CN101621103A - 发光二极管及其生长方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管，包括N型半导体层、P型半导体层和夹在两者之间的发光层，所述发光二极管还包括光激发层，所述光激发层由掺杂有稀土元素的III－V族化合物半导体材料构成。本发明进一步提供了一种生长上述发光二极管的方法。本发明的优点在于，采用掺杂有稀土元素的半导体材料作为光激发层代替现有的荧光粉，并且光激发层的厚度大于10微米，以保证激发光的强度足以匹配发光层辐射光的强度，避免混合后的白光发生色偏。光激发层在长时间工作的情况下也不会出现衰减现象。

Description

发光二极管及其生长方法

【技术领域】

本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种发光二极管及其生长方法。

【背景技术】

节能减排是目前我国发展中面临的一个非常重要的问题。采用高效的光源，例如半导体光源等，代替传统的白炽灯作为照明光源，可以节约大量的电能。

作为通用照明的光源而言，能够发出白光的半导体光源无疑是需求量最为庞大的一种。白光光源实质上是由多个可见光波段的光波混合而成而达到白光视觉效果的一种光源。现有技术中，通常是利用GaN基蓝光LED激发特定的荧光粉，该荧光粉在蓝光的激励下能够发射出红光和绿光，并同LED本身的蓝光相互混合，从而形成视觉上的白光效果。

现有技术的缺点在于荧光粉长时间工作的情况下的衰退现象很明显，具体表现为受激所产生的红光和绿光的光强降低，而GaN基蓝光LED的衰退周期小于荧光粉，因此在使用一段时间之后，该光源所发出的白光会显著变蓝，最终导致该光源无法继续作为白光光源使用。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种发光二极管及其生长方法，能够在不采用荧光粉的情况下发射出白光，并且工作稳定，在长时间工作的情况下也不会出现衰减现象。

为了解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管，包括N型半导体层、P型半导体层和夹在两者之间的发光层，以及由掺杂有稀土元素的III-V族化合物半导体材料构成的光激发层，光激发层的厚度大于10微米，光激发层用于吸收一部分发光层发出的光并激发出其他颜色的光，与发光层发出的未被吸收的光混合在一起，形成白光。

作为可选的技术方案，所述光激发层设置于N型半导体层或者P型半导体层的远离发光层的表面，或者设置于N型半导体层与发光层之间，或者设置于P型半导体层与发光层之间。

作为可选的技术方案，所述N型半导体层与P型半导体层的材料为GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的一种或多种，发光层的材料选自于GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的一种或多种。

作为可选的技术方案，所述激发层的材料为GaN，所述稀土元素选自于Er、Eu、Pr、Tm、Ce、Nd、Sm、Gd、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb和Lu中的一种或多种。

作为可选的技术方案，所述激发层包括多个掺杂层，每个掺杂层具有不同的掺杂元素，以辐射出不同波长的光波。

作为可选的技术方案，所述稀土元素在激发层中均匀分布。

本发明进一步提供了一种生长上述发光二极管的方法，所述光激发层采用如下工艺生长：提供一生长表面，所述生长表面是N型半导体层表面、P型半导体层表面、发光层表面或者支撑衬底的表面；提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤素；提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有过渡族元素与卤素；提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；将第一、第二和第三反应气体相互混合；加热生长表面并将混合后的气体通过加热的生长表面，从而在生长表面形成由III族和V族元素构成的光激发层，所述光激发层掺杂有稀土元素。

