CN104617122A - 单芯片多电极调控多波长发光二极管结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，包括：一衬底；一缓冲/成核层，其制作在衬底上；多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，该多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层制作在缓冲/成核层上，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层之间及n型欧姆接触层和p型欧姆接触层夹置有有源层，该有源层可以发射不同颜色的光，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层分别连接有p电极或n电极，形成正装结构。本发明具有工艺简单，驱动电路简单，无需荧光粉，寿命长，色域广，具有较高的光电转化效率，并且可采用柔性衬底，在白光照明、全色显示和光调控领域可以发挥重要作用。

Description

单芯片多电极调控多波长发光二极管结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体照明技术领域、金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，尤其涉及一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构及制备方法。

背景技术

目前III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料。而氮化镓系发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光的发光二极管(简称为“LED”)，而成为业界研究的重点。

市场上的全彩显示器目前主要分为LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器、等离子显示器(Plasma Display Panel)、OLED(OrganicLight-Emitting Diode)显示器和LED(Light-Emitting Diode)显示器。

LCD液晶显示器：

LCD液晶显示器的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体(液晶)，在玻璃后面，以CCFL冷光灯管(类似日光灯)作背光源。液晶的成像原理可以简单的理解为，外界施加电压使杆状液晶分子改变方向，便如闸门般地阻隔背光源发出的光线的通透度，进而将光线投射在不同颜色的彩色滤光片中形成图像。LCD液晶显示器工艺较为成熟，但是存在功耗高、刷新速率小，可视视角窄、对比度低等缺点。

等离子显示器：

等离子显示器也是一种平面显示屏幕，但不同于LCD，等离子显示屏是屏幕自己发光，而不是依靠背光源。其原理是在真空玻璃管中注入惰性气体或水银蒸气，加电压之后，使气体产生等离子效应，放出紫外线，激发荧光粉而产生可见光，利用激发时间的长短来产生不同的亮度。显示屏中，每个像素都是由三个不同颜色(三基色)的等离子发光体所产生。由于每个像素都有自己独立的发光体，所以特别清晰鲜明。由于其技术特点，等离子显示器亮度可以达到很高，可显示更多种颜色，没有视角问题，对比度亦高，可制造出大面积的显示屏，对观看电影尤其适合。但等离子显示屏长时间播放静止画面会有残影，随着使用的时间亮度会衰退，等离子的发热也较大。

OLED显示器：

OLED，直译过来是“有机发光二极管”，其结构类似于传统LED，但是它是通过电流驱动有机薄膜本身来发光，OLED可以做得更薄，可使用不同的材质，还能制造成可任意弯曲的形状。但是由于材料本身限制，寿命通常只有5000小时，寿命较短，不能实现大尺寸屏幕的量产，还存在存在色彩纯度不够的问题。

LED显示器：

严格意义上的LED显示器，是指直接以LED(发光二极管)组成阵列，发光二极管直接作为像素发光元件，发出红，绿，蓝三色的光线，进而形成彩色画面，如红绿灯、室外大屏幕。但目前桌面级别的LED显示器主要是“LED背光液晶显示器”，其原理只是将传统液晶显示器的背光源由CCFL冷光灯管变换成LED(发光二极管)而已。

LED显示器与其它显示器相比具驱动电压低、耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等优点。

氮化镓基白光发光二极管的制备方法目前主要分为两大主流：第一种是利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长或三波长白光，此项元件技术称之为荧光粉转换白光LED。第二类则为多芯片型白光LED，经由组合两种(或以上)不同色光的LED组合以形成白光，目前白光LED器件以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，其中多芯片型白光LED型构装方式，演色性最佳，但每一个芯片都需要独立的驱动电路，因此控制电路比较复杂，成本较高；多芯片型白光LED则具有技术最成熟且成本低廉之优势，但色偏、演色性不佳，须以适当红、黄光荧光粉加以改善，而荧光粉长时间处于LED光直射的刚问状态会引起性能退化，使白光LED的效率下降和光谱改变。此外，最严重者为日亚化学专利限制难以规避。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种单芯片多波长发光LED结构及制备方法，本发明可以解决LED单芯片多波长发光的问题，具有工艺简单，驱动电路简单，无需荧光粉，寿命长，色域广，具有较高的光电转化效率，并且可采用柔性衬底，在白光照明、全色显示和光调控领域可以发挥重要作用。

本发明提供一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，包括：

一衬底；

一缓冲/成核层，其制作在衬底上；

多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，该多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层制作在缓冲/成核层上，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层之间及n型欧姆接触层和p型欧姆接触层夹置有有源层，该有源层可以发射不同颜色的光，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层分别连接有p电极或n电极，形成正装结构。

本发明还提供一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一蓝宝石衬底；

步骤2：在蓝宝石衬底上生长缓冲/成核层；

步骤3：在缓冲/成核层上生长多个交替叠加的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，其中每两个欧姆接触层之间夹置有有源层，形成外延片；

