一种N-B双掺SiC衬底的GaN基无荧光粉的高效白光LED结构及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种N-B双掺SiC衬底的GaN基无荧光粉的高效白光LED结构及其制备方法和应用，属于半导体技术领域。
【背景技术】
[0002]1963年，Z.1.Alferov和H.Kroemer各自独立地提出基于异质结的激光器的概念。因发明异质结晶体管和激光二极管(LD)所做出的奠基性贡献，Z.1.Alferov和H.Kroemer获得了 2000年的诺贝尔物理学奖。1971年，美国RCA实验室的Pankove研究发现了氮化物材料中形成高效蓝色发光中心的杂质原子，并研制出MIS (金属-绝缘体-半导体)结构的GaN蓝光LED器件，这就是全球最先诞生的蓝色LED。但是，限于当时的生长技术，难于长出高质量的GaN薄膜材料，同时P型掺杂也未能解决，因此，外部量子效率只有0.1%，看不到应用前景。1985年，Amano Hiroshi利用低温AlN技术成功生长出均匀的高质量GaN薄膜，随后，通过低能电子束福照(LEEBI)，Amano Hiroshi和Akasaki Isamu得到了 P型GaN薄膜，于1989年在全球首次研制出了 p-n结蓝色发光二极管。Nichia公司的Nakamura等人于1992年第一次利用了 InGaN/GaN周期量子阱结构，取代了传统的p-1-n结构，大幅度地提高了蓝光LED的发光效率。Nakamura还发展了外延技术，用低温生长的薄层GaN替换AlN作为缓冲层。1993年实现了蓝光LED的量产。自此，以GaN、InN、AlN及其三元系和四元系材料为主的宽禁带II1-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。
[0003]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“照明领域第三次革人”
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[0004]目前的白光LED主要采用以下两种结构:一种是在蓝光LED上涂覆荧光粉，即通过蓝光LED发出的部分蓝光被荧光粉吸收并发出黄光，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，利用荧光粉进行二次量子转化才能混合出的白光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。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。
[0005]美国发明专利US5998925公开了一种以蓝光芯片为基础，芯片上面填充了激发产生波长555nm的黄色荧光粉和透明胶水混合胶，蓝光LED激发YAG荧光粉，产生与蓝光互补的黄光，混合变成二波长的白光，该专利存在以下缺陷:产生的白光红光成分少、显色指数较低。
[0006]中国专利文献CN 103367570 A公开了一种白光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。该专利存在以下缺陷:结构繁琐且工艺比较复杂，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。
[0007]中国专利文献CN103811638A公开了一种白光LED，包括:蓝光LED芯片、支架，蓝光LED芯片通过固晶胶固定在支架碗杯中，将7.6 %?8.0 %的绿色荧光粉、2.0 %?2.4 %的橙色荧光粉和89.6%?90.4%的硅胶混合成荧光胶，经充分搅拌均匀后充填在支架碗杯中，烘烤干成形，最后封装半球型透明环氧树脂。其中，蓝光LED芯片的激发波长为430-470nm，绿色荧光粉的激发波长为500_540nm ;橙色荧光粉的激发波长为585_610nm。该专利存在以下缺陷:工艺繁琐复杂，制作过程难点重重，实现起来难度大。
[0008]中国专利文献CN101956178A公开了一种在Si衬底上制备纳米金刚石薄膜的制备方法，在Si衬底上通过化学气相沉积方法，制备出硼掺杂纳米金刚石薄膜，然后通过真空退火技术得到硼掺杂的纳米金刚石薄膜，金刚石薄膜生长在Si衬底上，而所撰写专利的金刚石薄膜是在GaN基发光二极管的量子阱上方P型限制层上生长的，用金刚石薄膜替代常规的P型氮化镓层，能够提高更高浓度的空穴载流子，同时减少P型氮化镓的吸光问题，提高LED的出光效率。该专利存在以下缺陷:不能应用于发光二极管领域。
