一种白光LED的生长方法及利用该生长方法制备的白光LED

摘要

本发明提出一种白光LED的生长方法，本发明所述的方法是在传统的蓝绿光外延的生长方法的基础上利用GaP代替P型GaN，直接利用GaP的禁带宽度与量子阱蓝绿波长互相配合，达到直接生长出白光LED的目的，该方法简单实用。本发明还提供一种利用上述白光LED的生长方法制备的白光LED。本发明改变了传统的采用三基色与蓝光涂黄荧光粉的方法，通过改变外延生长结构，用GaP代替传统的P型GaN来实现，在MOCVD中比较简单易行；InGaN/GaN量子阱有源区发射的波长为480nm左右，部分光子穿过P型GaP时会激发P型GaP产生550nm左右的黄光，这部分黄光与蓝光互补，即可得到白光。本发明MQW多量子阱采用常规蓝绿光LED结构，采用低温GaP做P型，不会损坏量子阱，既可以得到白光，又可提高发光效率，简单实用。

权利要求

1.一种白光LED的生长方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

（1）首先采用常规的低温缓冲层生长方法在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层：即在MOCVD生长炉的反应室内、在500℃-600℃下生长20nm-60nm厚的GaN缓冲层；

GaN缓冲层生长后，把MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃ -1200℃，在所述GaN缓冲层上生长100nm-200nm厚的高温非掺杂GaN层；然后生长2μm-3μm厚的掺杂Si的GaN层，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19；

（2）把MOCVD生长炉的反应室内的生长温度调到700℃-800℃，在所述反应室内的载气改为氮气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓和三甲基铟生长MQW多量子阱，所述MQW多量子阱包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8-18个，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度150埃-250埃的GaN垒层；

（3）调整MOCVD生长炉的反应室内温度为900℃-1000℃，在所述生长MQW多量子阱上生长P型AlGaN层，生长厚度300埃-500埃；

（4）生长P型GaP层：将MOCVD生长炉的反应室内的反应气体变为PH3，调整所述反应室内的温度为700℃-800℃，依次通入磷烷，所述磷烷流量30-60L/min，通入磷烷的时间为30-

120秒，然后开始正式生长P型GaP层，通入三甲基镓，所述三甲基镓的流量为60-200sccm；

PH3的流量为30-100L/min；二茂镁的流量为100-500sccm，直至P型GaP层生长结束，P型GaP层的生长厚度为100-500nm；

所述的白光LED包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次生长有GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW多量子阱、P型AlGaN层和P型GaP层。

2.根据权利要求1所述的一种白光LED的生长方法，其特征在于，在步骤（2）中所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层。

3.根据权利要求1所述的白光LED的生长方法，其特征在于，所述N型GaN层为掺杂Si的GaN层，所述掺杂Si的GaN层的厚度2μm-3μm，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19。

4.根据权利要求1所述的白光LED的生长方法，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为

20nm-60nm；所述非掺杂GaN层的厚度为100nm-200nm。

5.根据权利要求1所述的白光LED的生长方法，其特征在于，所述MQW多量子阱包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8-18个，所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层。

6.根据权利要求1所述的白光LED的生长方法，其特征在于，所述P型AlGaN层的厚度为

300埃-500埃。

7.根据权利要求1所述的白光LED的生长方法，其特征在于，所述P型GaP层的厚度为

100-500nm。

说明书

一种白光LED的生长方法及利用该生长方法制备的白光LED

技术领域

[0001] 本发明涉及一种白光LED的生长方法及利用该生长方法制备的白光LED，本发明属于光电子的技术领域。

背景技术

[0002] 化合物半导体发光器件（LED）作为固体光源起源于20世纪60年代。1992年，第一只GaN基蓝色发光二极管问世；1994年GaN基蓝色LED进入实用化阶段。LED具有体积小、发光效率高、防爆、节能、使用寿命长等优点。高亮度GaN基发光二极管在大屏莫显示、车辆及交通、LCD光源、灯光装饰方面都有巨大的应用潜力。

[0003] 利用氮化物半导体实现全色白光发射系统一直是氮化物研究与应用的前沿热点。对于通常的蓝绿发光器件，利用氮化物多量子阱结构，只能实现高效率特定波长的光发射，这是器件有源区量子阱结构的特性所决定的。

