本发明专利技术涉及半导体照明领域和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，涉及一种GaN基单芯片白光发光二极管，包括一GaN成核层、一n型GaN层缓冲层、一InGaN插入层、一有源层、一GaN隔离层、一p型欧姆接触层，依次层叠于C面蓝宝石衬底上。本发明专利技术同时提供了该种发光二极管的制备方法。本发明专利技术的单芯片白光LED，具有无需荧光粉，外延工艺和器件结构都很简单，成本较低，光电转化效率较高的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体照明领域和金属有机化学气相沉积(MOCVD)
，尤其涉 及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
随着GaN基材料外延技术的不断进步，高亮度的绿光、蓝光以及更短波长的发光 二极管(LED)的性能取得了长足的进步，商品化的可见光波段LED已经覆盖了从红光到 紫外波段的范围。目前实现白光发光二极管的解决方案主要有三种。一是在1997年由 Nakamura等人实现的利用GaN基蓝色LED管芯加少量钇铝石榴石为主的荧光粉，使发射的 蓝光一部分激发荧光粉发出黄光，与蓝光混合的方法产生白光。二是采用红、绿、蓝三基色 LED芯片组或三基色LED管组合在一起，混合后发出白光。这种办法得到的白光具有色域 宽，色调、色温调整灵活等优点，但由于红绿蓝三种LED的光衰特性不一致，随着使用时间 的增加，三色的混合比例会变化，显色指数会相应变化，而且此方案的驱动电路比较复杂成 本高。三是在2001年由Kafmarm等人采用紫外LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生 多色光混合成白光。这种方法得到的白光具有色温适合，色坐标接近标准值以及显色指数 较高等优点，但其最大的难点在于获得高转换效率的三色荧光粉，特别是高效红色荧光粉， 而且还有紫外光泄漏和荧光粉测试稳定性等问题。以上传统的GaN基白光LED在效率、寿命和色度等方面都各有所欠缺，令其在大规 模商业化方面受到限制。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。目前，国内外的许多研究机构都研制无需荧光粉的单芯片白光LED 以提高器件的效率、延长寿命和使色度更均勻。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；如中国专利申请公开说明书CN101556983A报道的方法只需单一芯片 即可发出白光，但需要非掺GaN光致荧光层，这样就会增加成本并降低可靠性；如中国专利 申请公开说明书CN101582418A报道的方法可制备电注入调控三基色单芯片白光LED，但这 种方法用的外延材料的层数太多，还需要用到5个电极，外延和芯片加工艺都比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无需荧光粉，外延工艺和器件结构都很简单，成本较 低，光电转化效率较高的单芯片白光LED。本专利技术所采用的技术方案是一种GaN基单芯片白光发光二极管，包括一 GaN成核层、一 η型GaN层缓冲层、一 InGaN插入层、一有源层、一 GaN隔离层、一 ρ型欧姆接触层，依次层叠于C面蓝宝石衬底上。作为优选实施方式，所述的有源层为hGaN/GaN多量子阱层，其周期数为3 10， 在量子阱的每个周期中，InGaN的厚度为2 5nm之间，GaN的厚度可为15 25nm之间；所 述的GaN成核层和η型GaN层缓冲层，分别为衬底温度维持在450 550°C，生长20 50nm 厚的GaN成核层以及衬底温度升高到1000 1200°C生长2 4 μ m厚的η型GaN缓冲层；所述的GaN隔离层为8 20nm厚的GaN层；所述的ρ型欧姆接触层为掺Mg的GaN层，厚度 在 150 300nm。本专利技术同时给出一种上述GaN基单芯片白光发光二极管的制备方法，包括下列步 骤(1)在530°C温度下，以三甲基镓和氨气为源，在C面蓝宝石衬底上C生长20 50nm厚的GaN成核层；(2)将温度升高到1040°C，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，生长掺Si GaN缓冲层，厚 度为2 4μ ;(3)在840°C下，生长厚度为200 240nm的hGaN插入层；(4)生长3 10个周期的hGaN/GaN多量子阱，InGaN的生长温度控制在720°C， 生长厚度为2 5nm，GaN的生长温度则控制在820°C，生长厚度为15 25nm之间。