CN105870287B - GaN基白光LED及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基白光LED，包括：一衬底；一缓冲层，其制作在衬底的上面；一n‑GaN层，其制作在缓冲层的上面，其上面的一侧形成一台面；一蓝光多量子阱层，其制作在n‑GaN层台面另一侧的上面；一p‑GaN层，其制作在蓝光多量子阱层的上面；一透明导电层，其制作在p‑GaN层的上面；一上电极阵列，其制作在透明导电层的上面；一下电极，其制作在n‑GaN层的台面上；一钙钛矿层，其制作在透明导电层上，位于上电极阵列空隙处。本发明是GaN基白光LED将成熟的GaN基LED技术与新型的钙钛矿材料结合，制造出低成本、高效的白光LED。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及一种高效的GaN基白光LED及制备方法。
背景技术
LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。
白光LED通常采用两种方法，第一种是利用蓝光LED加黄色荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。最为普遍最成熟的一种是通过在蓝光芯片上涂抹一层黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉，与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用。采用多种单色光混合方法的方式，因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、光输出、温度特性及寿命各不相同，因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光，比单晶型LED产生白光的方式复杂，成本亦较高。
近年来，以III族氮化物为代表的第三代半导体材料及其光电功能器件已经在节能环保等重要领域显示出越来越重要的先导作用，是支撑下一代战略性新兴产业发展的关键和基础。III族氮化物系列材料在半导体照明高效能源利用关键光电器件领域显示出巨大的优势，但高效III族氮化物光电器件规模应用始终面临着低成本衬底材料、衬底技术、高质量材料外延可控生长及如何降低器件制作工艺成本等关键科学与技术问题。
一种钙钛矿机构的有机无机杂化材料CH3NH3PbX3(元素X为卤素Cl、Br、I)，具有优异的光学性质和电学性质。最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3)，它是直接带隙半导体材料，带隙约为1.5eV。通过不同卤素元素的混合，可实现其带隙在1.5-2.8eV连续可调。光激发的激子束缚能只有0.030eV，电子和空穴表现出很小的有效质量和很高的迁移率(电子：7.5cm2V-1s-1，空穴：12.5cm2V-1s-1)，复合时间为几百纳秒，这导致很长的载流子扩散距离(100-1000nm)。少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率，显示出了更加优异的光电性能。此外，这种材料制备简单，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。钙钛矿的沉积过程决定薄膜形貌的一致性以及覆盖率等，影响器件的工作特性。
光泵浦钙钛矿结构VCSELs将绿色泵浦光转换到近红外(760nm)激光，转换效率达70％。同时有研究表明，在12V的驱动电压下，钙钛矿LED发光强度约10000坎德拉每平方米。此外，这种钙钛矿材料可以通过简单的方法发出不同颜色的光，它将在彩色显示器、照明和光通信方面大有作为。
将这种钙钛矿材料与GaN蓝光LED结合，制备高效的白光LED是一种可行的方案。
发明内容
本发明的目的在于提出一种GaN基白光LED及制备方法。该GaN基白光LED将成熟的GaN基LED技术与新型的钙钛矿材料结合，制造出低成本、高效的白光LED。
本发明提出一种GaN基白光LED，包括：
一衬底；
一缓冲层，其制作在衬底的上面；
一n-GaN层，其制作在缓冲层的上面，其上面的一侧形成一台面；
一蓝光多量子阱层，其制作在n-GaN层台面另一侧的上面；
一p-GaN层，其制作在蓝光多量子阱层的上面；
一透明导电层，其制作在p-GaN层的上面；
一上电极阵列，其制作在透明导电层的上面；
一下电极，其制作在n-GaN层的台面上；
一钙钛矿层，其制作在透明导电层上，位于上电极阵列空隙处。
本发明还提出一种GaN基白光LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依序制作缓冲层、n-GaN层、蓝光多量子阱层、p-GaN层和透明导电层；
步骤2：从透明导电层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n-GaN层内，在n-GaN层的一侧形成一台面；
步骤3：在透明导电层的上面制作一上电极阵列；
步骤4：在透明导电层的上面、上电极阵列的空隙处制作一钙钛矿层；
步骤5：在n-GaN层的台面上制作一下电极，完成制备。
本发明具有的有益效果是：
1、光泵浦钙钛矿结构VCSELs转换效率高，且通过不同卤素元素的混合，可实现其带隙在1.5-2.8eV连续可调以获得不同颜色的发光。
2、钙钛矿制备工艺简单，可在低温下实现高质量钙钛矿层的生长。
3、与传统的荧光粉相比，钙钛矿工艺简单，转换效率高；可以实现以较低的成本制备高效的白光LED。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的制备流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种GaN基白光LED，包括：
一衬底10，所述衬底10的材料为蓝宝石、SiC或Si。GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上，因为蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好。SiC导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。采用硅衬底的LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。纵向流动可以提高LED的出光效率，同时硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善。
一缓冲层20，其制作在衬底10的上面。缓冲层对于制备高质量的GaN薄膜、量子阱层至关重要，低温GaN缓冲层结合高温退火过程能够得到更优表面形貌和晶体质量的GaN薄膜.
