化效率和日益成熟的制备工艺，得到了科研领域以及工商业的广泛重视，引起了人们极大的兴趣。目前制备得到的GaN基LED,通常在紫外和可见光波段发光，常见的有紫光、蓝光、绿光和琥珀色LED。这些种类的LED发光波长单一，应用的场合也比较有限。近年来，随着人们环保意识的逐步提高，绿色照明这一新的概念逐渐被人们所接受。寻找一种效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器，成为科研领域的又一新的课题。传统的通过荧光粉下转换实现白光的GaN基白光LED在效率、寿命和色度等多方面的欠缺，令其在大规模商业化方面受到限制。目前，国内外的许多研究机构都在研制无需荧光粉的单芯片白光LED，它可以提高器件的效率、延长寿命和使色度更均匀。如中国专利申请公开说明书CN1700484A报道的方法就可制备得到无荧光粉的白光LED,但是，这种方法的一个缺点就是工艺比较复杂，需要单独制备发光层。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种工艺简单，无需荧光粉，具有较高光电转化效率的单芯片白光LED。本专利技术的技术方案是一种单芯片白光LED，包括一n型欧姆接触层、 一有源层和一p型欧姆接触层，其特征在于还包括一光致荧光层，所述光致荧光层、n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层依次叠加，其中所述有源层为可发射370nm-420nm的近紫外光波段的量子阱，所述光致荧光层是在近紫外光激发下可发出黄绿荧光的非掺杂GaN层。上述的光致荧光层是利用GaN材料中Ga空位和氧掺杂替氮位配对可以被近紫外光激发而发出黄绿光的特点而形成的，调节生长条件可以引入这样的缺陷，生长出可被激发出黄绿荧光的非掺杂GaN层。具体途径可通过在生长GaN层时提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例(V/III比)提高至4000-9000，或者降低生长温度至卯0-1050。C来大量引入上述缺陷，所获得的光致荧光层的厚度为500nm 1000nm。上述n型欧姆接触层可为掺杂Si的GaN层，厚度400 nm 1000nm。上述p型欧姆接触层可为掺杂Mg的GaN层，厚度100nm 500nm。上述有源层为InxGat-xN/GaN材料的量子阱，其中X=0.05 0.18，发射370nm-420nm的近紫外光波段。所述量子阱为多量子阱，其周期数为1 20。在量子阱的每个周期中，阱的厚度可为lnm 5nm之间，垒的厚度可为6nm 20nm之间。本专利技术的另一个目的在于提供一种上述单芯片白光LED的制备方法，包括以下步骤1) 采用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD)生长一层非掺GaN薄膜；2) 在非掺GaN薄膜上生长可由近紫外光激发出黄绿荧光的非掺杂GaN层作为光致荧光层，具体方法是在生长GaN层时通过提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例(V/m比)提高至4000-卯00，或者降低生长温度至900-1050。C来引入缺陷；3) 在光致荧光层上生长n型欧姆接触层；4) 在n型欧姆接触层上生长可发射近紫外光波段(370 nm-420nm)的量子阱作为有源层；5) 在有源层上生长p型欧姆接触层。上述步骤l)非掺GaN薄膜一般的生长方法是氢气氛下，在1100。C 115(TC下高温烘烤衬底5 15分钟，降温至45(TC 55(TC氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温GaN成核层25nm，然后升温到100(TC 110(TC生长约1000nm厚的非掺GaN薄膜。上述步骤2)利用GaN材料中Ga空位和氧掺杂替氮位配对可以被近紫外光激发而发出黄绿光的特点，通过特殊工艺生长带缺陷的GaN层，从而获得可由近紫外光激发出黄绿荧光的GaN层。此层厚度约为500 1000nm。上述步骤3)可用硅垸作掺杂剂生长n型GaN层，厚度为400 1000nm，其中Si的掺杂浓度为1 X 1018cm-3 l X 102Qcm-3。上述步骤4)以InxGai.xN/GaN为材料生长多量子阱，其中X=0.05 0.18，所述多量子阱周期数为1 20。上述量子阱的每个周期中，阱的厚度可为lnm 5nm之间，垒的厚度可为6nm 20nm之间。上述步骤5 )可用二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂生长p型GaN层，厚度范围为100-500nm ，其中Mg的掺杂浓度范围为1 X 1017cm3 l X 1019cm'3。