作为可选的技术方案，所述III族元素选自于Ga、Al、In中的一种或多种，所述V族元素选自于N、P和As中的一种或多种，所述卤族元素选自于氯和溴中的一种或两种。

作为可选的技术方案，所述混合后的气体中，V族元素与III族元素的分子数目比例范围是1-1000。

作为可选的技术方案，所述加热支撑衬底的步骤中，加热的温度范围是500-1200℃。

本发明的优点在于，采用掺杂有稀土元素的半导体材料作为光激发层代替现有的荧光粉，并且光激发层的厚度大于10微米，以保证激发光的强度足以匹配发光层辐射光的强度，避免混合后的白光发生色偏。掺杂稀土元素之后的半导体层，其发光原理是依靠能带跃迁，即使长时间工作，激发波长也不会发生变化，因此性能稳定，在长时间工作的情况下也不会出现衰减现象。本发明进一步提供的生长方法的优点在于三种气体进行了预先混合，能够使III族元素的原子和稀土元素的原子相互充分扩散，可以保证从光激发层中激发出来的光波是均匀分布的，因此可以获得较好的视觉效果。

【附图说明】

附图1至附图4是本发明所述发光二极管的具体实施方式的结构示意图；

附图5是本发明所述发光二极管生长方法的具体实施方式中生长光激发层的实施步骤示意图；

附图6与附图7是本发明所述发光二极管生长方法的具体实施方式的工艺示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的发光二极管及其生长方法的具体实施方式做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述发光二极管的第一具体实施方式。附图1所示是本具体实施方式所述发光二极管10的结构示意图，包括：N型半导体层111、P型半导体层112和夹在两者之间的发光层120以及光激发层130。所述光激发层设置于N型半导体层远离发光层120的一侧。

本具体实施方式中，N型半导体层、P型半导体层和光激发层的材料为GaN，发光层的材料选自于InGaN、AlInGaN和InN中的一种，较为常见的发光层材料是InGaN与GaN组成的多量子阱结构。稀土元素选自于Er、Eu、Pr、Tm、Ce、Nd、Sm、Gd、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb和Lu中的一种或多种，并优选为Er、Eu和Tm之中的一种或多种。

附图1所示结构还包括第一电极141与第二电极142。在本具体实施方式中，上述两个电极位于发光二极管10两个相对的表面。在其他的具体实施方式中，如果P型半导体层112或者N型半导体层111设置于绝缘支撑衬底表面，也可以将两个电极设置于同侧，以上情况请参照附图2所示的内容，P型半导体层112设置于绝缘的支撑衬底150的表面。

在第一电极141与第二电极142之间施加驱动电压，设置于N型半导体层111和P型半导体层112之间的发光层120能够发出蓝光。具体的发光波长与发光层半导体材料的禁带宽度有关。以上由第一电极141与第二电极142以及N型半导体层111、P型半导体层112和发光层120所组成的是一种典型的发光二极管结构，关于其发光原理和波长决定机制是本领域内的公知技术，此处不再赘述。

继续参考附图1和附图2，本具体实施方式中所述的发光二极管10进一步采用了光激发层130。由于该光激发层130中掺杂了稀土元素，相当于在禁带中引入了深能级。光激发层130在被发光层120发出的光波照射的情况下，深能级起到了复合中心的作用，因此能够激发出光波。所激发光波的波长与深能级复合中心在禁带中的位置有关，而与入射光的波长无关，只要入射光的能量足够，就可以通过深能级复合而激发出对应的光波。通过调整光激发层130中稀土元素的种类和密度，可以控制光激发层激发出不同波长的光，例如通过在GaN中掺杂Eu，可以激发出红光，波长为621nm，而掺杂Er，可以激发出绿光，波长是537nm。以上两种光同LED发光层120自身激发的蓝光相互混合，即可以获得白光的视觉效果。以上也可以采用更多种类的稀土元素，从而获得更多波长的激发光波，以使混合后的白光具有更丰富的谱线，视觉感受更佳。

由于光激发层130激发光的强度与光激发层130的厚度有关，在稀土元素掺杂浓度相同的情况下，光激发层130的厚度越厚，所获得的激发光的强度越大，因此所述光激发层130的强度应大于10微米，以保证激发光的强度足以匹配发光层120辐射光的强度，避免混合后的白光偏蓝。

继续参考附图1与附图2，当光激发层130设置在第一电极141与第二电极142之间的情况下，为了保证光激发层发出的光不被吸收，第一电极141与第二电极142中至少一个电极应使用透明电极。