[0004] 现阶段的白光LED是以美国发明专利US5998925公开的内容为主，是以蓝光LED芯片为基础，在芯片上面填充能激发555nm波长的YAG黄色荧光粉和透明脱水混合胶，蓝光LED激发荧光粉产生的黄光与蓝光互补，混合变成二波长的白光，但采用短波长去激发荧光粉这种方法荧光粉会损失一部分能量，并且如果采用紫光作为激发光源，假若封装得不好就会产生紫外泄漏，不利于使用者的身体健康。另这种方法还使得封装工艺变更复杂，增加白光LED的制作成本。如果采用红、绿、蓝三基色二极管芯片封装在一起这种方法制作白光LED，制作成本会更高。

[0005] 以GaN、InN、AlN为代表的三族氮化物属于直接带隙半导体材料，具有优良的光电特性，是制造短波长发光二极管(LED)、光电探测器中不可缺少的材料。GaN的带隙是3.4电子伏(eV)，InN的带隙是0.7eV，这两种材料对应的发光波长分别位于紫外和红外区域。以GaN和InN组成的合金材料InGaN作为LED的发光有源区，随着In组分的变化其发光波长可覆盖从紫外到红外全部波段。

[0006] 三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、碳化硅等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。由于和衬底的晶格失配及热失配很大，在蓝宝石衬底上生长GaN时都是采用两步生长法，即先在低温下生长一层低温GaN作为缓冲层，然后升高到1000摄氏度以上的高温生长GaN。因此现有的GaN基LED芯片的结构由下至上依次为衬底、低温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW层（多量子阱层）、P型AlGaN层和P型GaN层，衬底可以采用目前常用的蓝宝石衬底，外延生长方法最常用的还是MOCVD。

[0007] 由于过去在材料生长技术和材料物性的研究水平上的限制，利用半导体结构直接来实现白光LED的研究成果很少。最早的研究报告见于2002年由日本NICHIA公司提出报告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,pp.2463-2466后续此类研究少之又少。

[0008] 中国专利文件CN1641897A提出了一种白光LED的改良方法，本方法是利用蓝光LED芯片激发黄色与红色荧光粉的混合体，来制作白光LED，其他的一些白光LED也是致力于YAG黄色荧光粉中添加其他发光物质，此类方法并不能直接生长出白光LED，而是由蓝光LED去激发荧光粉来得到白光，后续工艺复杂且成本较高。

[0009] 中国专利文件CN102751403A提出一种特殊发光二极管的外延结构，即含有j个n-GaN/MQW/p-GaN结构（2≤j≤100）且n-GaN与p-GaN间通过MQW连接。此种方法生长工艺较复杂，nGaN在量子阱后生长容易破坏多量子阱（MQW），在一定程度上影响发光效率。

[0010] 中国专利文件CN102593290A公开一种白光LED外延片及其制作工艺以及白光LED芯片的制作方法，白光LED外延片在蓝宝石衬底上成型有GaN缓冲层，在缓冲层上依次成型有绿光N-GaN接触层、绿光InGaN/GaN多量子阱发光层、绿光P-GaN接触层、蓝绿光级联层、蓝光N-GaN接触层、蓝光InGaN/GaN多量子阱发光层、蓝光P-GaN接触层、红蓝光级联层、红光N-GaP电流扩展及欧姆接触层、红光N-AlGaInP过渡及下限制层、红光多量子阱AlGaInP发光层、红光P-AlGaInP上限制层、红光P-GaP电流扩展层、黄红光级联层、黄光N-GaP电流扩展及欧姆接触层、黄光N-AlGaInP过渡和下限制层、黄光多量子阱AlGaInP发光层、黄光P-AlGaInP上限制层及黄光P-GaP电流扩展层。该专利是三基色原理来得到白光，是利用红、绿、黄三个LED串联得到白光，这样会导致工作电压过高，导致功率转化效率低，且据现有技术空穴注入到绿光量子阱的效率非常低，导致绿光量子阱发光效率非常低，整体得到的白光效率也就非常低。

发明内容

[0011] 针对现有技术的不足，本发明提出一种白光LED的生长方法，本发明所述的方法是在传统的蓝绿光外延的生长方法的基础上利用GaP代替P型GaN，直接利用GaP的禁带宽度与量子阱蓝绿波长互相配合，达到直接生长出白光LED的目的，该方法简单实用。

