[发明专利]一种无荧光粉单芯片GaN基发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种无荧光粉单芯片GaN基发光二极管及其制备方法。

背景技术

以GaN为代表的III族氮化物半导体材料具有优良的光电特性和稳定的物化特性。目前以GaN材料制作发光二极管已经被广泛应用于白光半导体照明。GaN基发光二极管用于白光照明具有效率高，寿命长的优势，目前实现GaN基LED白光照明主要有三种方式：

1.采用GaN基蓝光发光二极管激发黄色荧光粉发出白光；

2.采用GaN基红，蓝，绿三基色发光二极管混合发出白光；

3.采用GaN基紫外发光二极管激发混合荧光粉产发出白光。

这三种方式都不是单芯片实现白光照明。现在应用最广泛的方法是第1种。它的缺点包括：1)LED的显色性不好，显色指数只有60～70，很难满足室内照明的需求；2)采用荧光粉实现下转换会造成效率的损失；3)荧光粉的不稳定也是影响LED可靠性和寿命的重要因素之一。

发明内容

为克服现有GaN基发光二极管显色性差、发光效率低等缺陷，本发明的目的是提供一种无荧光粉单芯片GaN基发光二极管

上述发光二极管包括衬底材料，以及在衬底材料上依次外延生长的缓冲层、n型GaN体材料、有源区、p型AlGaN阻挡层及p型GaN接触层；其中，所述有源区由蓝光量子阱、绿光量子阱或量子点层、以及红光量子点层组成。

所述有源区按照光源颜色不同分为三个区，三个区依次生长在n型GaN体材料上形成有源区，其中，三个光源区的生长顺序不受限制。

上述有源区单色光量子阱的个数为1～10个，单色光量子点层数为1～10层。

所述量子点层为InGaN量子点以及其上外延的GaN盖层组成的复合层，所述量子点的横向、纵向尺寸为1～40nm，优选10～30nm，所述GaN盖层的厚度为10～100nm。

量子阱为InGaN/GaN量子阱，InGaN阱厚度为1～20nm，GaN垒的厚度为1～100nm，优选5～50nm。

所述蓝光量子阱的In组分按质量为10～30％，发光波长为410～480nm；所述绿光量子阱或量子点层的In组分按质量为20～50％，发光波长为480～570nm；所述红光量子点层的In组分按质量为30～60％，发光波长为620～760nm。

所述衬底材料为蓝宝石、Si或SiC衬底；所述衬底材料的尺寸为2～12英寸，晶面为(001)，(111)或(110)晶面。

所述缓冲层为AlN、GaN或AlGaN缓冲层，厚度为10～100nm。

所述n型GaN体材料厚度为10nm～100μm，优选200nm～10μm，电子浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

所述p型AlGaN阻挡层按照质量Al的组分为5～50％，优选10～30％，厚度为10～100nm，空穴浓度为10¹⁵～10¹⁹cm^-3。

所述p型GaN接触层厚度为10nm～2μm，优选100nm～1μm，空穴浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

本发明还相应地提供了上述技术方案所述无荧光粉单芯片GaN基发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底材料上依次外延生长缓冲层和n型GaN体材料；

(2)在n型GaN体材料上不限顺序地外延生长蓝光量子阱、绿光量子阱或量子点层、以及红光量子点层形成有源区；

(3)在有源区上依次外延生长p型AlGaN阻挡层及p型GaN接触层。

步骤(2)所述的不限顺序为蓝、绿、红三种颜色的有源区在外延生长时的顺序不受限制，并且不会对二极管的发光及显色性能产生影响。所述顺序可以是n型GaN体材料→蓝→绿→红→阻挡层，或蓝→红→绿，或绿→红→蓝等任意顺序组合。

所述外延生长方法有分子束外延法(MBE)、氢化物气相外延法(HVPE)或金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)。

所述金属有机源为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)，氮源为氨气(NH₃)，金属有机源的载气为氢气(H₂)或氮气(N₂)。

所述衬底材料使用前用氢气进行高温清洗，温度为1000～1500℃，反应室压强为100～500mbar。