所述光激发层130可以是单层结构，该单层结构中掺杂有多种稀土元素，每一种稀土元素均在激发层中均匀分布；所述光激发层130也可以是多层结构(未图释)，每个掺杂层具有不同的掺杂元素，以辐射出不同波长的光波。

接下来结合附图给出本发明所述发光二极管的第二具体实施方式。

附图3所示是本具体实施方式所述发光二极管20的结构示意图，包括：N型半导体层211、P型半导体层212和夹在两者之间的发光层220以及光激发层230。所述光激发层230设置于N型半导体层211远离发光层220的表面。

附图3所示结构还包括第一电极241与第二电极242。在本具体实施方式中，上述两个电极位于发光二极管20两个相对的表面，并且第一电极241与光激发层230相邻设置。两者相邻设置的优点在于第一电极241不会吸收光激发层230发出的光，并且第一电极不必通过光激发层230而直接同N型半导体层211电学连接，避免了不必要的电流损耗。当然第一电极241也可以覆盖在光激发层230的表面，形成类似于第一具体实施方式中所示的结构。

所述光激发层230可以是单层结构，也可以是多层结构。附图4所示为双层结构的光激发层230的结构示意图，光激发层230进一步包括第一光激发层231和第二光激发层232。两者具有不同的掺杂元素，以辐射出不同波长的光波。

以上第二具体实施方式中，关于光激发层230的描述，请参考第一具体实施方式中的内容，此处不再赘述。

以上发光二极管的第一和第二具体实施方式中所示的结构，N型半导体层与P型半导体层的位置均可以互换。

接下来结合附图给出本发明所述发光二极管制备方法的具体实施方式。

该发光二极管的N型半导体层、P型半导体层以及发光层可以采用现有技术中的制备方法进行制备，并根据光激发层所处的位置，在相对应的生长阶段插入生长光激发层的步骤。例如，对于附图1所示的结构，应该是先在一支撑衬底表面生长出光激发层，然后在MOCVD设备中生长N型半导体层、发光层以及P型半导体层，即LED结构，然后再将支撑衬底剥离。

下面以生长附图1所示结构为例，介绍光激发层的生长步骤，请参考附图5所示为本具体实施方式中生长光激发层的实施步骤示意图，生长光激发层的步骤主要包括：步骤S300，提供一生长表面，所述生长表面为支撑衬底的一表面；步骤S301，提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤素；步骤S302，提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有过渡族元素与卤素；步骤S303，提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；步骤S310，将第一、第二和第三反应气体相互混合；步骤S320，将混合后的气体通过生长表面，并同时加热所述生长表面，以在衬底表面形成由III族和V族元素化和而成的半导体层，并掺杂有稀土元素。

本具体实施方式中，所述III族元素为Ga，所述V族元素为N，所述卤族元素为氯。GaN材料是目前常见的用于半导体照明的衬底材料。在其他的具体实施方式中，也可以是生长GaAs、InP等材料，在这些具体实施方式中应当选用其他对应的元素作为III族和V族元素。本具体实施方式中采用氯化氢作为载气进行外延生长，其优点在于该工艺的生长速度快，容易在较短的时间内获得具有一定厚度的衬底材料，厚的衬底更加适合于用作光学激发层。

附图6与附图7为本具体实施方式的工艺示意图。

附图6所示，参考步骤S300，提供一生长表面301，所述生长表面301是支撑衬底300的一表面。

在其他的具体实施方式中，视光激发层所处的位置不同。所述生长表面也可以是N型半导体层、P型半导体层或者发光层的表面。

参考步骤S301至S303，提供第一、第二和第三反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤族元素，所述第二反应气体中含有稀土元素与卤族元素，所述第三反应气体中含有V族元素。

如前文提到的，本具体实施方式中，第一反应气体中含有Ga和Cl，第二反应气体中含有稀土元素和Cl，第三反应气体中含有N。具体的说，第一反应气体为HCl与GaCl的混合气体，第二反应气体是稀土元素氯化物和HCl的混合气体，而第三反应气体是NH₃。所述稀土元素选自于Er、Eu、Pr、Tm、Ce、Nd、Sm、Gd、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb和Lu中的一种或者多种，并优选为Er、Eu和Tm之中的一种或多种。