步骤4：在生长好的外延片的表面的两侧向下刻蚀，刻蚀深度分别到达p型欧姆接触层和n型欧姆接触层内，形成台面；

步骤5：在p型欧姆接触层上形成的台面上制作p电极，在n型欧姆接触层上形成的台面上制作n电极，形成正装结构，完成制作。

本发明的有益效果是，具有工艺简单，驱动电路简单，无需荧光粉，寿命长，色域广，具有较高的光电转化效率，并且可采用柔性衬底，在白光照明、全色显示和光调控领域可以发挥重要作用。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明中单芯片多电极调控多波长发光二极管结构示意图，该图为LED正装结构的截面图，加虚线后为倒装结构的截面图。

图2是本发明中单芯片多电极调控多波长发光二极管结构示意图，该图为LED垂直结构的截面图。

具体实施方式

请参阅图1-图2所示，本发明一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，包括：

一衬底1；

一缓冲/成核层2，其制作在衬底1上；

多个交替生长的p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4，该多个交替生长的p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4制作在缓冲/成核层2上，且每个p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4之间及n型欧姆接触层4和p型欧姆接触层3夹置有有源层5，该有源层5可以发射不同颜色的光，且每个p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4分别连接有p电极11或n电极12，形成正装结构。其中p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4之间的p电极11和n电极12为相互独立，其中该有源层5发射的光为红光、绿光或蓝光，或及其组合光，该有源层5为量子阱结构，其材料为InGaN、AlGaN或AlInGaN，或及其组合，或稀土掺杂GaN的材料。

其中在最上面的p型欧姆接触层3或n型欧姆接触层4上制作一反射层6，形成倒装结构。

其中将所述衬底1和缓冲/成核层2去掉，在p型欧姆接触层3或n型欧姆接触层4的背面制作p电极11或n电极12，形成垂直结构，该垂直结构的电极为柔性电极。

请参阅图1及图2所示，本发明还提供一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一蓝宝石衬底1；

步骤2：在蓝宝石衬底1上生长缓冲/成核层2；

步骤3：在缓冲/成核层2上生长多个交替叠加的p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4，其中每两个欧姆接触层之间夹置有有源层5，形成外延片，其中所述有源层5为量子阱结构，其材料为InGaN、AlGaN或AlInGaN，或及其组合，或稀土掺杂GaN的材料，其中该有源层5发射的光为红光、绿光或蓝光，或及其组合光；

步骤4：在生长好的外延片的表面的两侧向下刻蚀，刻蚀深度分别到达p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4内，形成台面；

步骤5：在p型欧姆接触层3上形成的台面上制作p电极11，在n型欧姆接触层4上形成的台面上制作n电极12，形成正装结构，完成制作。

其中在最上面的p型欧姆接触层3或n型欧姆接触层4上制作一反射层6，形成倒装结构。

其中将衬底1和缓冲/成核层2去掉，在p型欧姆接触层3或n型欧姆接触层4的背面制作p电极11或n电极12，形成垂直结构。

其中p型欧姆接触层3和n型欧姆接触层4之间的p电极11和n电极12为相互独立。

本发明所揭示的单芯片多电极调控多波长发光二极管一般用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法制备的半导体材料。当然也可以采取其它方法，如氢化物气相外延(HVPE)分子束外延(MBE)或者同样有利的外延生长方法生长成这些结构。

以下的一些附图均为金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长的器件结构的截面图。每幅附图均包括一衬底或某一外延层作为参照。可以这样理解，外延生长法通常是指从衬底表面开始一层接另一层的表面而连续生长。在一些器件中，金属层作为最外层，但是金属层通常不能通过外延法进行沉积，反而是用不同的步骤，如蒸镀法、溅射法，使金属沉积。

以下所有实施例均以GaN材料体系制成，当然也可由其它许多独立或组合的材料系统来制造，如由III-V族元素构成的InGaN、AlGaN、GaP、GaAs、AlInGaN或其它组合构成的合金体系。

实施例1：

本实施例的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构如图1所示，不加虚线，该单芯片多电极调控多波长发光二极管为正装结构，包括可由许多不同材料诸如蓝宝石、GaN、SiC、GaAs、Si、GaP、MgO、ZnO、MgAl204等材料构成的衬底1。蓝宝石是适合的材料，首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因为它具有与第III族元素氮化物(如GaN)匹配的近似晶格，以及导致较高质量的第III族元素氮化物膜。在本文的实施例中，衬底均采用蓝宝石衬底，当然也可以采用其它材料构成的衬底。