[0012] 本发明还提供一种利用上述白光LED的生长方法制备的白光LED。

[0013] 发明概述

[0014] GaP的禁带宽度约2.26eV，对应的波长为550nm。GaP是间接带隙半导体，其带间复合概率较低，但是利用等电子陷阱所形成的束缚激子复合可获得相当高的发光效率。例如，往磷化镓掺氮，氮在晶格中占P位。氮、磷同属V族元素，是等电性的，只是氮原子外层电子比磷原子的少8个。这样，磷化镓晶格中P格点上的氮原子对电子的亲和力比磷原子的大而易于俘获电子，由于库仑力作用再俘获空穴形成所谓束缚激子。这就是等价电子所形成的等电子陷阱。它复合时，可产生有效的近带隙复合辐射。由于激子只包括电子空穴，不易把能量传给其他电子而产生俄歇过程，故等电子陷阱发光也可得到较高的发光效率。

[0015] 发明详述

[0016] 一种白光LED的生长方法，包括步骤如下：

[0017] （1）首先采用常规的低温缓冲层生长方法在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层：即在MOCVD生长炉的反应室内、在500℃-600℃下生长20nm-60nm厚的GaN缓冲层；

[0018] GaN缓冲层生长后，把MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃-1200℃，在所述GaN缓冲层上生长100nm-200nm厚的高温非掺杂GaN层；然后生长2μm-3μm厚的掺杂Si的GaN层，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19；

[0019] （2）把MOCVD生长炉的反应室内的生长温度调到700℃-800℃，在所述反应室内的载气改为氮气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓和三甲基铟生长MQW多量子阱，所述MQW多量子阱包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8-18个，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度150埃-250埃的GaN垒层；

[0020] （3）调整MOCVD生长炉的反应室内温度为900℃-1000℃，在所述生长MQW多量子阱上生长P型AlGaN层，生长厚度300埃-500埃；

[0021] （4）生长P型GaP层：将MOCVD生长炉的反应室内的反应气体变为PH3，调整所述反应室内的温度为700℃-800℃，依次通入磷烷，所述磷烷流量30-60L/min，通入磷烷的时间为30-120秒，然后开始正式生长P型GaP层，通入三甲基镓，所述三甲基镓的流量为60-
200sccm；PH3的流量为30-100L/min；二茂镁的流量为100-500sccm，直至P型GaP层生长结束，P型GaP层的生长厚度为100-500nm。

[0022] 根据本发明优选的，在步骤（2）中所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，所述在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层。

[0023] 一种利用上述白光LED的生长方法制备的白光LED，包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次生长有GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW多量子阱、P型AlGaN层和P型GaP层。

[0024] 根据本发明优选的，所述N型GaN层为掺杂Si的GaN层，所述掺杂Si的GaN层的厚度2μm-3μm，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19。

[0025] 根据本发明优选的，所述GaN缓冲层的厚度为20nm-60nm；所述非掺杂GaN层的厚度为100nm-200nm；

[0026] 所述MQW多量子阱包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8-18个，所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层；所述P型AlGaN层的厚度为300埃-500埃；所述P型GaP层的厚度为100-500nm。

[0027] 本发明的有益效果：

[0028] 本发明利用GaP代替P型GaN，仅通过外延生长即可得到白光LED：是在生长P型时通入三甲基镓，PH3、二茂镁(CP2Mg)掺杂源，生长厚度范围100-500nm。本发明改变了传统的采用三基色与蓝光涂黄荧光粉的方法，通过改变外延生长结构，用GaP代替传统的P型GaN来实现，在MOCVD中比较简单易行；InGaN/GaN量子阱有源区发射的波长为480nm左右，部分光子穿过P型GaP时会激发P型GaP产生550nm左右的黄光，这部分黄光与蓝光互补，即可得到白光。本发明利用蓝光量子阱来激发GaP得到黄绿光与蓝光混合来得到白光，工作电压低，功率转化效率高，得到白光效率高。本发明MQW多量子阱采用常规蓝绿光LED结构，采用低温GaP做P型，不会损坏量子阱，既可以得到白光，又可提高发光效率，简单实用。

附图说明

[0029] 图1是本发明的生长结构示意图；

[0030] 图1中,1、蓝宝石衬底；2、GaN缓冲层；3、非掺杂GaN层；4、N型GaN层；5、MQW多量子阱；6、P型AlGaN层；7、P型GaP层。

具体实施方式

[0031] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步说明，但不限于此。

[0032] 实施例1、

[0033] 一种白光LED的生长方法，包括步骤如下：

[0034] （1）首先采用常规的低温缓冲层生长方法在蓝宝石衬底1上生长低温GaN缓冲层2：即在MOCVD生长炉的反应室内、在500℃下生长20nm厚的GaN缓冲层2；