(5)保持温度在820°C以上，生长GaN隔离层，其厚度为8 20nm ；(6)在900°C生长掺Mg的GaN层，厚度在150 300nm。本专利技术的单芯片白光LED是在普通GaN基LED基础上增加InGaN插入层，由于 InGaN插入层弛豫度不同，在InGaN量子阱中发生组分的相分离，形成了大量的富量 子点和低h组分局域态。InGaN/GaN多量子阱中富h量子点发出黄光，而量子阱中其他 低h组分区域发出蓝光，从而发出混合后的白光。通过改变化6鄉插入层的厚度，改变其 弛豫度，不同的弛豫度在InGaN量子阱中会发生组分的相分离的程度不同，可以改变白 光LED的发光品质，从而实现了利用InGaN插入层对白光LED的光品质调制，使其色坐标从 单一光变化到混合光白光。附图说明图1是本专利技术的单芯片白光LED器件的结构示意图。图2是本专利技术的单芯片白光LED器件在20mA注入电流下的光谱图。具体实施例方式下面结合附图，通过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。本专利技术的单芯片白光LED器件结构如图1所示，C面(0001)蓝宝石衬底1之上依 次为GaN成核层2、η型GaN缓冲层3、InGaN插入层4、有源层5、GaN隔离层6、ρ型GaN欧 姆接触层7。其中InGaN插入层为在840°C下制得的生长厚度为200 MOnm的InGaN层， 其作用是提高LED的内量子效应，并产生^组分的相分离。有源层为hGaN/GaN多量子阱层，其周期数为3 10，在量子阱的每个周期中， InGaN的厚度可为2 5nm之间，GaN的厚度可为15 25nm之间。GaN成核层和缓冲层采用两步生长法，先低温成核再高温生长。首先，衬底温度维 持在450 550°C，生长20 50nm厚的GaN成核层，接着衬底温度升高到1000 1200°C 生长2 4 μ m厚的GaN缓冲层。GaN隔离层为8 20nm厚的GaN层。ρ型欧姆接触层可为掺Mg的GaN层，厚度在150 300nm。本专利技术的一个实施例的制备过程如下1.用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用蓝宝石(OOOl)C 面衬底。首先，C面蓝宝石衬底在氢气中加热到1180°C，并保持10分钟以获得洁净的衬底 表面，然后降温到530°C，并以三甲基镓(TMGa)和高纯度氨气(NH3)为源，生长30nm厚的 GaN成核层2 ；2.在步骤1的基础上，把温度升高到1040°C，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，生长掺 Si GaN缓冲层3，此层为常规掺Si的GaN层，掺杂浓度为5\1018(^_3，厚度为3口!11;3.在步骤2的基础上，把温度下降到840°C，用三甲基铟(TMIn)作为h源，生长 InGaN插入层4，其厚度为220nm ；4.在步骤3的基础上，在InGaN插入层4上生长四个周期的hGaN/GaN多量子阱 5，InGaN的生长温度控制在720°C，生长厚度为3nm，而GaN的生长温度则控制在820°C，生 长厚度为18nm ；5.在步骤4的基础上，继续保持温度820°C，生长GaN隔离层6，其厚度为IOnm ；6.在步骤5的基础上，把温度升至900°C左右，以二茂基镁(Cp2Mg)作为掺杂剂， 生长LED器件的ρ型欧姆接触层7，此层为掺Mg的GaN层，掺杂浓度为1 X 1019c本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＧａＮ基单芯片白光发光二极管，包括一ＧａＮ成核层、一ｎ型ＧａＮ层缓冲层、一ＩｎＧａＮ插入层、一有源层、一ＧａＮ隔离层、一ｐ型欧姆接触层，依次层叠于Ｃ面蓝宝石衬底上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付贤松，牛萍娟，李晓云，田海涛，张建新，于莉媛，杨广华，高铁成，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：12
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