CN100403564C - 单片多色、多量子阱半导体发光二极管及制造其的方法 - Google Patents

单片多色、多量子阱半导体发光二极管及制造其的方法 Download PDF

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Abstract

一种单片、多色半导体发光二极管(LED)，形成有多带隙、多量子阱(MQW)有源发光区，其发射在范围从UV到红的间隔开的波长带或区的光。所述MQW有源发光区包括MQW层堆叠，该MQW层堆叠包括将n-1个量子阱间隔开的n个量子垒。实施例包括这样的实施例，其中所述MQW层堆叠包括至少两个不同带隙的量子阱，用于在例如蓝或绿区和至少一个其它区发射两个不同波长的光，并且发射强度被调节以提供经组合的光发射的预选颜色，优选为白光。

Description

单片多色、多量子阱半导体发光二极管及制造其的方法
交叉参考
本申请要求2004年9月9日提交的美国临时专利申请No.60/608,217的优先权，其整个公开在此引入作为参考。
技术领域
本公开涉及发射多种颜色的光的半导体发光二极管(LED)。更具体地，本公开涉及具有独特的多量子阱(MQW)结构的单片(monolithic)白光LED。
背景技术
基于氮化镓(GaN)III-V化合物半导体的发光二极管(LED)典型地展示出极佳的光发射特性。理论上，来自基于GaN的III-V化合物半导体，如InGaN、AlGaN、AlInGaN及GaN的LED发射可覆盖从短波长(即UV)到较长波长(即红光)的整个可见光谱。
基于GaN的蓝和绿LED已经广泛地用在工业应用中，而对于显示和照明应用中的使用，目前基于GaN的白光LED正在吸引增加的注意力。当前，基于GaN的白光发射LED可以以几种不同方式制造。用于制造基于GaN的白光发射LED的一种途径是组合基于磷光体(phosphor)的波长转换器与发射UV或蓝光的基于GaN的LED。根据该途径，所述LED所发射的一些或所有UV或蓝光由磷光体材料吸收，并重新发射为较长波长的光。当所述磷光体材料重新发射较低能量(较长波长)的光，且重新发射的光的一个或多个波长带组合以形成白光时，产生了白光。在这种应用中使用的一种类型的基于磷光体的波长转换器是掺杂铈(Ce)的钇-铝石榴石(YAG:Ce)材料。
根据用于制造基于GaN的白光发射LED的另一种途径，形成了如下装置，其包括一对有源区，即发光区，例如基于InGaN的一次蓝光发射有源区及基于AlGaInP的二次光转换区。在操作中，由所述基于InGaN的一次蓝光发射有源区所发射的一部分蓝光由所述基于AlGaInP的二次光转换区吸收，并重新发射为较低能量(较长波长)的光子。当所述两个光源具有适当的强度比和波长时，白光被感觉为是从所述装置发射的。
用于制造白光发射LED的又一种途径包含组合两个或更多不同的LED，例如红、绿、及蓝LED，其中每个LED半导体芯片被提供有其自己的电流供应。所述LED以所选择的不同波长和功率比来发射光子，从而导致所感觉的白光。该途径的缺陷是需要用于协调地操作所述LED的复杂驱动电路，以及大的封装尺寸。
根据用于制造基于GaN的白光发射LED的再一种途径，两个波长互补的有源LED结区(junction region)串联形成于单个基板上，例如包括具有低铟(In)浓度的InGaN/GaN多量子阱(MQW)区以及具有高铟(In)浓度的InGaN/GaN MQW区。前者的MQW区提供蓝光的LED发射，而后者的MQW区提供绿光的LED发射，其组合被感觉为白光。
但是，根据每种上述途径来制造基于GaN的白光发射LED必然伴有增加的制造复杂度、成本、及特定缺陷，如差的装置可靠性。因此认为一种用于制造基于GaN的白光发射LED的新途径是理想的，其提供简单的处理和低制造成本，不需要昂贵的后处理晶片接合及封装。另外，需要改进的基于GaN的白光发射LED，其避免对于短寿命的基于磷光体的波长转换器的需求并且因此展示出优良的可靠性、改善的功率利用效率、较低的正向工作电压、及当在不同距离和角度观察所发射的光时很少或没有谱移位(spectrum shift)。
