一种GaN基自发白光LED外延薄膜结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体照明，具体为一种gan（氮化镓）基自发白光led外延薄膜结构及其制备方法。

背景技术：

1、现行白光led光源主要依赖led芯片与荧光粉的结合来产生白光。这种技术有几种常见的应用方案。首先，蓝色光波段的led芯片常与黄色荧光粉相结合；其次，紫外光波段的uvled会利用黄色和蓝色荧光粉与荧光粉胶混合，制作出双色荧光粉胶体；再者，特别是近紫外的uva波段uvled芯片，会结合红色、绿色和蓝色荧光粉与荧光粉胶，形成三色荧光粉胶体。不论采用哪种方案，其核心都是利用led芯片激发荧光粉，进而产生白色光。

2、然而，这种led芯片与荧光粉结合产生白光的方式存在诸多缺陷和限制。首先，这种技术需要led芯片和荧光粉共同参与，导致光源器件的成本相对较高。其运行机理是通过led芯片发光来激发荧光粉，但光功率会受到激发效率的影响，从而造成器件功耗的一定损失。

3、其次，目前应用最广泛的方案是蓝色光波段led芯片结合黄色荧光粉。但这种方式产生的led芯片光源中，不可避免地含有高比例的蓝光成分。这种高强度的蓝光对人眼有潜在的不可修复的损伤，因此，它并非健康照明的首选方案。

4、再者，当uvled或其他光色波段的led芯片与相应的荧光粉结合时，需要多种荧光粉的组合和精确配比。这不仅增加了成本，还对制程管控的稳定性和良率提出了更高的要求。

5、近年来，行业内的技术工作者一直在努力探索，希望通过led芯片自发白光的方式，创造出一种低成本、发光稳定的光源器件。然而，要实现单一led外延垒晶薄膜同时发出红、绿、蓝三色光，技术上存在很大的难度。而如果采用拼接方式，其光源器件的良率、制程稳定性以及制造成本都难以达到理想状态。

技术实现思路

1、本发明提出一种全新且可行的gan基自发白光led方案，主要为外延垒晶薄膜的结构创新性设计，通过独特设计的外延结构同时产生蓝色和黄色两个波段的发光，进而叠加产生白色光源。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，包括：

4、蓝宝石图形化衬底；

5、依次生长在蓝宝石图形化衬底上的aln（氮化铝）与gan组合的buffer层；

6、生长在buffer层（缓冲层）上的ugan（未掺杂氮化镓）层；

7、生长在ugan层上的粗化多孔层（rough porous layer），该粗化多孔层由交替生长的ingan层（氮化铟镓层）和gan层组成，ingan层在h2蚀刻处理下形成多孔结构，gan层作为量子垒层；

