申请/专利权人：佛山市国星半导体技术有限公司

申请日：2019-06-26

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN110350057B

主分类号：H01L33/06

分类号：H01L33/06;H01L33/12;H01L33/14;H01L33/32;H01L33/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.11.12#实质审查的生效;2019.10.18#公开

摘要：本发明公开了一种白光发光二极管外延结构及其制作方法，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。本发明外延结构自身可发出白光，不需要添加荧光粉。此外，本发明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。

主权项：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6~10个周期的量子阱结构，所述量子阱结构为依次堆叠的蓝光量子阱层、黄光量子阱层和GaN量子垒层，所述蓝光量子阱层为InxGa1-xN，所述黄光量子阱层为InyGa1-yN，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），所述外延结构在预设驱动电流下激发出黄光和蓝光；其中，0.1≤x≤0.3，0.4≤y≤0.5；所述N型GaN层中Si掺杂浓度为1E18~3E19cm-3，厚度为1~5μm；所述P型GaN层中Mg掺杂浓度为1E18~1E22cm-3，厚度为10~100nm；所述应力释放层包括若干个周期的InGaNGaN，InGaN的厚度小于10nm，GaN的厚度小于10nm；所述阻挡层为P型AlGaN层，所述P型AlGaN层中Al掺杂浓度为1E18~1E22cm-3，Mg掺杂浓度为1E18~2E22cm-3。

全文数据：一种白光发光二极管外延结构及其制作方法技术领域本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种白光发光二极管外延结构及其制作方法。背景技术LEDLightEmittingDiode，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。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。发明内容本发明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。本发明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。本发明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的制作方法，工艺简单。为了解决上述技术问题，本发明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。作为上述方案的改进，所述蓝光量子阱层为InxGa1-xN0.1≤x≤0.3，所述黄光量子阱层为InyGa1-yN0.4≤y≤0.5。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。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。作为上述方案的改进，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。作为上述方案的改进，所述应力释放层包括若干个周期的InGaNGaN，InGaN的厚度小于10nm，GaN的厚度小于10nm。作为上述方案的改进，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。相应地，本发明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：一、对衬底进行预处理；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；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；四、重复步骤三若干次；五、完成步骤四后，依次形成阻挡层和P型GaN层。作为上述方案的改进，在完成步骤二之后，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-xN0.1≤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-yN0.4≤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。作为上述方案的改进，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InGaNGaN应力释放层；在完成步骤四后，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。实施本发明，具有如下有益效果：本发明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。本发明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。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，本发明外延结构制成的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，本发明的为ns级。附图说明图1是本发明外延结构的示意图；图2是本发明量子阱结构的示意图；图3是本发明量子阱结构的能带示意图；图4是本发明实施例1的芯片的发光图谱。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。参见图1，本发明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。参见图2和图3，本发明的有源层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。本发明外延结构发出的黄光波长为550～600nm、蓝光波长为400～480nm，本发明外延结构发出的蓝光和黄光组合形成白光。采用本发明外延结构形成的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，本发明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。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，本发明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。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。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。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。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。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。具体的，所述蓝光量子阱层为InxGa1-xN0.1≤x≤0.3，所述黄光量子阱层为InyGa1-yN0.4≤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。本发明的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。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，本发明在蓝宝石衬底和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。所述应力释放层包括若干个周期的InGaNGaN，InGaN的厚度小于10nm，GaN的厚度小于10nm。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，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。相应地，本发明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：一、对衬底进行预处理；为了能够形成晶体质量好的外延结构，本发明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。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；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InGaNGaN应力释放层。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；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-xN0.1≤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-yN0.4≤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。四、重复步骤三若干次；优选的，重复步骤三6～10次。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。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。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。下面将以具体实施例来阐述本发明实施例1一种白光发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：一、在1050℃、反应腔压力在1000mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底10min；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；升高温度到1050℃，反应腔压力维持在300mbar，生长3μm的不掺杂GaN层；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；降低温度到850℃，生长6个周期的InGaNGaN应力释放层；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-xNx＝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-yNy＝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；四、重复步骤三8次；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；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。将实施例1的外延结构制作成尺寸为10mil*28mil的芯粒，研磨后蓝宝石衬底保留150微米，将芯粒进行无荧光粉封装，在150mA电流驱动下测试其发光光谱，如图4所示，左边的波峰为蓝光量子阱层发射，右边波峰为黄光量子阱层发射，其响应时间在ns级。以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

权利要求：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，所述蓝光量子阱层为InxGa1-xN0.1≤x≤0.3，所述黄光量子阱层为InyGa1-yN0.4≤y≤0.5。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。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InGaNGaN，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，所述P型AlGaN层中Al掺杂浓度为1E18～1E22，Mg掺杂浓度为1E18～2E22。8.如权利要求1-7任一项所述的白光发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：一、对衬底进行预处理；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；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；四、重复步骤三若干次；五、完成步骤四后，依次形成阻挡层和P型GaN层。9.如权利要求8所述的白光发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，在完成步骤二之后，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-xN0.1≤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-yN0.4≤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。10.如权利要求8所述的白光发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，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InGaNGaN应力释放层；在完成步骤四后，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。

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