CN101504961A - 面发射多色发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管，其结构是：包括衬底(1)、n型氮化镓模板层(2)、介质图案层(3)、有源层(5)和电极，在介质图案层窗口方向暴露出的n型氮化镓模板层的上面设有凸起的n型氮化镓脊形条纹(4)，在所述脊形条纹的小面上自下往上依次设置有源层、小面p型氮化镓层及p型欧姆接触层；其制备方法是：在衬底上设置的n型氮化镓模板层的表面沉积介质薄膜，通过光刻和对介质薄膜进行湿法腐蚀获得图形氮化镓模板，再将模板放入外延设备反应室中进行再生长。本发明发光效率和光提取效率较高，可以实现波长剪裁、多色光合成、线偏振光发射和包括白光在内的各种颜色的发光二极管线偏振光源。

Description

面发射多色发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及发光二极管，具体涉及一种新型的面发射多色发光二极管及其制造方法。

背景技术

目前III族氮化物宽禁带半导体发光器件一般都是在蓝宝石或6H-SiC衬底基面上外延生长得到，而在外延生长方向[0001]存在自发极化和压电极化，得到的氮化物属于极性氮化物。而由自发极化和压电极化引起的极化电场对氮化物半导体发光是有害的。如在量子阱异质界面处的极化不连续性引起能带弯曲和引发量子限制嘶嗒克效应(QuantumConfined Stark Effect：QCSE)出现，其后果造成了电子空穴波函数在空间上分离，复合发光效率降低、发光峰的红移以及发光二极管(LED)发光峰随着驱动电流增加而蓝移等[P.Waltereit，et al，Nature，406，pp.865，2000]。

为消除极化内电场对量子阱发光的影响，可将氮化物外延在其它晶向衬底上，以得到无极性{1010}m面和{1120}a面氮化物。由于m面和a面都与c面正交，极化矢量将位于材料生长面内，因而沿竖直生长方向的异质结构不再受极化电场的影响。当氮化镓生长在蓝宝石(1012)r面或6H-SiC(1120)a面上时，可获得无极性(1120)a面氮化镓。若使用γ-LiAlO₂(100)或(1010)m面4H-SiC或6H-SiC衬底，则可得(1010)m面无极性氮化镓。对沿这些取向所获得的a面GaN/AlGaN[M.D.Craven，et al.Jpn.J.Appl.Phys，42，pp.L235，2003]、InGaN/GaN多量子阱[A.Chakraborty，et al，Appl.Phys.Lett，86，pp.031901，2005]和m面InGaN/GaN多量子阱进行PL测量[Y.J.Sun，et al，Phys.Rev.B，67，pp.041306，2003]，结果未能观察到PL发光峰红移，证实了这些量子阱内没有内电场存在。近来美国加州大学Santa Barbara分校的研究小组使用低缺陷密度的m面GaN体衬底(位错密度<5×10⁶cm^-2)，得到的LED外量子效率达到38.9％(峰值波长为407nm)，且当注入电流从1mA增加到20mA时，发光峰值随着注入电流增加的红移量小于1nm[M.C.Schmidt，et al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L126，2007]，发光性能已与c面LED相接近。

另一种减小或消除极化内电场的方法是生长半极性III族氮化物，比如取向为{1011}、{1012}、{1013}、{1122}、{1121}的III族氮化物。基于对应变诱导极化的计算结果，沿这些晶面生长的氮化物异质结构具有减弱的内电场，且某些晶面取向在某些应力条件下其体内的净内电场可以消除[A.E.Romanv，et al.J.Appl.Phys，100，023522，2006]。2007年，Tyagi等人在半极性(1011)GaN体衬底上实现了在20mA的驱动电流时的输出功率和外量子效率分别为20.58mW和33.91％的高亮度411nm的紫光LED，且发光峰随驱动电流增加而产生的峰移很小[A.Tyagi，et al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L129，2007]，其结果已可与商业化c面LED比拟，显示半极性氮化物LED性能已达到实用化程度。