[0035] GaN缓冲层2生长后，把MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃，在所述GaN缓冲层2上生长100nm厚的高温非掺杂GaN层3；然后生长2μm厚的掺杂Si的GaN层，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19；

[0036] （2）把MOCVD生长炉的反应室内的生长温度调到700℃，在所述反应室内的载气改为氮气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓和三甲基铟生长MQW多量子阱5，所述MQW多量子阱5包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8个，所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，所述在所述MQW多量子阱5的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层；

[0037] （3）调整MOCVD生长炉的反应室内温度为900℃，在所述生长MQW多量子阱5上生长P型AlGaN层6，生长厚度300埃-500埃；

[0038] （4）生长P型GaP层7：将MOCVD生长炉的反应室内的反应气体变为PH3，调整所述反应室内的温度为700℃，依次通入磷烷，所述磷烷流量50L/min，通入磷烷的时间为30秒，然后开始正式生长P型GaP层，通入三甲基镓，所述三甲基镓的流量为100sccm；PH3的流量为50L/min；二茂镁的流量为400sccm，直至P型GaP层7生长结束，P型GaP层7的生长厚度为
100nm。

[0039] 实施例2、

[0040] 一种利用如实施例1所述白光LED的生长方法制备的白光LED，包括蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底1上依次生长有GaN缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、MQW多量子阱5、P型AlGaN层6和P型GaP层7。

[0041] 所述N型GaN层4为掺杂Si的GaN层，所述掺杂Si的GaN层的厚度2μm，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19。所述GaN缓冲层2的厚度为20nm；所述非掺杂GaN层3的厚度为100nm；所述MQW多量子阱5包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为8个，所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，在所述MQW多量子阱5的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层；所述P型AlGaN层6的厚度为300埃-500埃；所述P型GaP层7的厚度为100nm。

[0042] 实施例3、

[0043] 如实施例1所述的一种白光LED的生长方法，其区别在于：

[0044] 在所述步骤（1）中，采用常规的低温缓冲层生长方法在蓝宝石衬底1上生长低温GaN缓冲层2：即在MOCVD生长炉的反应室内、在600℃下生长60nm厚的GaN缓冲层2；

[0045] GaN缓冲层2生长后，把MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1200℃，在所述GaN缓冲层2上生长200nm厚的高温非掺杂GaN层3；

[0046] 在所述步骤（2）中，把MOCVD生长炉的反应室内的生长温度调到800℃，在所述反应室内的载气改为氮气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓和三甲基铟生长MQW多量子阱5，所述MQW多量子阱5包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为18个；

[0047] 在步骤（3）中，调整MOCVD生长炉的反应室内温度为1000℃，在所述生长MQW多量子阱5上生长P型AlGaN层6，生长厚度300埃-500埃；

[0048] 在步骤（4）中，生长P型GaP层7：将MOCVD生长炉的反应室内的反应气体变为PH3，调整所述反应室内的温度为700℃，依次通入磷烷，所述磷烷流量50L/min，通入磷烷的时间为30秒，然后开始正式生长P型GaP层，通入三甲基镓，所述三甲基镓的流量为100sccm；PH3为流量为50L/min，二茂镁的流量为400sccm，直至P型GaP层生长结束，P型GaP层7的生长厚度为500nm。

[0049] 实施例4、

[0050] 一种利用如实施例3所述白光LED的生长方法制备的白光LED，包括蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底1上依次生长有GaN缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、MQW多量子阱5、P型AlGaN层6、和P型GaP层7。

[0051] 所述N型GaN层4为掺杂Si的GaN层，所述掺杂Si的GaN层的厚度2μm，所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19。

[0052] 所述GaN缓冲层2的厚度为60nm；所述非掺杂GaN层3的厚度为200nm；所述MQW多量子阱5包括交替生长的GaN垒层和InGaN阱层，交替生长周期为18个，所述GaN垒层的厚度为100埃，所述InGaN阱层的厚度为30埃，在所述MQW多量子阱的最上层生长一层厚度200埃的GaN垒层；所述P型AlGaN层6的厚度为300埃-500埃；所述P型GaP层7的厚度为500nm。