CN102856452B - 多波长发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供多波长发光二极管及其制备方法，涉及半导体材料与器件技术领域。本发明提供的多波长发光二极管包括一衬底、一缓冲层、一第一氮化镓层、一第二氮化镓层、一具有台阶化量子阱柱状结构的有源区、一电子阻挡层、一第三氮化镓层；本发明还提供所述多波长发光二极管的制备方法，包括：生长形成一具有多层结构的半导体结构；形成具有台阶化量子阱柱状结构的有源区；生长第三氮化镓层；沉积N型电极和P型电极。本发明提供多波长发光二极管及其制备方法，优点在于拓展发光二极管发光谱线范围，简化驱动电路的复杂性，提高电子或空穴的注入效率，降低接触电阻，提高了色度的调节和显色性指数。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料与器件技术领域，尤其涉及多波长发光二极管及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管具有寿命长且节能绿色环保等优点，在日常生活的各个领域都得到了越来越多的应用且引起半导体研究和产业领域越来越大的重视。氮化镓（GaN）具有优异的物理和化学特性，与氮化铟（InN）、氮化铝（AlN）等III族氮化物组成三元、四元合金的禁带宽度可以在0.7eV-6.2eV之间连续调节，并且任意组分的InAlGaN四元合金都是直接带隙，在白光照明、全色显示、彩色激光打印、高密度光存储、光探测、水下通信等领域都有着广泛的应用前景。
目前传统的白光发光二极管的设计方法主要有两种。一种是将红、绿和蓝光二极管，在平面结构上组合封装得到白光二极管。其优势是三个二极管可以通过各自独立的控制电路来调节二极管的功率以实现颜色的可调性，但是其缺点就是每一个白光二极管需要三个三基色二极管，成本较高；同时由于三基色二极管的平面排列方式，到时白光二极管色度空间方向性差；另外就是每个白光二极管需要三个控制电源，驱动电路复杂。另外一种常见的途径是采用蓝光或紫外发光二极管激发荧光粉发光，实现各色光混合得到白光。其缺点是荧光粉吸收效率低导致其发射橙黄色或其他颜色的光效率低，从而混合光中荧光粉所发的光比例小，使得混合白光偏蓝色或紫外光，显色指数低；同时如果荧光粉涂覆不均匀使得产生的光也不均匀，封装有一定的难度，另外此类白光发光二极管除考虑二极管芯片寿命之外，荧光粉的寿命和可靠性也是一个必须关注的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供多波长发光二极管及其制备方法，不依赖荧光粉而实现多波长的混合，提高二极管的寿命和可靠性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种多波长发光二极管，该多波长发光二极管的有源区具有台阶化量子阱柱状结构，包括第一量子阱层和第二量子阱层，所述第二量子阱层设置于第一量子阱层裸露表面之上，所述第二量子阱层包含多个窗口，所述多个窗口处显露出第一量子阱层的表面。
所述的多波长发光二极管进一步包括：
一衬底；
一缓冲层，设置于所述衬底的裸露表面之上；
一第一氮化镓层，设置于所述缓冲层的裸露表面之上；
一第二氮化镓层，设置于所述第一氮化镓层的裸露表面之上；
一电子阻挡层，设置于所述有源区的裸露表面之上，所述有源区设置于所述第二氮化镓层的裸露表面之上；
一第三氮化镓层，设置于所述电子阻挡层的裸露表面之上。
所述衬底为平面蓝宝石衬底、图形化蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底中任意一种。
所述第一、第二和第三氮化镓层的材质均为氮化镓材料；所述第二氮化镓层的掺杂类型为N型；所述第三氮化镓层的掺杂类型为P型；所述电子阻挡层的材质为AlyGa1-yN或AlyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN。
所述第一、第二量子阱层的材质分别为AlxInyGa1-x-yN和AlaInbGa1-a-bN，所述第一量子阱层的厚度范围为1nm至30nm，所述第二量子阱层的厚度范围为6nm至20nm；所述AlxInyGa1-x-yN中的x的范围为0至1，y的范围为0至0.5；所述AlaInbGa1-a-bN中a的范围为0至1，b的范围为0至0.5；所述第一、第二量子阱层的周期数范围均为1至100。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如上述的多波长发光二极管的制备方法，所述制备方法包括步骤：