此外，利用c面取向图形GaN模板进行选择性再生长也可以获得半极性小面InGaN/GaN量子阱结构[K.Nishizuka，et al.Appl.Phys.Lett，85，3122，2004；B.Neubert，et al.Appl.Phys.Lett，87，182111，2005]或(1101)蓝光LED，研究发现因为量子阱内的部分压电场得到抑制和具有较少的位错密度的缘故，(1122)取向量子阱结构与(0001)、(1120)小面量子阱相比，其室温PL强度最强，内量子效率可达40％，复合发光寿命也比c面取向的平面InGaN量子阱要短3倍。小面InGaN量子阱结构不仅可以提高发光强度，而且可对发光波长进行剪裁，Srinivasan利用使量子阱中铟组分起伏变化的方法来剪裁InGaN量子阱发光，同一量子阱结构可以发出不同波长的光，由于波长覆盖了可见光谱区的大部分，若生长条件优化就可以发出真正的白光，实现单片集成的白光二极管，而无需波长转换材料。Funato等将InGaN量子结构生长在GaN微小面上来实现多色光合成，实现了视觉上的二元补色白光[M.Funato，et al.Appl.Phys.Lett，88，261920，2006]，但是，上述方法存在的问题是发光谱的色域不够宽，且波长(即对应的颜色)不具有调节性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有新型结构的面发射多色发光二极管，该发光二极管是一种氮化物小面发射多色光发光二极管，它可以实现发光波长剪裁和多色光合成，以及多种颜色的发光，且所发射的光具有线偏振特性。还提供了该发光二极管的制作方法，以满足市场需求。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的面发射多色发光二极管，其结构是：包括衬底、n型氮化镓模板层、介质图案层、有源层和电极，其特征是：在介质图案层窗口方向暴露出的n型氮化镓模板层的上面设有凸起的n型氮化镓脊形条纹，在所述脊形条纹的小面上自下往上依次设置有源层、小面p型氮化镓层及p型欧姆接触层，由此构成具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管。

本发明提供的上述面发射多色发光二极管，其制备采用包括以下步骤的方法：

步骤1：在衬底上外延设置n型氮化镓模板层；

步骤2：在n型氮化镓模板层的表面沉积介质薄膜，通过光刻和对介质薄膜进行湿法腐蚀实现图形转移，获得介质图案层，该介质图案层的窗口处须暴露氮化镓模板层，从而制得图形氮化镓模板；

步骤3：将图形氮化镓模板放入外延设备反应室中按下述方法进行再生长，

先经过小面控制外延侧向过度生长获得(1122)小面取向的呈凸起的n型氮化镓脊形条纹，该条纹沿氮化镓晶体的<1100>的方向，然后在所述条纹的小面上先生长小面多量子阱的有源层，再往上生长小面p型氮化镓层，其中，小面多量子阱是指In_xGa_1-xN/GaN小面多量子阱，x＝0.01～0.6；

步骤4：在小面p型氮化镓层上面，沉积p型欧姆接触层；然后在p型欧姆接触层上面沉积p型电极；

步骤5：在n型氮化镓模板层上面，沉积n型电极；

经过上述步骤，制备出一种具有表面为凸起的条纹图案状的氮化物面发射结构，能够实现对发光波长进行裁剪、多色光合成和发射包括白光在内的各种颜色光的发光二极管。

本发明提供的上述面发射多色发光二极管制备方法，其在化合物半导体发光器件和光电器件，或者包括III族氮化物基在内的宽禁带半导体发光二极管的制造中的用途。

本发明与传统发光二极管相比具有以下主要的优点：

其一结构新颖：与传统发光二极管表面结构不同，具有凸起的条纹图案结构，降低GaN材料与外界接触界面上向GaN材料内的反射，有利于GaN内的光进入外界，不需增设布拉格反射镜，且具有更高的光提取效率。

其二.发光效率高：利用小面控制外延侧向生长技术来实现(1122)取向的半极性小面In_xGa_1-xN/GaN多量子阱结构，使量子阱中由自发极化和压电极化导致的内电场得以消除或减弱，量子限制嘶嗒克效应得到抑制，使小面多量子阱具有更高的发光效率。

