Iii族氮化物半導(dǎo)體/量子點混合白光led器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種III族氮化物半導(dǎo)體/量子點混合白光LED器件以及其制備方法，屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物材料為直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙覆蓋了從紅外可見光到紫外波段，是實現(xiàn)固態(tài)照明和低功耗顯示器的理想材料。固態(tài)照明是一個全新的照明領(lǐng)域，它主要以半導(dǎo)體芯片為發(fā)光源，直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，轉(zhuǎn)換效率高。LED作為固態(tài)照明半導(dǎo)體光源的核心部件，具有能耗低、壽命長、體積小、綠色環(huán)保、使用安全、可在各種惡劣環(huán)境下工作，是繼白熾燈、熒光燈之后的新一代照明光源。隨著發(fā)光二極管(LED)的不斷發(fā)展，固態(tài)照明技術(shù)將逐步取代現(xiàn)有的照明技術(shù)，迎來新的照明時代。
[0003]目前的白光LED元件主要技術(shù)是藍(lán)光LED+黃色熒光粉(如:YAG)或者紫外LED+三色熒光粉，由于其工藝成本較低，廣泛被工業(yè)界采用。但是，這種熒光粉方案不可避免的缺點包括:自吸收、長時間衰減、黃色熒光粉色轉(zhuǎn)換效率低。更為重要的是，現(xiàn)有的基于熒光粉光轉(zhuǎn)換的LED芯片，隨著注入電流密度的增加，輻射復(fù)合效率并沒有提高，而非輻射復(fù)合增加，如俄歇復(fù)合、缺陷復(fù)合等，因此，在大注入條件下，LED的發(fā)光效率逐步下降，實驗中把這一現(xiàn)象稱為droop效應(yīng)。
[0004]盡管研宄者們采用了很多方法，如非極性面生長的量子阱有源層、AlGaN勢皇阻擋層、GaN同質(zhì)外延生長等等，可以部分減弱或消除量子限制斯托克斯效應(yīng)，但是droop效應(yīng)依舊依然無法克服。為了進(jìn)一步減弱量子限制斯托克斯效應(yīng)和droop效應(yīng)，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，制備納米柱(孔)型發(fā)光二極管是一種有效的實施方法。這種有序納米柱(孔)型發(fā)光二極管材料結(jié)構(gòu)中有源層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到釋放，從而降低了有源層內(nèi)部的內(nèi)建電場，有利于電子空穴的空間波函數(shù)重疊，降低了量子限制斯托克斯效應(yīng)；同時增加了電子空穴的復(fù)合效率，且這種納米柱(孔)降低了缺陷復(fù)合幾率，有望克服droop效應(yīng)。
[0005]目前，市場上白光LED大多數(shù)采用單色光激發(fā)熒光粉，利用光色原理產(chǎn)生白光。其中較成熟且已商業(yè)化的是利用藍(lán)光氮化鎵基芯片激發(fā)黃色熒光粉來獲得白光。但是，熒光粉的發(fā)光效率較低，且光譜呈窄帶狀，顯色性差，色溫偏高。因此，這種白光光源對眼睛不柔和、不協(xié)調(diào)。另一種較為常見的LED結(jié)構(gòu)是由紫外光或紫光芯片激發(fā)紅、藍(lán)、綠三基色熒光粉來獲得白光，原理同前類似。雖然可以改善顯色性，調(diào)節(jié)色溫，但是由于該方法同樣使用了熒光粉，存在光有效轉(zhuǎn)化效率低，特別是紅色熒光粉的效率需要大幅度的提高。同時，熒光粉的穩(wěn)定性差，大大影響其使用壽命。因此，無熒光粉的白光LED技術(shù)越來越受到重視。從目前公開的無熒光粉白光LED技術(shù)中(參見中國專利CN201210052040.1，CN201410422581.8)，尚無使用量子點實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換的納米孔混合白光發(fā)光二極管器件。
