專利名稱：一種單芯片白光led的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可精確控制光譜的單芯片白光LED制備技術(shù)，屬于光電子器件的制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
白光LED作為下一代通用照明光源，目前主要有三種實(shí)現(xiàn)手段RGB多芯片組合結(jié)構(gòu)；單芯片加熒光粉結(jié)構(gòu)以及單芯片白光LED結(jié)構(gòu)。RGB多芯片組合利用RGB三基色LED封裝在一起組合發(fā)射白光，由于目前成本和技術(shù)方面的原因未得到應(yīng)用；單芯片加熒光粉結(jié)構(gòu)主要包括藍(lán)光LED加紅綠等熒光粉及紫外LED加紅綠藍(lán)等熒光粉激發(fā)出射白光，由于目前未找到合適的長(zhǎng)壽命紅光熒光粉而使得這種方法的白光LED壽命受到限制。單芯片白光LED直接生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)白光出射。目前主要通過預(yù)應(yīng)力層和成分變化的量子阱組合實(shí)現(xiàn)單芯片白光出射。預(yù)應(yīng)力層技術(shù)利用在量子阱之前插入硅烷、銦源等應(yīng)力調(diào)節(jié)劑，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力不均勻分布；調(diào)節(jié)量子阱^組分發(fā)射白光，成分變化量子阱主要利用藍(lán)、綠、黃等不同組分量子阱疊加實(shí)現(xiàn)白光。兩種辦法都不易實(shí)現(xiàn)光譜的精確控制， 且會(huì)出現(xiàn)隨著注入電流的變化，光譜發(fā)生移動(dòng)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低、效率高并且可以方便精確控制白光光譜的白光 LED制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種制備單芯片白光LED的方法，其步驟包括(1)在襯底上生長(zhǎng)GaN模板層。所述襯底為可以實(shí)現(xiàn)GaN等材料生長(zhǎng)的材料，如藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、GaN襯底、Si襯底、LiAlOji底等。所述模板層，包括利用M0CVD、HVPE、MBE等各種生長(zhǎng)手段，生長(zhǎng)非摻雜GaN外延層、 η型摻雜GaN外延層，總厚度可在100納米-10毫米之間。其中所述MOCVD生長(zhǎng)，主要包括低溫GaN緩沖層，高溫非摻GaN外延層，高溫η型摻雜GaN外延層。低溫GaN緩沖層的溫度范圍為450°C至600°C ；壓力為100至600Torr ； 緩沖層的厚度在50-200納米；非摻高溫GaN外延層的溫度范圍在900°C -1200°C，壓力在 100-450Torr厚度為100納米-10毫米；η型摻雜GaN外延層溫度范圍在900°C -1200°C，壓力在100-450Torr，厚度為100納米-10毫米，η型載流子濃度1018-102°cnT3。其中所述HVPE生長(zhǎng)包括高溫GaN外延層，η型摻雜層。高溫GaN層溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為250-700Torr，η型摻雜溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為 250-700Torr,載流子濃度 1018-102。cnT3。其中所述MBE生長(zhǎng)的GaN緩沖層溫度為500-700°C，而高溫GaN層溫度為 700-900°C, η 型載流子濃度為 1018-102°cnT3。
(2)在上述GaN模板上，根據(jù)白光LED的具體光譜以及GaN模板晶向鋪設(shè)碳納米管陣列，在碳納米管陣列上再采用MOCVD、MBE等生長(zhǎng)手段，生長(zhǎng)InGaN外延層，形成與白光光譜對(duì)應(yīng)的InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。具體步驟為在(1)中已生長(zhǎng)的GaN模板上設(shè)置碳納米管陣列，即依據(jù)鋪設(shè)碳納米管的性質(zhì)，通過沉積一層催化劑層，通入碳源反應(yīng)氣體，利用加熱或者激光照射等辦法生長(zhǎng)，或者其他方法形成碳納米管。碳納米管排列的結(jié)構(gòu)和尺寸，可以根據(jù)白光LED的具體光譜以及GaN模板晶向等的需要來確定。首先對(duì)不同的GaN模板材料，根據(jù)晶向以及晶體生長(zhǎng)模式，確定不同的納米碳管的排列方式，碳納米管可以為單壁、多壁，也可以鋪設(shè)單層或多層碳納米管，碳納米管的直徑為1-100納米，碳納米管可以有序排列，也可以無規(guī)則排列，規(guī)則排列中，可形成矩形、六角形、正方形、平行四邊形等任意平面幾何形狀的分布，也可以是金字塔形、六角柱， 四面體等立體三維分布，重復(fù)周期2納米-500納米，整體尺度可以根據(jù)需要，在從1微米到6英寸或者更大的尺寸。其次，對(duì)于不同的白光光譜，如黃藍(lán)雙峰白光光譜、紅藍(lán)雙峰光譜、黃綠藍(lán)三峰白光光譜、寬譜白光光譜等，需要不同周期、不同尺寸的碳納米管陣列排列方式，從而形成與白光光譜對(duì)應(yīng)的InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。