发明内容
本公开涉及改进的半导体发光二极管(LED)，其包括用于产生白光或预选颜色的光的新型单片、多带隙、多量子阱(MQW)结构。
本公开的一个优点是一种用于制造具有预选颜色的光发射的单片、多带隙、MQW半导体LED的改进方法。
本公开的另外优点及其它特征将在下面的描述中提出，并且其一部分基于对以下的检查对于本领域的普通技术人员将变得明显或者可从本公开的实践中习得。所述优点可如在所附权利要求中所特别指出的那样实现并获得。
根据本公开的一个方面，前述和其它优点的一部分通过一种改进的单片、多色半导体发光二极管(LED)而获得，所述发光二极管包括多带隙、多量子阱(MQW)有源发光区，其发射在范围从UV到红区的至少两个间隔开的波长带或区的光。
根据本公开的实施例，所述多带隙、MQW有源发光区包括：MQW层堆叠，其包括将n-1个量子阱间隔开的n个量子垒(quantum barrier)；所述MQW层堆叠包括至少两个不同带隙的量子阱；并且，在所述至少两个间隔开的波长带或区的每个的光发射强度被调节并组合以提供光发射的合成(即组合)颜色。有利地，所述合成颜色可以是白光的颜色，在该实例中所述多带隙、MQW有源发光区包括用于在所述蓝或绿波长区和至少一个其它区发射光的量子阱。
根据本公开的实施例，每个所述量子阱包括基于氮化物的III-V化合物半导体，所述半导体包括至少氮(N)，且所述LED包括外延地形成于基板表面上的多个堆叠的基于GaN的半导体层。所述多个堆叠层从所述基板表面起按顺序包括：至少一个成核(nucleation)/缓冲层，包括最上的N-型层；多带隙、MQW层堆叠；以及，至少一个P-型层。
根据本公开的一个实施例，所述多带隙、MQW层堆叠从所述至少一个成核/缓冲层起按叠置顺序包括：量子垒、深蓝量子阱、量子垒、第一绿量子阱、量子垒、第二绿量子阱、量子垒、第三绿量子阱、量子垒、第一蓝量子阱、量子垒、第二蓝量子阱、及量子垒，其中每个所述量子垒约12nm厚且由GaN组成；所述深蓝量子阱约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x约为0.16，并且在约428nm具有很弱的发射峰；所述第一、第二及第三绿量子阱的每个约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x约为0.32，并且在约533nm具有发射峰；并且所述第一和第二蓝量子阱的每个约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x约为0.19，并且在约445nm具有发射峰。
本公开的另一个方面是一种制造发射预选颜色的光的单片半导体发光二极管(LED)的改进方法，所述方法包括：在基板上形成装置的多带隙、多量子阱(MQW)有源发光区，其发射在至少两个间隔开的波长带或区的光；所述MQW有源发光区包括MQW层堆叠，该MQW层堆叠包括被各量子垒隔开的多个量子阱，所述多带隙、MQW层堆叠按叠置顺序包括：量子垒、深蓝量子阱、量子垒、第一绿量子阱、量子垒、第二绿量子阱、量子垒、第三绿量子阱、量子垒、第一蓝量子阱、量子垒、第二蓝量子阱、及量子垒；以及，调节在所述至少两个间隔开的波长带或区的每个的光发射强度，使得它们组合以提供预选颜色。
在本公开的一个实施例中，形成所述MQW有源发光区，使得每个所述量子垒约12nm厚且由GaN组成；所述深蓝量子阱大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于约0.16，并且在大约428nm具有发射峰；所述第一、第二及第三绿量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.32，并且在大约533nm具有发射峰；并且，所述第一和第二蓝量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.19，并且在大约445nm具有发射峰。
