[发明专利]背面出光的单芯片白光发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，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。

背景技术：

GaN基氮化物半导体在发光二极管(LED)，以其较高的理论光电转化效率和在恶劣工作条件下的稳定性，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。目前制备白光LED的方法主要有三种：1、通过LED红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光，其优点在于：效率高、色温可控、显色性较好，缺点是：三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。2、蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉。这种方法的优点是：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好；缺点是：一致性差、色温随角度变化。3、紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光，优点：显色性好、制备简单，缺点：目前，LED芯片效率较低，有紫外光泄漏问题，荧光粉温度稳定性问题有待解决。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。以上传统的GaN基白光LED在效率、寿命和色度等方面都各自有所欠缺，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在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匀。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种工艺简单，无需荧光粉，有较高光电转化效率的单芯片白光LED。

本发明的技术方案是：

一种背面出光的单芯片白光LED，包括一非掺杂GaN层、一蓝光有源层、一黄绿光光致荧光层、一n型欧姆接触层、一紫外光有源层和一p型欧姆接触层，依次层叠于双面抛光的蓝宝石衬底上，其中所述紫外光有源层是可发射紫外光波段(330nm～400nm)的量子阱，所述黄绿光光致荧光层是可在紫外光激发下发出黄绿色荧光(500nm～560nm)的非掺杂GaN层。

上述的黄绿光光致荧光层是利用GaN材料中Ga空位和氧掺杂替氮位配对可以被紫外光激发而发出黄绿光的特点而形成的，调节GaN的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2000-10000，或者降低生长温度至900-1000℃来大量引入上述缺陷。该黄绿光光致荧光层的厚度为100nm～1000nm。

上述蓝光有源层是周期数为1～10的蓝光多量子阱(MQW)，材料为In_xGa_1-xN/GaN，其中x＝0.15～0.2(发光波长为460nm～480nm)，每个周期中阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。

上述n型欧姆接触层通常为n型GaN层，厚度500nm～1000nm，例如掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

上述p型欧姆接触层通常为p型GaN层，厚度100nm～300nm，例如掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

上述紫外光有源层是周期数为5～10的发射紫外光波段的In_xGa^1-xN/GaN多量子阱，其中x＝0.05～0.1(发光波长为370nm～400nm)，或周期数为1～5的发射紫外光波段的Al_yGa^1-yN/GaN多量子阱，其中y＝0.05～0.2(发光波长为330nm～360nm)；每个周期中阱的厚度可为1nm～10nm，垒的厚度可为5nm～20nm。

本发明的单芯片白光LED利用紫外光对黄绿光和蓝光的较高的转化效率，紫外光有源层发射的紫外光可以被黄绿光光致荧光层所吸收，发射出黄绿色荧光，而穿过黄绿光光致荧光层的紫外光部分还可以被蓝光有源层吸收，进而激发蓝光，经过双面抛光的蓝宝石衬底另外一面出射。调节黄绿光光致荧光层的厚度和蓝光有源层的多量子阱的周期数，可以分别实现对黄绿光荧光和蓝光荧光的强度。以适当比例混合黄绿光荧光和蓝光多量子阱发出的蓝光荧光，可以得到白光发光，并可以在一定范围内调节白光的色温和显色指数。