如黃藍(lán)光雙峰白光光譜，主要采用 10-150納米藍(lán)光與150-350納米黃光兩種量子點(diǎn)的單一尺寸，藍(lán)光量子點(diǎn)與黃光量子點(diǎn)密度比為1 1。紅藍(lán)雙峰白光，主要采用10-150納米的藍(lán)光與350-500紅光納米兩種量子點(diǎn)尺寸分布，紅光量子點(diǎn)與藍(lán)光量子點(diǎn)密度比為1 1.5。寬譜白光采用各種量子點(diǎn)的隨機(jī)分布，分布函數(shù)可以為洛倫茨分布、高斯分布等。對(duì)于白光光譜中藍(lán)光成分，主要采用長(zhǎng)寬尺寸為10-150納米的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；而對(duì)于白光光譜中黃綠光成分，主要采用150-350納米的量子結(jié)構(gòu)點(diǎn)分布；對(duì)于紅光成分，主要采用350-500納米的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)分布。InGaN外延層的厚度在1_10納米，具體厚度根據(jù)光譜、碳納米管陣列的高度等參數(shù)需要設(shè)計(jì)，其中，MBE生長(zhǎng)溫度為380-450°C。MOCVD生長(zhǎng) MGaN外延層溫度為600-800°C，壓力為100-45(ΧΓοη·。(3)采用MBE、M0CVD等生長(zhǎng)手段，生長(zhǎng)GaN或AKiaN外延層作為量子壘層，該層具有限制載流子的作用。量子壘層的厚度在5-40納米，具體厚度根據(jù)白光光譜，碳納米管陣列與InGaN外延層構(gòu)成的復(fù)合量子阱層等的參數(shù)需要設(shè)計(jì)。其中MBE的生長(zhǎng)GaN、AlGaN, 溫度為 700-900°C ;M0CVD 生長(zhǎng) GaN 溫度為 850-1100°C，生長(zhǎng) AlGaN 溫度為 1000-1200°C，壓力為 100-450 ^以上步驟制得的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)與碳納米管陣列形成的量子點(diǎn)層和量子壘層共同構(gòu)成復(fù)合量子點(diǎn)層，重復(fù)多個(gè)復(fù)合量子點(diǎn)層，每一周期的復(fù)合量子點(diǎn)層厚度為5-50納米，可根據(jù)白光LED的光譜等要求進(jìn)行重復(fù)周期，周期數(shù)為1-25。每個(gè)周期當(dāng)中InGaN外延層的厚度、組分，碳納米管的尺寸、高度、分布，GaN量子壘層可以相同，也可以不同，具體參數(shù)可依據(jù)光譜分布的依據(jù)需要設(shè)計(jì)。所述每個(gè)復(fù)合量子點(diǎn)層包括1-10納米InGaN量子點(diǎn)與碳納米管陣列形成的量子點(diǎn)層和5-40納米的GaN量子壘層。(4)在生長(zhǎng)完多量子點(diǎn)層后，也可采用MBE、MOCVD等生長(zhǎng)方法再生長(zhǎng)A1N、AlGaN 等材料的覆蓋層，覆蓋層的厚度為10-200納米。覆蓋層具有電子阻擋層等作用。MBE生長(zhǎng)
4A1N、AlGaN 溫度為 700-900°C，MOCVD 生長(zhǎng)溫度為 1000-1200°C。(5)利用MOCVD、MBE等手段生長(zhǎng)ρ型GaN導(dǎo)電層。所述ρ型GaN的厚度為100-500納米，ρ型載流子濃度為1017-102°cnT3。P型GaN 的MOCVD生長(zhǎng)溫度為800-1000°C，MBE的生長(zhǎng)溫度為700-900°C。(6)利用光刻、激光劃片、ICP、沉積電極等常規(guī)LED封裝手段制備單芯片白光LED。所述常規(guī)LED封裝手段包括ICP刻蝕、η，ρ電極沉積、樹脂封裝等常規(guī)正裝LED， 也可為垂直結(jié)構(gòu)、倒裝焊等其他LED封裝手段。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和效果本技術(shù)利用碳納米管在生長(zhǎng)表面掩膜形成納米結(jié)構(gòu)的圖案，納米圖案的周期呈統(tǒng)計(jì)分布。研究表明在有納米碳管覆蓋的地方，用于InGaN等三族氮化物生長(zhǎng)的載氣和反應(yīng)氣體，如在MOCVD中作為載氣的氮?dú)夂蜌錃?，作為五族源的氨氣和作為三族源的金屬有機(jī)物，將不會(huì)附著于納米碳管的掩模區(qū)域，所有只有圖案的間隙才能生長(zhǎng)InGaN等三族氮化物，從而形成人工鑲嵌式的量子點(diǎn)陣列。由于量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)、光譜分布等均與量子點(diǎn)本身的大小、組分有關(guān)，本發(fā)明的技術(shù)通過調(diào)控碳納米管陣列的圖形，讓每一個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)呈隨機(jī)分布，一定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)組合的白光出射。所以這種人工鑲嵌式的白光制備方法可以精確調(diào)控白光光譜。這是一種利用碳納米管陣列調(diào)節(jié)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)的技術(shù)，具有無損傷、精確可控、生長(zhǎng)窗口寬等優(yōu)點(diǎn)。并且這種納米碳管的結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他人工鑲嵌手段，其制備更加方便，價(jià)格低廉，工藝條件相對(duì)簡(jiǎn)單且更易控制