b1）外延生长第一量子阱层；
b2）在所述第一量子阱层的裸露表面外延生长第二量子阱层；
b3）图形化所述第二量子阱层的裸露表面，形成多个图形窗口，且所述图形窗口贯穿第二量子阱层直至显露出所述第一量子阱层。
所述步骤b1之前进一步包括步骤：
a）提供一具有多层结构的半导体材料，包括衬底，在所述衬底上依次层叠的缓冲层、第一氮化镓层以及第二氮化镓层。
所述步骤b3之后进一步包括步骤：
c）在所述台阶化量子阱柱状结构的有源区的裸露表面上生长电子阻挡层；
d）在所述电子阻挡层的裸露表面上生长第三氮化镓层；
e）在所述第二氮化镓层的裸露表面上和第三氮化镓层的裸露表面上分别沉积N型电极和P型电极。
所述步骤b3中形成的多个图形窗口，是采用金属粒子或薄膜退火自组装、反应离子刻蚀、全息曝光、电子束曝光中任意一种方法实现。
所述步骤e中的N型电极和P型电极均采用光刻并蒸镀、光刻并溅射中任意一种方法制备。
本发明提供了多波长发光二极管及其制备方法，拓展发光二极管发光谱线范围，简化了驱动电路。同时采用金属粒子或薄膜退火自组装以及反应离子刻蚀或全息曝光或电子束曝光等方法制备多梯度台阶结构的多量子阱有源区，有助于提高电子或空穴的注入效率，降低接触电阻。其叠层多波长多量子阱有源区的特性决定了发光二极管的多波长特性，有利于调节色度和提高显色性指数。
本发明提供多波长发光二极管及其制备方法，提出了多梯度的台阶结构多量子阱有源区，其优点为：
1）、采用多梯度的台阶结构多量子阱有源区结构实现了单芯片多波长的特性，相对于传统三基色芯片平面组合封装而言，简化了驱动电路；
2）、采用多梯度的台阶结构多量子阱有源区结构实现了p型电子阻挡层直接与多梯度的台阶结构多量子阱有源区的直接接触，有助于提高电子或空穴的注入效率，因此提高了其电光转换效率；
3）、采用多梯度的台阶结构多量子阱有源区结构降低了荧光粉的选择难度，多波长特性有助于提高显色指数。
附图说明
图1是本发明提供的多波长发光二极管实施例一的结构示意图；
图2是本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二的步骤流程图；
图3～图7是本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二的步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的多波长发光二极管及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
实施例一
图1所示为本发明提供的多波长发光二极管实施例一的结构示意图。
本实施例提供了一种多波长发光二极管，包括：
一衬底100，所述衬底100为平面蓝宝石衬底、图形化蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底中任意一种；
一缓冲层200，设置于所述衬底100的裸露表面之上；
一第一氮化镓层300，设置于所述缓冲层200的裸露表面之上，所述第一氮化镓层300的材质为本征的氮化镓材料或轻掺杂的氮化镓材料；
一第二氮化镓层400，设置于所述第一氮化镓层300的裸露表面之上，所述第二氮化镓层400的掺杂类型为N型；
一有源区110，包括第一量子阱层500、第二量子阱层600，所述第二量子阱层600设置于第一量子阱层500裸露表面之上，所述有源区110设置于所述第二氮化镓层400的裸露表面之上，本实施例中所述第一量子阱层500、第二量子阱层600的材质为分别为AlxInyGa1-x-yN和AlaInbGa1-a-bN；
一电子阻挡层700，设置于所述有源区110的裸露表面之上，所述电子阻挡层700的材质为AlyGa1-yN或AlyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN；
一第三氮化镓层800，设置于所述电子阻挡层700的裸露表面之上，所述第三氮化镓层800的掺杂类型为P型。
所述有源区110与所述电子阻挡层700接触的界面具有台阶化量子阱柱状结构，与常规单一波长有源区结构不同，台阶化量子阱柱状结构为多梯度的台阶结构，台阶的高度取决于各波长有源区的厚度。采用多梯度的台阶结构多量子阱有源区结构实现了单芯片多波长的特性，相对于传统三基色芯片平面组合封装而言，简化了驱动电路，降低了荧光粉的选择难度，多波长特性有助于显色指数的提高，实现了电子阻挡层700直接与有源区110的直接接触，有助于提高电子或空穴的注入效率，提高了其电光转换效率。