[0009]中国专利文献CN 104868027 A公开了一种无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法，该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。通过紫外光激发非掺高低温GaN层的黄带发光，并与蓝光叠加后得到一种GaN基白光LED结构。本专利存在如下缺陷:该方法在紫外光多量子阱层和蓝光多量子阱层之间插入高低温GaN层，工艺较复杂，实现难度较大，且生长时间较长，增加了外延片的成本。
【发明内容】
[0010]针对现有技术的不足，本发明提供了一种N-B双掺SiC衬底的GaN基无荧光粉的高效白光LED结构；
[0011 ] 本发明还提供了上述白光LED结构的制备方法；
[0012]本发明还提供了上述白光LED结构的应用。
[0013]术语解释
[0014]1、LED，即发光二极管。
[0015]2、B-N双掺的SiC衬底，是指掺杂有B和N的SiC衬底。
[0016]3、M0CVD，是金属有机化合物化学气相淀积(Metalorganic Chemical VaporDeposit1n)的缩写。
[0017]4、ICP，是感应親合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma)的缩写。
[0018]5、掺杂浓度，本文所述掺杂浓度的单位为原子浓度，指每立方厘米中该原子所占的个数。
[0019]本发明的技术方案如下:
[0020]一种N-B双掺SiC衬底的GaN基无荧光粉的高效白光LED结构，包括依次设置的B-N双掺的SiC衬底、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N-GaN层、紫外光多量子阱层、蓝光多量子讲层及P-GaN层。
[0021]根据本发明优选的，所述GaN缓冲层的厚度为20_50nm，进一步优选，20_30nm或30_50nm，特别优选，30nm。
[0022]根据本发明优选的，所述非掺杂GaN层的厚度为200_800nm，进一步优选，300-500nm,特别优选，300nm 或 500nm。
[0023]根据本发明优选的，所述N-GaN层的厚度为3 μ m，所述N-GaN层中掺杂的Si的掺杂浓度为2 X 118Cm 3—4 X 119Cm 3，进一步优选的，所述N-GaN层的厚度为3 μ m，所述N-GaN层中掺杂的Si的掺杂浓度为3 X 119Cm 3O
[0024]根据本发明优选的，所述紫外光多量子阱层包括周期性交替叠加的InxGa1 XN阱层及AlxGa1 XN皇层，周期为6-12，所述InxGa1 XN阱层的厚度为2_4nm，In的原子比为12% -20%，所述AlxGa1 XN皇层的厚度为8_15nm，Al的原子比为2% -8% ;进一步优选的，周期为7-10，所述InxGa1 XN阱层的厚度为3nm，In的原子比为16XJi^AlxGa1 XN皇层的厚度为10nm，Al的原子比为5%。
[0025]根据本发明优选的，所述蓝光多量子阱层包括周期性交替叠加的InxGa1 XN阱层及GaN皇层，周期为6-12，所述InxGa1 XN阱层的厚度为2_5nm，In的原子比为12% _20%，所述GaN皇层的厚度为8-20nm，进一步优选的，周期为9-10，所述InxGa1 XN阱层的厚度为3_4nm，In的原子比为16%，所述GaN皇层的厚度为14nm。
[0026]根据本发明优选的，所述P-GaN层的厚度为150_350nm，进一步优选的，200_240nm或 240-260nm，特别优选的，240nm 或 260nm。
[0027]采用物理气相传输法(Physical Vapor Transport，PVT)在生长SiC单晶的同时掺入氮和硼得到所述B-N双掺的SiC衬底，B的掺杂浓度为5 X 117Cm 3 — I X 119Cm 3，N的掺杂浓度为 IXlO18Cm 3— 4 X 119Cm 3。
[0028]根据本发明，一种N-B双掺SiC衬底的GaN基无荧光粉的高效白光LED结构的制备方法，包括采用MOCVD方法在B-N双掺的SiC衬底上生长外延层，步骤如下:
[0029](I)在1000-1100°C氢气环境下，对B-N双掺的SiC衬底高温清洗；
[0030](2)降温至500-650°C，在B-N双掺的SiC衬底上生长所述的GaN缓冲层；
[0031](3)升温至1000-1200°C，在所述的GaN缓冲层上依次生长所述的非掺杂GaN层、N-GaN 层；
[0032](4)将载气由氢气改为氮气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓和三甲基铟，在N-GaN层上于720-810 °C下生长所