圖1為鋪設(shè)在GaN模板層上的碳納米管陣列示意圖；圖2為碳納米管周期的分布函數(shù)；圖3為本發(fā)明制備正裝單芯片白光LED的流程示意圖。圖中1_襯底；2-GaN模板層；3_復(fù)合多量子點(diǎn)層；4_p型GaN ;5_碳納米管； 6-InGaN量子點(diǎn)層；7_GaN量子壘層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。本實(shí)施例用于制備正裝單芯片白光LED 1)在c面藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD生長(zhǎng)4微米厚的非摻GaN及2微米η型GaN 4微米厚的非摻GaN，主要分為低溫GaN緩沖層、非摻雜高溫GaN外延層。低溫 GaN緩沖層的溫度范圍為450至600°C ；壓力為100至600Torr，本實(shí)施例分別采用550°C、 300Torr ；緩沖層的厚度在150-200納米；非摻高溫GaN外延層的溫度范圍在900-1200°C， 壓力在100-450Torr，本實(shí)施例分別采用1050°C、200Torr。η型摻雜GaN外延層溫度范圍在900-1200°C，壓力在100_450Torr，本實(shí)施例分別采用1050°C、200Torr，厚度為2微米，η型載流子濃度為10的1018-102°cnT3，本實(shí)施例采用 IO19CnT3電子濃度。2)在上述GaN模板上，利用MOCVD重復(fù)生長(zhǎng)5個(gè)周期的復(fù)合量子點(diǎn)層，如圖1所示。其中每個(gè)復(fù)合量子點(diǎn)層周期中先后包括碳納米管陣列與InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的量子點(diǎn)層和GaN量子壘層。具體步驟包括
首先，依據(jù)鋪設(shè)碳納米管的模板性質(zhì)，通過沉積一層催化劑層，通入碳源反應(yīng)氣體，利用加熱或者激光照射等辦法生長(zhǎng)，或者其他方法形成碳納米管。碳納米管排列方式為“十”字交叉排列。X方向和Y方向排列的方式是周期無序結(jié)構(gòu)，納米碳管為單根納米碳管本實(shí)施例選用c面的藍(lán)寶石襯底，選用沿襯底參考邊垂直 (X)和平行(Y)方向排列的單層納米碳管；納米碳管的直徑為1-100納米，本實(shí)施例采用5 納米；X、Y方向周期均為5納米-500納米，優(yōu)選10-300納米，在每個(gè)量子點(diǎn)層中，本實(shí)施例在X、Y方向均采用10-200納米間的高斯分布的周期間隔，分布的函數(shù)如圖2所示，5個(gè)周期中的碳納米管的排列方式一致，以形成寬譜白光量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。利用MOCVD生長(zhǎng)InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)過程在以氮?dú)夂蜌錃鉃檩d氣的條件下進(jìn)行，同時(shí)通入TMIn、TMGa, ΝΗ3或其他提供三族、五族元素的反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)。生長(zhǎng)溫度范圍在600-800°C，壓力在100-450Torr，本實(shí)施例分別采用700°C、300Torr。生長(zhǎng)厚度與碳納米管陣列的高度、白光光譜的需要相關(guān)，本實(shí)施例中，由于選用直徑為5納米的碳納米管，則InGaN的厚度選為5納米。In Ga的比例由溫度、壓力、氣體流量等因素決定。本實(shí)施例選用參數(shù)使得In Ga = 0. 15 0. 85。生長(zhǎng)厚度為10-50納米的GaN量子壘層。本實(shí)施例采用15納米非摻GaN量子壘層。溫度范圍在850-1100°C，壓力在100-450Torr，本實(shí)施例分別采用1020°C、200Torr。3)利用MOCVD手段生長(zhǎng)ρ型GaN導(dǎo)電層。所述ρ型GaN的厚度為100-500納米，本實(shí)施例中采用200納米。ρ型載流子濃度為 10的17-20次方，本實(shí)施例中采用10的19次方。P型GaN的MOCVD生長(zhǎng)溫度為800-1000°C， 本實(shí)施例中采用900°C。4)利用光刻、激光劃片、ICP、沉積電極等常規(guī)LED封裝手段制備正裝單芯片白光 LED。利用光刻、ICP刻蝕等手段將外延片一部分刻蝕至η型區(qū)域，利用e-beam、濺射等手段沉積一層金屬電極，利用激光劃片將外延片分開，最終封裝成正裝單芯片白光LED管