三.功能多：基于这种小面多量子阱的发光二极管，还可利用阱宽和铟组分在小面上的起伏变化和不同组分的小面多量子阱结构的重叠两种方式，实现发光波长剪裁和多色光合成，从而可以获得包括白光在内的发多种颜色光的发光二极管。同时，由于(1122)取向的In_xGa_1-xN/GaN量子阱发射的光具有沿[1100]偏振特性，因此这种发光二极管还可以提供很好的线偏振多色光发射。

其四.实用性强：基于高发光效率和多色合成特性，因此在照明、显示和交通等领域具有广阔的应用前景。而作为高效的线偏振光源，也将会是液晶显示背光源很好的选择。

其五.适用于化合物半导体发光器件和光电器件，特别适用于III族氮化物基等宽禁带半导体发光二极管的制造。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的截面结构示意图。

图中：1.衬底；2.n型氮化镓模板层；3.介质图案层；4.n型氮化镓脊形条纹；5.有源层；6.小面p型氮化镓层；7.p型欧姆接触层；8.n型电极；9.p型电极。

具体实施方式

本发明提供的新型氮化物面发射多色发光二极管具有较高的发光效率，可以实现发光波长剪裁，多色光合成和线偏振光发射。下面将结合附图对这种氮化物面发射多色发光二极管的结构和制作方法进行详细地说明，以使对本发明有更细致的了解。下面的介绍仅用来阐述说明本发明，非据此以对本发明的实现方法做任何形式的限制，故凡是以本发明所述形状，结构，特征及基本思想为基础，而对本发明作任何形式的修饰或修改，都应归属本发明意图保护的知识产权范畴。

一.具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管

如图1和图2所示：包括衬底1、n型氮化镓模板层2、介质图案层3、有源层5和电极。在介质图案层3窗口方向暴露出的n型氮化镓模板层2的上面设有凸起的n型氮化镓脊形条纹4，在所述脊形条纹的小面上自下往上依次设置有源层5、小面p型氮化镓层6及p型欧姆接触层7。

所述的介质图案层3窗口方向是指沿氮化镓晶体的<1100>的方向。

所述的有源层5可以为半极性小面In_xGa_1-xN/GaN多量子阱结构的有源层，其中，x＝0.01～0.6。

二.具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管的制备方法

采用包括以下步骤的方法：

步骤1：在衬底1上外延设置n型氮化镓模板层2。衬底1可采用蓝宝石、碳化硅、硅、绝缘体硅、氧化锌、尖晶石、铝酸锂、氧化镁、硼化锆、砷化镓或氧化镓。

步骤2：在n型氮化镓模板层2的表面沉积介质薄膜，通过光刻和对介质薄膜进行湿法腐蚀实现图形转移，获得介质图案层3，该介质图案层的窗口处须暴露n型氮化镓模板层2，从而制得图形氮化镓模板。介质图案层的窗口方向是指沿氮化镓晶体的<1100>的方向，其中，窗口宽度为1～10um，介质条纹宽度为4～16um。介质薄膜的材料采用氮化硅或二氧化硅。

步骤3：将图形氮化镓模板放入外延设备反应室中按下述方法进行再生长。

先经过小面控制外延侧向过度生长获得(1122)小面取向的呈凸起的n型氮化镓脊形条纹4，该条纹沿氮化镓晶体的<1100>的方向，然后在所述条纹的小面上先生长小面多量子阱的有源层5，再往上生长小面p型氮化镓层6。其中，小面多量子阱是指In_xGa_1-xN/GaN小面多量子阱，x＝0.01～0.6。

通过改变小面多量子阱的生长温度600～780℃和反应室的压力60～200乇(Torr)，调节小面多量子阱中各量子阱的参数，使阱宽和铟组分在小面上起伏变化，呈不均匀分布。在调节所述量子阱的参数时，应使量子阱具有5至6个周期，各个量子阱的阱层宽度为2至5nm，GaN垒层宽度为5至25nm。

通过改变生长条件，调节各个单个小面多量子阱中铟的组分，使In_xGa_1-xN/GaN和In_yGa_1-yN/GaN的小面多量子阱结构重叠，x＝0.01～0.6，y＝0.01～0.6，y≠x。

