[发明专利]一种无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无荧光粉的GaN基白光LED的外延结构及其制备方法，属于白光LED技术领域。

背景技术

自1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出GaN基蓝光发光二极管（LED），以GaN、InN、AlN及其三元系和四元系材料为主的宽禁带III-V族半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。氮化物半导体材料优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基激光器、发光二极管等光电子器件的优选材料。半导体白光发光二极管（白光 LED）作为照明的新型高效固体光源，是人类照明史上又一次飞跃，其经济和社会意义巨大。LED 采用固体封装、结构牢固、寿命可达10万小时以上。LED 还具有工作电压低、耗电量小、光效高、响应时间极短、光色纯、重量轻、体积小等一系列特性。尤其是大功率高亮度白光 LED 的发明，被业界称为继取火照明、爱迪生发明电灯之后的“照明领域第三次革命”。

利用III-V族氮化物半导体实现全色白光发射系统一直是氮化物研究与应用的前沿热点。目前的白光 LED 主要采用以下两种结构。一种是在蓝光 LED 上涂覆发黄光的荧光粉。所述蓝光 LED 发出的部分蓝光被荧光粉吸收发出黄光，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，从而可以得到白光。然而，对于这种白光 LED 需要利用荧光粉进行二次量子转化才能混合出白光，所以这种结构的白光 LED 的发光效率较低。另一种是将红、绿、蓝三种基色的 LED 芯片层叠设置在一起。同时点亮所述三种基色的 LED，从而混合红、绿、蓝三种基色获得白光。 但这种白光 LED 需要将三种基色的 LED 芯片层叠在一起，故这种结构的白光 LED 的制备方法较为复杂且成本较高。

中国专利文献CN103367570 A公开的一种白光LED，包括：三个发光单元分别为红、绿、蓝三基色的发光单元，每一发光单元均具有一出光面，三个发光单元发出的光线汇聚于一个汇聚点；光栅结构设置于所述三个发光单元的汇聚点，该光栅结构具有一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层，第一半导体层、活性层以及第二半导体层依次层叠设置，光栅结构具有一出光面以及多个与出光面相交的入光面， 每一发光单元的出光面正对所述光栅结构的入光面， 光栅结构的出光面设置在第二半导体层远离活性层的表面。该方法结构繁琐且工艺比较复杂，因此在制作过程中要花费较长时间，这将造成白光 LED成本居高不下。

CN102290508A公开的一种无荧光粉的白光 LED，是在蓝宝石衬底上生长出发光二极管；在发光二极管生长的过程中进行相关颜色发光的离子注入。 通过发光二极管的发光激发注入的离子发出相应色彩的光，多种光混合生成白色光，实现无荧光粉的单器件白色发光二极管。该方法在工艺实现上较复杂且实行起来较难，极大增加了工艺难度和成本。

CN101714604A公开的一种宽光谱白光LED结构及生长方法。该结构包括：在蓝宝石衬底或硅衬底上生长具有GaN缓冲层、厚度在50-2000nm的GaN支撑层，厚度为20-1000nm的N型GaN，浓度为5*10¹⁸cm^-1；在N型GaN上一次生长蓝光波长量子阱材料、蓝绿或绿光量子阱材料以及红黄光或红光量子阱材料。通过三种不同量子阱材料发出的颜色进行叠加后得到一种三色GaN基白光LED结构。该方法利用MOCVD（ Metal Organic Chemical Vapour Deposition，金属有机物化学气相沉积）进行较长时间的生长程序，MOCVD设备价格极为昂贵，长时间的生长增加了设备折旧在单片外延片成本的比例。

发明内容

本发明针对现有白光LED的制备技术存在的不足，提供一种无需利用荧光粉进行二次量子转化、光能转换效率及寿命高、发光稳定性和产品重复性好、具有高发光效率的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，同时提供一种该无荧光粉白光LED的制备方法。

本发明的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底、GaN缓冲层、N-GaN层、紫外光波长的多量子阱层、非掺高低温GaN层、蓝光波长的多量子阱层及P-GaN层。

所述衬底为蓝宝石、硅或SiC衬底。

所述GaN缓冲层的厚度3-10μm。

所述N-GaN层的厚度为2μm-4μm，掺杂浓度为3*10¹⁸cm^-1—2*10¹⁹cm^-1。