[0006]目前，專利文獻(xiàn)CN103383980A公開了一種利用紫外軟納米壓印技術(shù)(UV-NIL)來制備有序氮化鎵納米孔陣列的方法。該方法采用PMMA和紫外固化膠雙層膠技術(shù)紫外軟壓印制備大面積、低缺陷的氮化鎵納米柱(孔)，并利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)實現(xiàn)介質(zhì)層掩膜直徑可調(diào)的納米柱(孔)陣列，從而實現(xiàn)直徑可調(diào)的氮化鎵納米柱(孔)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種無需熒光粉的白光LED器件。
[0008]為達(dá)到發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于III族氮化物半導(dǎo)體/量子點混合納米結(jié)構(gòu)的白光LED器件，所述白光LED器件在P型電極和η型電極外的區(qū)域設(shè)有有序的納米孔陣列，納米孔陣列的深度從器件表面穿過量子阱有源層，直至η型氮化物層內(nèi)部，所述納米孔陣列內(nèi)填充有I1-VI族量子點。
[0009]優(yōu)選的，所述器件包括:
[0010]—襯底；
[0011]一生長在襯底上的η型氮化鎵(GaN)層；
[0012]一生長在η型氮化鎵層上的銦鎵氮/氮化鎵anxGai_xN/GaN)量子阱有源層；
[0013]一生長在量子阱有源層上的P型GaN層；
[0014]一生長在P型氮化鎵層上的氧化銦錫(ITO)層；
[0015]一 P型電極，制作在ITO層上；
[0016]— η型電極，制作在η型GaN層上；
[0017]一有序的納米孔陣列，所述納米孔陣列設(shè)置于ITO層表面，避開P型電極區(qū)域，納米孔陣列的深度從器件表面穿過量子阱有源層，直至η型GaN層內(nèi)部，所述納米孔陣列內(nèi)填充有I1-VI族量子點，其中量子點與白光LED器件的配色公式為:
[0018]Swhite ( λ ) — Smqw( λ ) +kNC1.Snci ( λ ) +kNC2.SNC2 ( λ ) +."，
[0019]其中S代表能量分布；下標(biāo)white、MQW、NCl、NC2分別代表白光LED、多量子阱、第一種量子點、第二種量子點；k代表該種量子點以量子阱發(fā)光峰強歸一化后的峰強值。
[0020]優(yōu)選的，所述襯底為藍(lán)寶石襯底，所述X范圍:0.12^x^0.25，量子阱有源層發(fā)光波長在430nm至480nm，量子阱的周期數(shù)10?15個，p型GaN層的厚度300?500nm，ITO層厚度為100?200nm。
[0021]優(yōu)選的，所述納米孔陣列的直徑為100?260nm，周期為300?700nm。
[0022]優(yōu)選的，所述I1-VI族量子點從核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS量子點、CdSeyS1VZnS量子點，以及單核結(jié)構(gòu)的CdSe量子點、ZnzCcUTe量子點中任意選擇，核半徑為1.3?2.5nm，殼層厚度為1.4?2.8nm，量子點的發(fā)光波長為520nm至650nm，通過調(diào)節(jié)填充量子點的種類和配比來調(diào)節(jié)器件的發(fā)光波長。
[0023]本發(fā)明還提供了一種上述白光LED器件的制備方法，其步驟包括:
[0024]I)在發(fā)光波長430?480nm的InGaN/GaN量子阱LED基片上蒸鍍一層ITO層；
[0025]2)在ITO層表面生長一層絕緣層，在絕緣層表面生長一層金屬膜層，將SU8膠和紫外固化膠依次旋涂在金屬膜層表面，絕緣層采用具有高介電常數(shù)的致密絕緣材料，金屬膜層采用的金屬與P型GaN的金-半接觸的功函數(shù)匹配；
[0026]3)利用UV-NIL技術(shù)，使用軟模板在紫外固化膠上形成全面積的有序納米孔陣列；
[0027]4)利用RIE技術(shù)，通入CHFjP O 2的混合氣體刻蝕紫外固化膠的殘余層，然后以紫外固化膠為掩膜，利用RIE技術(shù)，通入02對SU8層進(jìn)行刻蝕，將納米孔陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至SU8層；
[0028]5)采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)，通入Ar氣刻蝕金屬膜層，將納米孔陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至金屬膜層，去除金屬膜層納米孔陣列表面表面的SU8膠；