作为可选实施例，所述有源区110中可以具有多层量子阱层，并不仅限于本实施例中的两层量子阱层。所述多层量子阱层指量子阱层的层数大于两层，且各层量子阱层采用层层叠加方式生长，在所述多层量子阱层中顶层量子阱的裸露表面具有台阶化量子阱柱状结构以暴露出与顶层量子阱层直接接触的下一层量子阱，从而实现多波长光束的出射和混合。
所述台阶化量子阱柱状结构是采用金属粒子或薄膜退火自组装，及反应离子刻蚀或全息曝光或电子束曝光等方法制备。
所述第一氮化镓层300、第二氮化镓层400的厚度范围均为3μm至100μm，所述第一氮化镓层300、第二氮化镓层400具体厚度均与衬底类型有关。
本实施例中，所述第一量子阱层500的材质AlxInyGa1-x-yN中的x的范围为0至1，y的范围为0至0.5，所述第一量子阱层500的厚度范围为1nm至30nm；所述第二量子阱层600的材质AlaInbGa1-a-bN中的a的范围为0至1，b的范围为0至0.5，所述第二量子阱层600的厚度范围为6nm至20nm；所述第一量子阱层500、第二量子阱层600的周期数范围均为1至100。
本实施例中，所述电子阻挡层700的材质AlyGa1-yN或AlyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN中y的范围均为0至0.3，a的范围为0至1，b的范围为0.1至0.25，所述电子阻挡层700的材质AlyGa1-yN或AlyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN的厚度范围均为20至50nm。
实施例二
图2所示为是本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二的步骤流程图。
本实施例中还提供了一种多波长发光二极管的制备方法，包括步骤：
步骤201，提供一具有多层结构的半导体材料，包括衬底、缓冲层、第一氮化镓层、第二氮化镓层；
步骤202，在所述第二氮化镓层的裸露表面上形成台阶化量子阱柱状结构的有源区；
步骤203，在所述有源区的裸露表面上生长电子阻挡层；
步骤204，在所述电子阻挡层的裸露表面上生长第三氮化镓层；
步骤205，在所述第二氮化镓层的裸露表面上和第三氮化镓层的裸露表面上分别沉积N型电极和P型电极。
图3～图7所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二的步骤图。
图3所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二步骤201的部分结构示意图。所述步骤201中提供的半导体材料中，所述缓冲层20设置于所述衬底10的裸露表面之上；所述第一氮化镓层30设置于所述缓冲层20的裸露表面之上；所述第二氮化镓层40设置于所述第一氮化镓层30的裸露表面之上。
图4所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二步骤202的部分结构示意图。在第二氮化镓层40的裸露表面生长具有台阶化量子阱柱状结构的有源区11。所述有源区11，包括第一量子阱层50，第二量子阱层60，所述第二量子阱层60设置于第一量子阱层50裸露表面之上，所述有源区11设置于所述第二氮化镓层40的裸露表面之上。
所述步骤202中，进一步包括步骤：在第二氮化镓层40的裸露表面外延生长第一量子阱层50；在所述第一量子阱层的裸露表面外延生长第二量子阱层60；图形化所述第二量子阱层60的裸露表面，形成多个图形窗口，且所述图形窗口贯穿第二量子阱层60直至显露出所述第一量子阱层50。
作为可选实施例，所述有源区11中可以具有多层量子阱层，并不仅限于本实施例中的两层量子阱层。
有源区11的台阶化量子阱状结构与常规单一波长有源区结构不同，为多梯度的台阶化量子阱状结构，台阶的高度取决于有源区11的厚度。所述有源区中的多个图形窗口是采用金属粒子或薄膜退火自组装，及反应离子刻蚀或全息曝光或电子束曝光等方法制备。
图5所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二步骤203的部分结构示意图。在所述具有台阶化量子阱柱状结构的有源区11的裸露表面上生长电子阻挡层70。所述电子阻挡层70提供额外的势垒，有效地阻挡电子溢出有源区11，提高电子或空穴的注入效率，从而提高了其电光转换效率。
图6所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二步骤204的部分结构示意图。在所述电子阻挡层70的裸露表面上生长第三氮化镓层80。
作为可选实施方式，步骤204之后还可采用化学机械抛光（CMP）工艺对所述第三氮化镓层80的裸露表面进行抛光，使得所述第三氮化镓层80的裸露表面平整。