根据本公开的实施例，所述预选颜色是白光，并且所述多带隙、MQW有源发光区包括用于在所述绿或蓝区和至少一个其它区发射光的量子阱。
根据以下详细描述，本公开的另外优点对本领域的技术人员将变得容易显而易见，在所述详细描述中，仅通过图解而非限制的方式，仅示出并描述了本公开的优选实施例。如将认识到的，本公开能够实现其它和不同的实施例，并且其几个细节能够在各种明显的方面加以修改，都不脱离本公开的精神。因此，附图和描述在本质上应看作示例性的，而不是限制性的。
附图说明
当结合以下附图阅读时，对本公开实施例的以下详细描述可以得到最好的理解，在所述附图中始采用相同的参考数字来表示相似的特征，所述特征不必按比例画出，相反被画出是为了最好地图解有关特征，其中：
图1是根据本公开的基于GaN的单片白光发射MQWLED 10的示例性而非限制性实施例的一部分的简化示意性横截面视图；
图2是指示图1的LED 10的多带隙MQW有源区的铟(In)浓度的SIMS分布的曲线图；
图3是图解图1的单片白光发射MQW LED 10的电致发光(EL)谱的曲线图；并且
图4是根据本公开的单片多色或白光发射MQW LED的MQW有源区的通用化表示的简化示意性横截面视图。
具体实施方式
为提供避免上述常规途径的缺陷和缺点的基于GaN的白光发射LED及其制造方法而完成了本公开。因此，本公开所提供的用于制造基于GaN的白光发射LED的新途径提供了简单的处理和低制造成本，不需要昂贵的后处理/封装，同时消除了对于短寿命的基于磷光体的波长转换器的需求，从而使根据本公开的基于GaN的白光(或其它所需颜色的光)发射LED展示出优良的可靠性、改善的功率利用效率、较低的正向工作电压、及当在不同距离和角度观察所发射的光时很少或没有谱移位。另外，根据本公开的基于GaN的白光发射LED可以利用常规III-V化合物半导体制造方法和技术来制造。
参考图1，其中以简化的示意性横截面视图示出了根据本公开的优选的基于GaN的单片白光发射MQW LED 10的示例性而非限制性的实施例的部分，其可通过常规外延淀积技术来形成，包括合适的基板1，例如GaN或GaAs晶片、蓝宝石(Al2O3)、及碳化硅(SiC)，图示为蓝宝石，以便于在其上的外延淀积；而成核/缓冲层2形成于其上，包括例如约10nm厚的GaN成核层2A，与基板1的表面接触；约1μm厚的叠置的未掺杂的GaN缓冲层2B；及叠置的约4μm厚的N-掺杂的GaN缓冲层2C，例如包含作为N-型掺杂物的Si。叠置的N-GaN层2C是多带隙、多量子阱(MQW)有源区4，例如由InxGa1-xN和GaN组成。
如图1中详细示出的，多带隙、多量子阱(MQW)有源区4包括堆叠的多个量子垒4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N，具有相应的介于其间的绿量子阱4D、4F和4H、深蓝量子阱4B及蓝量子阱4K和4M。所述量子垒4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N的每个约12nm厚并由GaN组成；所述绿量子阱4D、4F和4H的每个约3nm厚并由具有约2.33eV带隙的InxGa1-xN组成；所述深蓝量子阱4B约3nm厚并由具有约2.9eV带隙的InxGa1-xN组成；而所述蓝量子阱4K和4M的每个约3nm厚并由具有约2.79eV带隙的InxGa1-xN组成。
根据本公开，若需要，所述基于GaN的量子垒4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N的每个可包括少量的铟(In)。所述量子垒用来俘获相应量子阱内的所注入的少数载流子，以增强来自其中的自发的光发射。典型地，所述量子垒的带隙大于相关联的量子阱的带隙，并且其厚度被选择成避免可导致性能下降的高正向电压及过度加热。