所述生长条件为：小面多量子阱的生长温度为600～780℃，反应室的压力60～200乇，生长参数为：铟源摩尔流量除以镓源摩尔流量和铟源摩尔流量之和之比值介于0.5至0.9999，V族氮源摩尔流量与III族镓源摩尔流量和铟源摩尔流量之和之比介于800到20000。

步骤4：在小面p型氮化镓层6上面，沉积p型欧姆接触层7；然后在p型欧姆接触层7上面沉积p型电极9。

步骤5：在n型氮化镓模板层2上面，沉积n型电极8。

经过上述步骤，制备出一种具有表面为凸起的条纹图案状的氮化物面发射结构，能够实现对发光波长进行裁剪、多色光合成和发射包括白光在内的各种颜色光的发光二极管。

以下是对上述制备方法提供的具体实施例：

实例一：

1.利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底基面上外延1～3um厚n型GaN的模板层。

2.采用PECVD在GaN模板层上沉积50～100nm厚的Si₃N₄介质薄膜，通过光刻和湿法腐蚀实现图形转移，在GaN模板层上得到窗口沿GaN<1100>方向的Si₃N₄介质条纹图案。图案窗口宽1～10μm，条纹宽4～16μm。

3.将GaN图形模板放入MOCVD反应室，通过小面控制外延侧向生长，生长n型GaN，得到表面具有脊形结构的n型GaN层。

4.在脊形结构n型GaN的小面上，继续生长InGaN/GaN小面多量子阱结构，通过改变生长条件，调节In_xGa_1-xN/GaN(x＝0.01～0.6)多量子阱的参数，使量子阱具有5至6个周期，而使各个量子阱的InGaN阱层宽度在2～5nm，GaN垒层宽度在5～25nm，铟组分在0.01～0.6范围内调节。

5.在小面多量子层上继续生长p型GaN。

实例二：

1.利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在碳化硅(6H-SiC)衬底基面上外延1～3um厚n型GaN的模板层。

2.采用PECVD在GaN模板层上沉积100nm厚的SiO₂介质薄膜，通过光刻和湿法腐蚀实现图形转移，在GaN模板层上得到窗口沿GaN<1100>方向的SiO₂介质条纹图案。图案窗口宽1～10μm，条纹宽4～16μm。

3.将GaN图形模板放入MOCVD反应室，通过小面控制外延侧向生长，生长n型GaN，得到表面具有脊形结构的n型GaN层。

4.在脊形结构n型GaN的小面上，继续生长In_xGa_1-xN/GaN(x＝0.01～0.6)小面多量子阱结构，通过改变生长条件，调节In_xGa_1-xN/GaN(x＝0.01～0.6)多量子阱的参数，使量子阱具有5至6个周期，而使各个量子阱的InGaN阱层宽度在2～5nm，GaN垒层宽度在5～25nm，铟组分在0.01至0.6范围内调节。

5.在小面多量子层上继续生长p型GaN。

其中，衬底1可以从蓝宝石，碳化硅(6H-SiC)，(111)面硅、绝缘体硅SOI，氧化锌(ZnO)、尖晶石(MgAl₂O₄)、铝酸锂(LiAlO₂)、氧化镁(MgO)、硼化锆(Zr₃B₄)、砷化镓(GaAs)、氧化镓(Ga₂O₃)等材料中选择。

又，介质图形层3所采用的介质材料可以是氮化硅(Si₃N₄)，二氧化硅(SiO₂)等。介质图形层3图形窗口方向必须沿GaN晶体的<1100>方向。

又，在生长小面In_xGa_1-xN/GaN(x＝0.01～0.6)多量子阱5过程中，通过改变成长条件与参数，调节小面多量子阱中各量子阱的参数，使阱宽和铟组分在小面上起伏变化，呈不均匀分布。

又，在生长小面In_xGa_1-xN/GaN(x＝0.01～0.6)多量子阱5过程中，通过改变生长条件与参数，调节各个单个小面量子阱中铟的组分，使不同组分的小面量子阱结构重叠。