一n-GaN层30，其制作在缓冲层20的上面，其上面的一侧形成一台面31；
一蓝光多量子阱层40，其制作在n-GaN层30台面31另一侧的上面，所述蓝光多量子阱层40的材料为InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN或InGaAlP中的至少两种。量子阱层作为蓝光发射层，可以大大提高发光复合效率。
一p-GaN层50，其制作在蓝光多量子阱层40的上面；
一透明导电层60，其制作在p-GaN层50的上面，所述透明导电层60的材料为ITO、FTO或者银纳米线。作为主要出光侧，导电层的透明度对器件的性能有很大影响。常用的透明导电层为ITO透明电极，制备方法有蒸发法、磁控溅射法、气相反应法等。
一上电极阵列70，其制作在透明导电层60的上面。电极材料为常用的金属电极：Al、Au、Cr/Au、Ti/Au等，一般采用电子束蒸发的方法制备。电极阵列在保证电流均匀分布的前提下，面积尽可能小，避免阻挡多量子阱层的出射光。
一下电极80，其制作在n-GaN层30的台面31上，且不与其他结构接触。电极采用常用的金属电极：Al、Au、Cr/Au、Ti/Au等，一般采用电子束蒸发的方法制备
一钙钛矿层90，其制作在透明导电层60上，位于上电极阵列70空隙处，所述钙钛矿层90的材料为CH3NH3Pb(BrxI3-x)，厚度为100-300nm。可采用旋涂法或热蒸发法等方法制备钙钛矿层。钙钛矿层90被蓝光激发产生黄光，黄光与蓝光混合产生白光，钙钛矿旋涂液需通过合适的配比将其发光谱调制到黄光范围。
请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明还提供一种GaN基白光LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用MOCVD等方法在一衬底10上依序制作缓冲层20、n-GaN层30、蓝光多量子阱层40、p-GaN层50和透明导电层60，所述衬底10的材料为蓝宝石、SiC或Si，所述蓝光多量子阱层40的材料为InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN或InGaAlP中的至少两种，所述透明导电层60的材料为ITO、FTO或者银纳米线；
步骤2：从透明导电层60上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n-GaN层30内，在n-GaN层30的一侧形成一台面31；
步骤3：在透明导电层60的上面制作一上电极阵列70；
步骤4：在透明导电层60的上面、上电极阵列70的空隙处制作一钙钛矿层90，所述钙钛矿层90的材料为CH3NH3Pb(BrxI3-x)，厚度为100-300nm；
步骤5：在n-GaN层30的台面31上制作一下电极80，完成制备。
实施例1
利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上沉积一层低温GaN缓冲层。在GaN缓冲层上沉积约2μm厚的n-GaN层。在n-GaN层上沉积蓝光多量子阱层。在蓝光多量子阱层上沉积约2μmp-GaN层。进行光刻和刻蚀，将部分区域刻蚀至n-GaN层。用电子束蒸发在未刻蚀的p-GaN层上沉积透明导电层，其厚度为200-500nm。用EB在透明导电层上沉积Ti/Au金属电极阵列。在刻蚀后露出的n-GaN层上沉积Ti/Au金属电极。将0.9摩尔PbBr2、0.1摩尔PbI2和1摩尔CH3NH3Br混合，溶解于2ml DMF中，充分溶解后过滤。用气体辅助旋涂法在透明导电层上沉积钙钛矿层，匀胶机转速2000-6000rpm，时间20-60s，钙钛矿层厚度约200-500nm，在100℃下退火10-50分钟。从而形成白光LED。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种GaN基白光LED，包括：
一衬底；
一缓冲层，其制作在衬底的上面；
一n-GaN层，其制作在缓冲层的上面，其上面的一侧形成一台面；
一蓝光多量子阱层，其制作在n-GaN层台面另一侧的上面；
一p-GaN层，其制作在蓝光多量子阱层的上面；
一透明导电层，其制作在p-GaN层的上面；
一上电极阵列，其制作在透明导电层的上面；
一下电极，其制作在n-GaN层的台面上；
一钙钛矿层，其制作在透明导电层上，位于上电极阵列空隙处，该钙钛矿层的材料为CH3NH3Pb(BrxI3-x)，厚度为100-300nm。
2.根据权利要求1所述的GaN基白光LED，其中衬底的材料为蓝宝石、SiC或Si。
3.根据权利要求1所述的GaN基白光LED，其中蓝光多量子阱层的材料为InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN或InGaAlP中的至少两种。
4.根据权利要求1所述的GaN基白光LED，其中透明导电层的材料为ITO、FTO或者银纳米线。
5.一种GaN基白光LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依序制作缓冲层、n-GaN层、蓝光多量子阱层、p-GaN层和透明导电层；
步骤2：从透明导电层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n-GaN层内，在n-GaN层的一侧形成一台面；
步骤3：在透明导电层的上面制作一上电极阵列；
步骤4：在透明导电层的上面、上电极阵列的空隙处制作一钙钛矿层，该钙钛矿层的材料为CH3NH3Pb(BrxI3-x)，厚度为100-300nm；
步骤5：在n-GaN层的台面上制作一下电极，完成制备。
6.根据权利要求5所述的GaN基白光LED的制备方法，其中衬底的材料为蓝宝石、SiC或Si。
7.根据权利要求5所述的GaN基白光LED的制备方法，其中蓝光多量子阱层的材料为InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN或InGaAlP中的至少两种。
8.根据权利要求5所述的GaN基白光LED的制备方法，其中透明导电层的材料为ITO、FTO或者银纳米线。
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