仍参考图1，LED 10的叠置MQW有源区4是一对P-掺杂层，其具有约0.3μm的组合厚度，分别由Mg-掺杂的P-AlGaN层5和Mg-掺杂的P-GaN层6组成。最后，提供欧姆接触3和7用于分别电接触层2和6。
参考图2，在其中示出一曲线图，其指示根据本公开的LED的多带隙MQW有源区，如图1的包括6个量子阱的LED 10的MQW有源区4中的铟(In)浓度的SIMS分布。如从图2中显而易见的，所述第二、第三和第四量子阱，即所述绿阱，具有相同的约32at.％的In浓度，即Ga.68In.32N；所述第一量子阱，深蓝量子阱，具有约16at.％的In浓度，即Ga.84In.16N；而所述第五和第六量子阱，即所述蓝阱，具有相同的约19at.％的In浓度，即Ga.81In.19N。
图3是图解图1的单片白光发射MQW LED 10的电致发光(EL)谱的曲线图。在较短波长区(445nm)的强度峰由所述第一、第五和第六量子阱，即所述蓝阱产生，而在较长波长区(533nm)的强度峰由所述第二、第三和第四量子阱，即所述绿阱产生。
参考图4，在其中以简化的示意性横截面视图示出了根据本公开的单片多色或白光发射MQW LED，例如图1的LED 10的MQW有源区4的通用化表示。如所示，所述MQW有源区4可包括n个量子垒和n-1个量子阱(如从区4的最上到最下层编号)，其中n是整数，具有最小值3(即最少2个量子阱)，Eg(Bn)表示第n个垒的带隙能量，而Eg(Wn-1)表示第n-1个阱的带隙能量。
要强调的是，根据本公开，MQW有源区4的量子垒和阱的数目n和n-1不限于在上述示例性实施例中所示的那些；所述带隙和厚度也不限于在所述示例性实施例中所示的那些。相反，量子阱和垒的数目及其带隙和厚度可以不同于所述示例性实施例。更具体地，根据本公开，量子阱和垒的数目及其厚度可以调节成可控制地改变不同能量(波长)的所发射光子的强度比。每个量子阱的带隙，由此每个量子阱所发射的光的颜色，通过对所述阱的In浓度的适当调节来控制，并且因此范围可从UV区到红区。结果，根据本公开的MQW LED可以定制成发射多个波长带的光，其可组合以产生白光或所需颜色的光。而且，本公开的构思不限于所示实施例的基于氮化物的III-V化合物半导体系统，而相反可通用于其它和不同的半导体系统。
如以上所示，可借助于用于III-V化合物半导体外延淀积的常规方法和技术来容易地制造根据本公开的单片、多色或白光发射MQW LED。用于在实践本公开中使用的合适外延淀积技术包括，但不限于：氢化物气相外延(HVPE)、有机金属气相外延(OMVPE)和分子束外延(MBE)。例如，所述基于GaN的III-V半导体层可由AlxGayIn1-x-yN组成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1；Ga源可以是TMGa或TEGa；Al源可以是TMAl或TEAl；铟源可以是TMIn或TEIn；N源可以是NH3；P型掺杂物可以从Zn、Cd、Be、Mg、Ca和Ba中选择；N型掺杂物可以从Si、Ge和Sn中选择；而载气可以从H2、N2、其它惰性气体、及前述气体的组合中选择。
本公开提供了改进的基于GaN的单片、多色或白光发射MQW LED，同时能提供相对于常规的基于GaN的多色和白光发射LED的许多优点，尤其包括优良的可靠性、改善的功率利用效率、较低的正向工作电压、及当在不同距离和角度观察所发射的光时很少或没有谱移位，并且不需要额外的晶片接合及后封装处理。另外，根据本公开的基于GaN的单片、多色和白光发射MQW LED可利用常规III-V化合物半导体制造方法和技术来容易地制造。