8、生长在粗化多孔层上的n-gan层（n型氮化镓层）；

9、生长在n-gan层上的黄光量子阱层，其发光波长在580nm~600nm之间；

10、生长在黄光量子阱层上的电子阻挡层（ebl），其组份为algan（氮化铝镓）；

11、生长在电子阻挡层上的掺杂mg的p-gan层（p型氮化镓层）和p型接触层（p-contactlayer）。

12、所述粗化多孔层的制备过程中，ingan层的生长温度控制在720℃~760℃，生长厚度控制在2nm~6nm区间。

13、所述粗化多孔层的制备过程中，gan层的生长温度控制在800℃~900℃，生长厚度控制在2nm~4nm范围。

14、所述黄光量子阱层的精细结构依次为inn层、ingan量子阱层、algan与gan依次叠加的组合量子垒层，且整体多量子阱层的循环数设计在5~8个区间。

15、所述inn层厚度控制在0.5-1.0nm。

16、所述ingan量子阱层的厚度控制在3-5nm，in的含量在30%。

17、所述algan厚度控制在3-5nm，al的含量在10-15%。

18、所述gan的厚度控制在9-12nm。

19、上述gan基自发白光led外延薄膜结构的制备方法包括以下步骤：

20、准备蓝宝石图形化衬底；

21、在蓝宝石图形化衬底上依次生长aln与gan组合的buffer层；

22、在buffer层上生长ugan层；

23、在ugan层上制备粗化多孔层；

24、在粗化多孔层上生长n-gan层；

25、在n-gan层上制备发光波长在580nm~600nm的黄光量子阱层；

26、在黄光量子阱层上生长组份为algan的电子阻挡层ebl；

27、在电子阻挡层上生长掺杂mg的p-gan层和p型接触层。

28、所述制备粗化多孔层的步骤包括：

29、在控制温度范围为720℃~760℃的条件下，生长ingan层，生长厚度控制在2nm~6nm区间；

30、进行生长停顿，并通入h2对ingan进行蚀刻处理，形成孔洞的微结构；

31、在孔洞的微结构上生长厚度为2nm~4nm范围的gan层，其生长温度控制在800℃~900℃范围；

32、依上述工艺进行循环生长，直至形成厚度范围在30nm~150nm的粗化多孔的gan层。

33、本发明包括对所得led外延薄膜结构进行测试与验证的步骤，通过el发光测试、pl光谱分析等手段，确认结构是否成功实现自发白光功能，并评估其发光性能和稳定性；还包括通过调节粗化多孔层生长温度和h2蚀刻的时间长度，来控制蓝色发光峰的波长和强度的步骤。

34、上述技术方案取得的技术进步和有益效果主要包括：

35、创新的结构设计：本发明通过独特的结构设计，成功实现了一种gan基自发白光led外延薄膜。该结构结合了蓝色和黄色两个波段的发光，叠加后能够产生稳定的白色光源，从而摆脱了传统led照明中对荧光粉的依赖，有效降低了成本，提高了光源的稳定性和可靠性。

36、高效的光谱调控：通过精准调控粗化多孔层的生长条件和蚀刻处理，本发明实现了对蓝色发光波段的精准控制。这种精准的光谱调控能力不仅提升了led的发光性能，还增强了其可控性，使得照明效果更加符合用户需求。

37、简化工艺流程：传统的白光led通常需要使用荧光粉来实现白光效果，而本发明的自发白光led结构简化了这一步骤，减少了生产环节，提高了生产效率，降低了生产成本，并减少了因荧光粉老化带来的光衰问题。

38、环保节能：由于减少了荧光粉的使用，本发明在环保方面也具有一定的优势，减少了生产和使用过程中可能对环境产生的影响。同时，高效的白光led也有助于节能减排，符合当前绿色环保和可持续发展的趋势。

39、广泛的应用前景：本发明的自发白光led外延薄膜结构可广泛应用于照明、显示、背光等领域，其稳定的发光性能和可调的光谱特性使得它能够满足不同应用场景的需求，具有广阔的市场前景。

技术特征：

1.一种gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述粗化多孔层的制备过程中，ingan层的生长温度控制在720℃~760℃，生长厚度控制在2nm~6nm区间。

3.根据权利要求2所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述粗化多孔层的制备过程中，gan层的生长温度控制在800℃~900℃，生长厚度控制在2nm~4nm范围。

4.根据权利要求3所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述黄光量子阱层的精细结构依次为inn层、ingan量子阱层、algan与gan依次叠加的组合量子垒层，且整体多量子阱层的循环数设计在5~8个区间。

5.根据权利要求4所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述inn层厚度控制在0.5-1.0nm。

6.根据权利要求4所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述ingan量子阱层的厚度控制在3-5nm，in的含量在30%。

7.根据权利要求4所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述algan厚度控制在3-5nm，al的含量在10-15%。

8.根据权利要求4所述的gan基自发白光led外延薄膜结构，其特征在于，所述gan的厚度控制在9-12nm。

9.权利要求1-8任意一项所述的gan基自发白光led外延薄膜结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述制备粗化多孔层的步骤包括：

技术总结本发明公开了一种GaN基自发白光LED外延薄膜结构及其制备方法。该结构主要包括蓝宝石图形化衬底、缓冲层、uGaN层、粗化多孔层、n‑GaN层、黄光量子阱层、电子阻挡层以及p型层。其中，粗化多孔层由交替生长的InGaN层和GaN层组成，通过特定的温度和H<subgt;2</subgt;蚀刻处理形成多孔结构，实现了蓝色发光。黄光量子阱层则负责黄色波段的发光。本发明无需荧光粉即可实现自发白光，简化了生产工艺，降低了成本，并提高了光源的稳定性和可控性。此技术可广泛应用于照明、显示及背光等领域，具有显著的市场潜力和实用价值。技术研发人员：江汉,赵丽霞,徐洋洋,程虎,黎国昌,苑树伟,王文君,徐志军受保护的技术使用者：聚灿光电科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25