所述混合后的气体中，III族元素与V族元素的分子数目比例范围是1至1000。

采用含有卤族元素气体作为载气的优点在于能够加速III族元素与V族元素在支撑衬底300表面的化合速度，因此生长速度快，容易在较短的时间内获得具有一定厚度的光激发层。

参考步骤S310，将第一、第二和第三反应气体相互混合。

本具体实施方式中在气体通入生长表面301之前首先进行混合，在实际操作中，该混合步骤可以通过在生长设备中设置一混合腔体而实现。

附图7所示，参考步骤S320，将混合后的气体通过生长表面301，并同时加热所述生长表面301，以形成由III族和V族元素化和而成的掺杂有稀土元素的光激发层310。

加热的温度范围是500至1200℃。

由于光激发层310的用途是在吸收入射光波能量的情况下辐射出另一波长的光波，从而为形成白光光源提供了一种可能性，因此需要光激发层310具有一定的厚度，入射光波能在光激发层310中的光程足够长，才可以充分激发该半导体层中的稀土元素，以获得足够的转化效率。本具体实施方式中，所述光激发层310的厚度大于10微米。

加热有利于促进III族元素、V族元素以及稀土元素生长表面301化合形成光激发层310。

并且，由于三种气体进行了预先混合，能够使Ga原子和稀土元素的原子相互充分扩散，避免直接通入生长表面301时由于不同气体的气流状态不同，而造成稀土元素的原子在由GaN材料构成的光激发层310中的不均匀分布。由于光激发层310在被激发的条件下辐射出的光波的强度与稀土元素的浓度是成正比的，因此稀土元素在光激发层310中均匀分布的优点在于可以保证从光激发层310中激发出来的光波是均匀分布的，因此可以获得较好的视觉效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发光二极管，包括N型半导体层、P型半导体层和夹在两者之间的发光层，以及由掺杂有稀土元素的III-V族化合物半导体材料构成的光激发层，其特征在于，光激发层的厚度大于10微米，光激发层用于吸收一部分发光层发出的光并激发出其他颜色的光，与发光层发出的未被吸收的光混合在一起，形成白光。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述光激发层设置于N型半导体层或者P型半导体层的远离发光层的表面，或者设置于N型半导体层与发光层之间，或者设置于P型半导体层与发光层之间。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述N型半导体层与P型半导体层的材料为GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的一种或多种，发光层的材料选自于GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN和AlInGaN中的一种或多种。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述激发层的材料为GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的一种或多种，所述稀土元素选自于Er、Eu、Pr、Tm、Ce、Nd、Sm、Gd、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb和Lu中的一种或多种。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述激发层包括多个掺杂层，每个掺杂层具有不同的掺杂元素，以辐射出不同波长的光波。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述稀土元素在激发层中均匀分布。

7.一种生长权利要求1所述发光二极管的方法，其特征在于，所述光激发层采用如下工艺生长：

提供一生长表面，所述生长表面是N型半导体层表面、P型半导体层表面、发光层表面或者支撑衬底的表面；

提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤素；

提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有过渡族元素与卤素；

提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；

将第一、第二和第三反应气体相互混合；

加热生长表面并将混合后的气体通过加热的生长表面，从而在生长表面形成由III族和V族元素构成的光激发层，所述光激发层掺杂有稀土元素。

8.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，所述III族元素选自于Ga、Al和In中的一种或多种，所述V族元素选自于N、P和As中的一种或多种，所述卤族元素选自于氯和溴中的一种或两种。

9.根据权利要求7或8所述的生长方法，其特征在于，所述混合后的气体中，V族元素与III族元素的分子数目比例范围是1-1000。

10.根据权利要求7或8所述的生长方法，其特征在于，所述加热支撑衬底的步骤中，加热的温度范围是500-1200℃。

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