[0029]6)采用光刻技術(shù)在器件表面做出標(biāo)準(zhǔn)的LED器件單元，去掉光刻膠以外的區(qū)域的金屬膜層，然后去掉光刻膠；
[0030]7)光刻，在器件表面作出P型電極區(qū)域，采用RIE技術(shù)，通入CFjP 02的混合氣體刻蝕絕緣層，使金屬膜層的納米孔陣列轉(zhuǎn)移至絕緣層，去除光刻膠；
[0031]8)采用ICP技術(shù)，通入(:12和Ar的混合氣體刻蝕ITO層，將納米孔陣列結(jié)構(gòu)從絕緣介質(zhì)層轉(zhuǎn)移至ITO層；
[0032]9)采用ICP技術(shù)，通入CljPAr的混合氣體，各向異性刻蝕P型氮化鎵層、量子阱有源層、η型氮化鎵層，形成貫穿ITO層、P型氮化鎵層、量子阱有源層，深至η型氮化鎵層的納米孔陣列，將樣品放置在無機(jī)酸、堿溶液水浴去除刻蝕損傷，然后去除殘余的絕緣層；
[0033]10)采用光刻技術(shù)，蒸鍍P型電極和η型電極；
[0034]11)配比一定濃度的I1-VI族量子點，旋涂在器件表面。
[0035]優(yōu)選的，所述絕緣層選用Si02或SiNx，金屬膜層選用N1、Cr或Al。
[0036]優(yōu)選的，生長的絕緣層厚度為30?300nm，金屬膜層厚度為10?50nm，SU8膠厚度為200?600nm，紫外固化膠厚度為30?300nm。
[0037]本發(fā)明利用銦鎵氮(InGaN)量子阱與I1-VI量子點中激子間的非輻射復(fù)合能量轉(zhuǎn)移，提高器件發(fā)光效率；通過改變填充量子點的種類和配比，可以調(diào)節(jié)發(fā)光波長與強度，能夠?qū)崿F(xiàn)超高顯色指數(shù)的氮化物/量子點混合結(jié)構(gòu)的白光LED器件。采用紫外軟壓印技術(shù)制備，可實現(xiàn)大面積低成本制備，克服氮化物量子阱LED外延片表面粗糙的缺陷，納米孔陣列形狀、直徑大小可調(diào)。本發(fā)明方法制得的納米孔陣列能基本保持與原有設(shè)計模板的規(guī)格一致。另外，該器件結(jié)構(gòu)與工藝可推廣到無機(jī)/有機(jī)混合雜化半導(dǎo)體發(fā)光器件，并與目前標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)光LED器件芯片制作工藝完全兼容，非常易于集成到現(xiàn)有LED產(chǎn)線生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0038]圖1為實施例1中步驟I)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2為實施例1中步驟2)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖3為實施例1中步驟3)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖4為實施例1中步驟4)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖5為實施例1中步驟5)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖6為實施例1中步驟6)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖7為實施例1中步驟7)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖8為實施例1中步驟9)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖9為實施例1中步驟10)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖10為實施例1中步驟11)得到的白光LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖11為白光LED器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049]圖12為實施例1中未混入量子點的有序納米孔陣列的掃描電子顯微圖像。
[0050]圖13為實施例1中混入量子點后的白光LED器件的截面掃描電子顯微圖像。
[0051]圖14為實施例1中白光LED器件表面的透射電子顯微鏡圖像，其中放大部分為量子點。
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