[发明专利]GaN基双蓝光波长发光器件及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体地说，涉及一种GaN基双蓝光波长发光器件及其制备方法。

背景技术

发光二极管是一种半导体固体光源，它具有体积小、低耗能、低电压驱动、响应速度快、寿命长、结构牢固、抗冲击和抗震能力强、有利于环保等众多优点。在照明、显示、指示等方面具有非常广的应用前景，因此LED将成为21世纪替代传统照明器件的新光源。

GaN基LED制备经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。GaN材料生长方法有很多，譬如：金属有机化学气相外延（MOCVD）、分子束外延（MBE）、卤化物气相外延（HVPE）等。目前，MOCVD是目前唯一能制备GaN基高亮度LED外延片并用于规模化生产的生长技术。现有的GaN基LED外延片均在生长p-GaN层前，先生长一层薄的p-AlGaN电子阻挡层以防止大电流下更多的电子溢流。但是p-AlGaN层存在的问题主要表现在：

1、由于GaN基材料空穴有效质量（1.1 m₀）高于电子的有效质量（0.2 m₀），因此，电子就更容易穿越活性层进入活性层顶部的量子阱层，甚至溢流出有源层进入p-GaN层，相反，空穴就比较难达到活性层靠近n-GaN侧的量子阱。AlGaN电子阻挡层的使用意在阻挡电子溢流提高载流子复合率，但是却进一步阻挡了空穴的注入。

2、p-AlGaN电子阻挡层降低了空穴的注入效率，导致在单波长LED有源区内的电子空穴浓度分布不均匀，而在双蓝光波长混合多量子阱LED中，两种阱的发光强度更加不均衡。

3、p-AlGaN电子阻挡层Al组分的增大虽能阻挡电子溢流，但GaN垒层与p-AlGaN电子阻挡层之间的极化电场也进一步增强，反而降低了导带处最后一个垒层的势垒，减弱了在大电流下对电子的限制。

4、GaN基LED外延片中的p-AlGaN电子阻挡层的空穴浓度在5 x 10¹⁷cm^-3左右，甚至更低。而外延片中n型GaN层的自由电子浓度约5 x 10¹⁸cm^-3。如何获得高空穴浓度p-AlGaN层，从而增大量子阱中电子和空穴的复合，对于GaN基LED显得尤其重要，这也是GaN材料生长中十分重要和困难的问题，是提高GaN基LED性能的关键。

5、由于p-AlGaN层的空穴浓度低，p型层和pn结交界面附近的电阻很大，在LED工作时会产生大量热量，导致LED结温升高，缩短LED的使用寿命。尽管GaN基LED的理论寿命可达到10万小时以上，但目前寿命在1～2万小时左右，甚至更短。获得高空穴浓度的p型AlGaN层也是获得长寿命LED的关键一环。

目前，广泛采用的白光LED方案有两种：（1）以InGaN基蓝光或紫光LED为基础，通过荧光粉实现转换的白光LED；（2）多芯片混色的白光LED。前者主要缺点是无机荧光粉一般面临着光致转换效率低和显色指数(CRI)差等缺点。而后者由于发光全部来自LED，因此，制作成本高、驱动复杂，此外，三种颜色LED之间老化特性的差异，常导致发光过程中变色。无荧光粉的单芯片白光LED已有报道，主要是在同一个蓝宝石衬底上依次生长两种或三种InGaN/GaN多量子阱结构的LED，调节In组分来实现从蓝光到黄光的发射从而合成白光。但是，对于GaN基发光器件其发光效率一般在400~500 nm范围内的效率较高，随着发射波长向绿光方向增加，GaN基LED的的发光效率逐渐减小，主要是因为实现高In组分的InGaN薄膜极其困难。当前蓝光加YAG:Ce黄光荧光粉的封装方案占据白光LED市场的主要份额。对于单蓝光芯片加YAG:Ce荧光粉封装的白光LED，在高色温时具有高的显色指数，可是在低色温时，随着蓝光发射强度的减弱其显色性逐渐减小，当色温低于5500K时，显色一般低于70。而从显色指数公式：                                                （为1~8号试验色的光谱辐射亮度因数，分别对应淡灰红色、暗灰黄色、饱和黄绿色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色等8种颜色）来看：如果保持YAG:Ce荧光的黄光发射光谱不变，适当增加LED芯片的蓝紫光和蓝绿光部分的发射，同样可以增加白光LED的显色指数。针对当前制备高显色性白光LED所存在芯片设计的问题，设计和制造GaN基双蓝光波长发光芯片及其高显色性白光LED的封装方法显得尤其重要。

发明内容