本专利技术通过在常规的GaN基LED中插入一层可以通过近紫外光激发高强度黄绿光的光致荧光层，使得MQWs中发射的近紫外光可以被荧光层所吸收，发射出黄绿色荧光。这样，通过荧光转换得到的黄绿光和少量的紫光混合得到白光。这种方法利既利用了荧光层发光又免去了在LED制备过程外单独制作荧光层的复杂工艺。采用这一特殊方法所得LED器件的CIE色坐标如图2所示，样品可以发出紫色和黄绿色两种波段的辐射光，这两种光混合后得到白光。本专利技术制备所得的LED器件只需单一芯片即可发出白色光，而且器件的制备工艺简单，无需荧光粉，寿命长，具有较高的光电转化效率，是一种理想的替代现有的白炽灯和荧光灯等照明光源的新产品。附图说明图1是本专利技术的LED的器件结构示意图。图2是本专利技术的LED器件的C正色坐标图具体实施例方式下面结合附图，通过具体实施例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。实施例1:本实施例制备得到的单芯片白光LED结构如图1所示，蓝宝石衬底1之上依次为缓冲层2、非掺GaN层3、非掺GaN光致荧光层4、 n型欧姆接触层5、有源层6和p型欧姆接触层7。其制备过程如下1. 用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用(0001)面的蓝宝石衬底，先在110(TC下加热15min，清洁衬底，然后降温到55(TC氮化，以每小时300nm的生长速度生长GaN缓冲层2，厚度为25nm;2. 在步骤1的基础上，把温度升高到1040°C，以每小时1800nm的生长速度生长非掺杂GaN层3，厚度为1000nm;3. 在步骤2的基础上，把温度保持在1040°C, NH3流量为10slm，三甲基镓(TMGa)流量为35sccm生长可由近紫外光激发出高强度黄绿光的带缺陷的非掺GaN光致荧光层4;4. 在步骤3的基础上把温度保持在104(TC，用硅烷作掺杂剂，以每小时1800nm的生长速度生长n型欧姆接触层5，此层为常规掺Si的GaN层，Si的掺杂浓度为1 X1019cm—3，厚度为500nm;5. 在步骤4的基础上把温度降为700 90(TC左右，生长LED的有源层6，其中包括5个量子阱InxGaLxN/GaN(2nm/8nm)，厚度为50nm，得到的发光波长是385nm;6. 在步骤5的基础上把温度升至IOO(TC左右，用二茂镁(Cp2Mg)作掺杂剂，生长LED的p型欧姆接触层7，此层为常规掺Mg的GaN层，掺杂浓度为1 X 1018cm—3，厚度为200nm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片白光发光二极管，包括一ｎ型欧姆接触层、一有源层和一ｐ型欧姆接触层，其特征在于，还包括一光致荧光层，所述光致荧光层、ｎ型欧姆接触层、有源层和ｐ型欧姆接触层依次叠加，其中：所述有源层为可发射３７０ｎｍ－４２０ｎｍ的近紫外光波段的量子阱，所述光致荧光层是在近紫外光激发下可发出黄绿荧光的非掺杂ＧａＮ层。

【技术特征摘要】
1.一种单芯片白光发光二极管，包括一n型欧姆接触层、一有源层和一p型欧姆接触层，其特征在于，还包括一光致荧光层，所述光致荧光层、n型欧姆接触层、有源层和p型欧姆接触层依次叠加，其中所述有源层为可发射370nm-420nm的近紫外光波段的量子阱，所述光致荧光层是在近紫外光激发下可发出黄绿荧光的非掺杂GaN层。2. 如权利要求1所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述光致荧光层是通过在 生长GaN层时提高氨气源的流量将五族源和三族源的比例提高至4000-9000，或者降低 生长温度至900-1050。C引入缺陷而得到的非掺杂GaN层。3. 如权利要求1或2所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述光致荧光层的厚 度为500 nm 1000nm。4. 如权利要求1或2所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述n型欧姆接触层 为掺杂Si的GaN层，厚度400nm 1000nm。5. 如权利要求1或2所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述p型欧姆接触层 为掺杂Mg的GaN层，厚度100nm 500nm。6. 如权利要求1或2所述的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述有源层为 InxGai.xN/GaN量子阱，其中X=0.05 0.18。7. 如权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志坚，方浩，陶岳彬，桑立雯，李丁，张国义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]