图7所示为本发明提供的多波长发光二极管的制备方法实施例二步骤205的部分结构示意图。在所述第二氮化镓层40的裸露表面上沉积N型电极91，在第三氮化镓层80的裸露表面上沉积P型电极90。所述步骤205中的N型电极91和P型电极90均采用光刻以及蒸镀或光刻以及溅射的方法制备。
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)
1.一种多波长发光二极管，其特征在于，该多波长发光二极管的有源区具有台阶化量子阱柱状结构，包括第一量子阱层和第二量子阱层，所述第二量子阱层设置于第一量子阱层裸露表面之上，所述第二量子阱层包含多个窗口，所述多个窗口处显露出第一量子阱层的表面，所述多波长发光二极管还包括一电子阻挡层，设置于所述有源区的裸露表面之上，所述多波长发光二极管采用如下方法制作，所述方法包括如下步骤：b1)外延生长第一量子阱层；b2)在所述第一量子阱层的裸露表面外延生长第二量子阱层；b3)图形化所述第二量子阱层的裸露表面，形成多个图形窗口，且所述图形窗口贯穿第二量子阱层直至显露出所述第一量子阱层，c)在所述台阶化量子阱柱状结构的有源区的裸露表面上生长电子阻挡层。
2.根据权利要求1所述的多波长发光二极管，其特征在于，所述的多波长发光二极管进一步包括：
一衬底；
一缓冲层，设置于所述衬底的裸露表面之上；
一第一氮化镓层，设置于所述缓冲层的裸露表面之上；
一第二氮化镓层，设置于所述第一氮化镓层的裸露表面之上；
所述有源区设置于所述第二氮化镓层的裸露表面之上；
一第三氮化镓层，设置于所述电子阻挡层的裸露表面之上。
3.根据权利要求2所述的多波长发光二极管，其特征在于，所述衬底为平面蓝宝石衬底、图形化蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底中任意一种。
4.根据权利要求2所述的多波长发光二极管，其特征在于，所述第一、第二和第三氮化镓层的材质均为氮化镓材料；所述第二氮化镓层的掺杂类型为N型；所述第三氮化镓层的掺杂类型为P型；所述电子阻挡层的材质包括为AlyGa1-yN或AlyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN。
5.根据权利要求4所述的多波长发光二极管，其特征在于，所述第一、第二量子阱层的材质分别为AlxInyGa1-x-yN和AlaInbGa1-a-bN，所述第一量子阱层的厚度范围为1nm至30nm，所述第二量子阱层的厚度范围为6nm至20nm；所述AlxInyGa1-x-yN中的x的范围为0至1，y的范围为0至0.5；所述AlaInbGa1-a-bN中a的范围为0至1，b的范围为0至0.5；所述第一、第二量子阱层的周期数范围均为1至100。
6.一种如权利要求1所述的多波长发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
b1)外延生长第一量子阱层；
b2)在所述第一量子阱层的裸露表面外延生长第二量子阱层；
b3)图形化所述第二量子阱层的裸露表面，形成多个图形窗口，且所述图形窗口贯穿第二量子阱层直至显露出所述第一量子阱层；
c)在所述台阶化量子阱柱状结构的有源区的裸露表面上生长电子阻挡层。
7.根据权利要求6所述的多波长发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤b1之前进一步包括步骤：
a)提供一具有多层结构的半导体材料，包括衬底，在所述衬底上依次层叠的缓冲层、第一氮化镓层以及第二氮化镓层。
8.根据权利要求7所述的多波长发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤c之后进一步包括步骤：
d)在所述电子阻挡层的裸露表面上生长第三氮化镓层；
e)在所述第二氮化镓层的裸露表面上和第三氮化镓层的裸露表面上分别沉积N型电极和P型电极。
9.根据权利要求6所述的多波长发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤b3中形成的多个图形窗口，是采用金属粒子或薄膜退火自组装、反应离子刻蚀、全息曝光、电子束曝光中任意一种方法实现。
10.根据权利要求8所述的多波长发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤e中的N型电极和P型电极均采用光刻并蒸镀、光刻并溅射中任意一种方法制备。
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