-I-H心。上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種制備單芯片白光LED的方法，其步驟包括(1)在襯底上生長(zhǎng)GaN模板層，所述GaN模板層包括非摻雜GaN外延層和η型摻雜GaN 外延層，總厚度在100納米-10毫米之間；(2)在上述GaN模板層上，根據(jù)白光LED光譜以及GaN模板晶向鋪設(shè)碳納米管陣列；(3)在碳納米管陣列上再采用MOCVD、MBE等生長(zhǎng)手段生長(zhǎng)InGaN外延層，形成與白光光譜對(duì)應(yīng)的InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；(4)采用MBE、M0CVD等生長(zhǎng)手段，生長(zhǎng)GaN或AlGaN外延層作為量子壘層，量子壘層的厚度在5-40納米；(5)利用MOCVD或MBE手段生長(zhǎng)ρ型GaN導(dǎo)電層；(6)采用LED封裝手段，制得單芯片白光LED。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述^iGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)與碳納米管陣列形成的量子點(diǎn)層和量子壘層構(gòu)成復(fù)合量子點(diǎn)層，重復(fù)多個(gè)復(fù)合量子點(diǎn)層，每一周期的復(fù)合量子點(diǎn)層厚度為5-50納米，重復(fù)1-25周期。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在生長(zhǎng)完每一復(fù)合量子點(diǎn)層后，采用MBE、 MOCVD等生長(zhǎng)方法再生長(zhǎng)A1N、AlGaN等材料的覆蓋層，覆蓋層厚度為10-200納米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用MOCVD方法生長(zhǎng)GaN模板層，包括低溫 GaN緩沖層生長(zhǎng)、高溫非摻GaN外延層生長(zhǎng)和η型摻雜GaN外延層生長(zhǎng)，低溫GaN緩沖層的溫度范圍為450°C至600°C ；壓力為100至600 !^ ；厚度在50-200納米；高溫非摻GaN外延層的溫度范圍在900°C -1200°C，壓力在100-450Torr，厚度為100納米-10毫米；η型摻雜GaN外延層溫度范圍在900°C -1200°C，壓力在100-450Torr，厚度為100納米-10毫米， η型載流子濃度1018-102°cnT3。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用HVPE生長(zhǎng)GaN模板層，包括高溫 GaN外延層生長(zhǎng)和η型摻雜層生長(zhǎng)，高溫GaN層溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為 250-700Torr, η型摻雜層溫度范圍在600-1100°C，壓力范圍為250_700Torr，載流子濃度 1018-102Qcm_3。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，碳納米管為單壁、多壁，碳納米管的直徑為 1-100納米，其排列為“十”字交叉排列，具體在X、Y方向均采用10-200納米間的高斯分布的周期間隔。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用MOCVD、MBE等手段生長(zhǎng)ρ型GaN導(dǎo)電層，所述P型GaN的厚度為100-500納米，ρ型載流子濃度為1017-102°CnT3。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、GaN襯底、Si襯底或LiAlO2襯底。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED封裝手段包括ICP刻蝕、n，p電極沉積、樹脂封裝等常規(guī)正裝LED，也可為垂直結(jié)構(gòu)、倒裝焊等其他LED封裝手段。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單芯片白光LED的方法，該方法包括在襯底上生長(zhǎng)GaN模板層，所述GaN模板層包括非摻雜GaN外延層和n型摻雜GaN外延層，鋪設(shè)碳納米管，制備InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并生長(zhǎng)量子壘層；隨后利用MOCVD或MBE手段生長(zhǎng)p型GaN導(dǎo)電層；光刻、激光劃片、ICP、沉積電極等常規(guī)LED封裝手段，制得單芯片白光LED。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過調(diào)控碳納米管陣列的圖形，讓每一個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)呈隨機(jī)分布，一定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)組合的白光出射。本發(fā)明制備方便，工藝條件相對(duì)簡(jiǎn)單且易控制。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102244167SQ201110213270
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者于彤軍, 張國(guó)義, 楊志堅(jiān), 龍浩 申請(qǐng)人:北京大學(xué)