又，外延生长设备可包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。

三.具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管的制备方法应用

本发明提供的上述的制备方法，其在化合物半导体发光器件和光电器件，或者包括III族氮化物基在内的宽禁带半导体发光二极管的制造中的用途。

Claims (10)

1.一种面发射多色发光二极管，包括衬底(1)、n型氮化镓模板层(2)、介质图案层(3)、有源层(5)和电极，其特征是：在介质图案层(3)窗口方向暴露出的n型氮化镓模板层(2)的上面设有凸起的n型氮化镓脊形条纹(4)，在所述脊形条纹的小面上自下往上依次设置有源层(5)、小面p型氮化镓层(6)及p型欧姆接触层(7)，由此构成具有表面为凸起的条纹图案状结构的氮化物面发射多色发光二极管。

2.根据权利要求1所述的面发射多色发光二极管，其特征是：介质图案层(3)窗口方向是指沿氮化镓晶体的<1100>的方向。

3.根据权利要求1所述的面发射多色发光二极管，其特征是：有源层(5)为半极性小面In_xGa_1-xN/GaN多量子阱结构的有源层，其中，x＝0.01～0.6。

4.一种面发射多色发光二极管的制备方法，采用包括以下步骤的方法：

步骤1：在衬底(1)上外延设置n型氮化镓模板层(2)；

步骤2：在n型氮化镓模板层(2)的表面沉积介质薄膜，通过光刻和对介质薄膜进行湿法腐蚀实现图形转移，获得介质图案层(3)，该介质图案层的窗口处须暴露n型氮化镓模板层(2)，从而制得图形氮化镓模板；

步骤3：将图形氮化镓模板放入外延设备反应室中按下述方法进行再生长，

先经过小面控制外延侧向过度生长获得(1122)小面取向的呈凸起的n型氮化镓脊形条纹(4)，该条纹沿氮化镓晶体的<1100>的方向，然后在所述条纹的小面上先生长小面多量子阱的有源层(5)，再往上生长小面p型氮化镓层(6)，其中，小面多量子阱是指In_xGa_1-xN/GaN小面多量子阱，x＝0.01～0.6；

步骤4：在小面p型氮化镓层(6)上面，沉积p型欧姆接触层(7)；然后在p型欧姆接触层(7)上面沉积p型电极(9)；

步骤5：在n型氮化镓模板层(2)上面，沉积n型电极(8)；

经过上述步骤，制备出一种具有表面为凸起的条纹图案状的氮化物面发射结构，能够实现对发光波长进行裁剪、多色光合成和发射包括白光在内的各种颜色光的发光二极管。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：衬底(1)采用蓝宝石、碳化硅、硅、绝缘体硅、氧化锌、尖晶石、铝酸锂、氧化镁、硼化锆、砷化镓或氧化镓。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：介质图案层的窗口方向是指沿氮化镓晶体的<1100>的方向，其中，窗口宽度为1～10um，介质条纹宽度为4～16um。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：介质薄膜的材料是氮化硅或二氧化硅。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：通过改变小面多量子阱的生长温度600～780℃和反应室的压力60～200乇，调节小面多量子阱中各量子阱的参数，使阱宽和铟组分在小面上起伏变化，呈不均匀分布，

在调节所述量子阱的参数时，应使量子阱具有5至6个周期，各个量子阱的阱层宽度为2至5nm，GaN垒层宽度为5至25nm。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：通过改变生长条件，调节各个单个小面多量子阱中铟的组分，使In_xGa_1-xN/GaN和In_yGa_1-yN/GaN的小面多量子阱结构重叠，x＝0.01～0.6，y＝0.01～0.6，y≠x，

所述生长条件为：小面多量子阱的生长温度为600～780℃，反应室的压力60～200乇，生长参数为：铟源摩尔流量除以镓源摩尔流量和铟源摩尔流量之和之比值介于0.5至0.9999，V族氮源摩尔流量与III族镓源摩尔流量和铟源摩尔流量之和之比介于800到20000。

10.根据权利要求4至9中任一权利要求所述的制备方法的应用，其特征是：在化合物半导体发光器件和光电器件，或者包括III族氮化物基在内的宽禁带半导体发光二极管的制造中的用途。

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