在以上描述中提出了许多特定细节，如特定材料、结构、过程等，以便提供对本公开的较好理解。但是，本公开可以无需所具体提出的细节而得以实践。在其它实例中，众所周知的处理材料和技术未详细描述，从而不致于不必要地模糊本公开。
在本公开中仅示出并描述了本公开的优选实施例以及其通用性的仅几个示例。应理解的是，本公开能用于各种其它组合及环境，并且易于在如本文所述的所公开的构思的范围之内加以改变和/或修改。

Claims (10)

1.一种单片、多色半导体发光二极管，包括多带隙、多量子阱有源发光区，其发射在范围从UV到红带或区的多个间隔开的波长带或区的光，
其中所述多带隙、多量子阱有源发光区包括多量子阱层堆叠，该多量子阱层堆叠包括被各量子垒隔开的多个量子阱，
其中所述多带隙、多量子阱层堆叠按叠置顺序包括：量子垒、深蓝量子阱、量子垒、第一绿量子阱、量子垒、第二绿量子阱、量子垒、第三绿量子阱、量子垒、第一蓝量子阱、量子垒、第二蓝量子阱、及量子垒。
2.如权利要求1的发光二极管，其中在所述间隔开的波长带或区的每个的光发射强度被调节并组合以提供光发射的合成颜色。
3.如权利要求2的发光二极管，其中所述合成颜色是白光。
4.如权利要求1的发光二极管，其中每个所述量子阱包括基于氮化物的III-V化合物半导体，所述半导体包括至少氮。
5.如权利要求1的发光二极管，包括多个堆叠的基于GaN的半导体层，其外延地形成在基板的表面上。
6.如权利要求5的发光二极管，其中所述多个堆叠层从所述基板表面起按顺序包括：至少一个成核/缓冲层，包括最上的N-型层；所述多带隙、多量子阱层堆叠；以及，至少一个P-型层。
7.如权利要求1的发光二极管，其中每个所述量子垒约12nm厚且由GaN组成；所述深蓝量子阱大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于约0.16，并且在大约428nm具有发射峰；所述第一、第二及第三绿量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.32，并且在大约533nm具有发射峰；并且，所述第一和第二蓝量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.19，并且在大约445nm具有发射峰。
8.一种制造发射预选颜色的光的单片半导体发光二极管的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在基板上形成多带隙、多量子阱有源发光区，其发射在多个间隔开的波长带或区的光，所述多量子阱有源发光区包括多量子阱层堆叠，该多量子阱层堆叠包括被各量子垒隔开的多个量子阱，所述多带隙、多量子阱层堆叠按叠置顺序包括：量子垒、深蓝量子阱、量子垒、第一绿量子阱、量子垒、第二绿量子阱、量子垒、第三绿量子阱、量子垒、第一蓝量子阱、量子垒、第二蓝量子阱、及量子垒；以及
(b)调节在所述多个间隔开的波长带或区的每个的光发射强度，使得它们组合以提供所述预选颜色。
9.如权利要求8的方法，其中：
步骤(a)包括形成所述多量子阱有源发光区，使得每个所述量子垒约12nm厚且由GaN组成；所述深蓝量子阱大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于约0.16，并且在大约428nm具有发射峰；所述第一、第二及第三绿量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.32，并且在大约533nm具有发射峰；并且，所述第一和第二蓝量子阱的每个大约3nm厚，由InxGa1-xN组成，其中x等于大约0.19，并且在大约445nm具有发射峰。
10.如权利要求8的方法，其中：
步骤(b)包括调节在所述多个间隔开的波长带或区的每个的光发射强度，使得它们组合以提供白光。
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