衬底1上为非掺杂的GaN层缓冲/成核层2。层2可减少在外延生长中的缺陷而远离衬底1的界面，缓冲/成核层的作用和详细资料一般是本领域公知的，因此不做过多讨论。

层缓冲/成核层2上为多个交替生长的p型GaN层3和n型GaN层4。每个p型GaN层3和n型GaN层4之间及n型欧姆接触层4和p型欧姆接触层3夹置有有源层5。层3或层4的用途在于用作LED有源层5的限制层和与金属电极连接的欧姆接触层。层3或层4可由许多不同的材料制成，如Si、C掺杂的n型GaN，Mg掺杂的GaN。层5是一具有量子阱结构的区域，用来发射不同波长的光。这些量子阱可以由III-V族元素构成，如氮化铟镓(InxGayN)、氮化铝镓(AlxGayN)铝铟镓氮(AlxInyGazN)等，也可以由稀土离子惨杂GaN，如GaN：Eu3+、GaN：Er3+、GaN：Tm3+等。有源层5也可具有单量子阱或多量子阱结构。在操作中，来自层3的p型载流子与来自层4的n型载流子结合，以在有源层5中产生光。

通过刻蚀，在层3和层4上形成台面，在层3形成的台面上制作n型电极11，在层4形成的台面上制作p型电极12。

在该实施例中，n型GaN的厚度约为0.1-2μm，掺杂浓度约为1.0×10¹⁸cm^-3-1.0×10²⁰cm^-3。p型GaN的厚度约为0.1-2μm，掺杂浓度约为1.0×10¹⁷cm^-3-1.0×10¹⁹cm^-3。有源层中量子阱的周期数约为1-20，每个周期量子阱的厚度约为0.1-10nm。若有源层采用In_xGa_yN或Al_xGa_yN，则x的范围约为0-0.9，x+y＝1若有源层采用AlxInyGazN，则x的范围约为0-0.9，y的范围约为0-0.9，x+y+z＝1。若采用若有源层采用稀土惨杂GaN，则掺杂浓度约为1.0×10¹⁷cm^-3-1.0×10²⁰cm^-3。n电极材料为镍、银、铂、钯、金或ITO，或镍、银、铂、钯、金、ITO中的几种材料的组合。p电极材料为Ti、Al、Cr、ITO、Pd或Au，或Ti、Al、Cr、ITO、Pd、Au中的几种材料的组合。

在该实施例中，每个有源层5可以由单独的一对电极11或12控制，也可以多电极协同控制，用来合成不同发光波长的光或者白光。

实施例2：

本实施例的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构如图1所示，加虚线，该单芯片多电极调控多波长发光二极管为倒装结构，其基本结构与实例1相同，实施例3的结构为在实例1的最上层，也就是距离衬底1最远的层3或层4上制作反射层6，形成倒装结构。层6的作用为反射有源层5发射出的光，以提高光提取效率。其可以由多种材料构成，如金属Ag。实施例2中有源层5发出的光一方面直接从衬底1出射，另一方面通过层6反射至层1再出射。

实施例3：

本实施例的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构如图2所示，该单芯片多电极调控多波长发光二极管为垂直结构，其基本结构与实例1相同，实施例3的结构为将实施例1的衬底1和缓冲/成核层2去掉，在p型欧姆接触层3或n型欧姆接触层4的背面制作p电极11或n电极12，形成垂直结构，该垂直结构的电极可以由多种材料构成，如金属Cu、Ag、Ti、Al、Ni、Au或它们组成的合金，C系材料如石墨、石墨烯或其它材料。该垂直结构的电极电极可以同时兼备导电性、导热性、柔性等其它特性。

以上所述的具体实施例，是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，如上述实施例只列出仅三个有源层的情况，当然根据本发明也可以制成含有四个或四个以上有源层的器件。如上述实施例采用的材料为GaN体系，当然根据本发明也可以制成其它材料体系的器件。因此凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，包括：

一衬底；

一缓冲/成核层，其制作在衬底上；

多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，该多个交替生长的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层制作在缓冲/成核层上，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层之间及n型欧姆接触层和p型欧姆接触层夹置有有源层，该有源层可以发射不同颜色的光，且每个p型欧姆接触层和n型欧姆接触层分别连接有p电极或n电极，形成正装结构。

2.如权利要求1所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中还包括在最上面的p型欧姆接触层或n型欧姆接触层上制作一反射层，形成倒装结构。

3.如权利要求1所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中还包括将所述衬底和缓冲/成核层去掉，在p型欧姆接触层或n型欧姆接触层的背面制作p电极或n电极，形成垂直结构。

4.如权利要求1所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中p型欧姆接触层和n型欧姆接触层之间的p电极和n电极为相互独立。

5.如权利要求1所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中该有源层发射的光为红光、绿光或蓝光，或及其组合光。

6.如权利要求1所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中所述有源层为量子阱结构，其材料为InGaN、AlGaN或AlInGaN，或及其组合，或稀土掺杂GaN的材料。

7.如权利要求3所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构，其中所述的垂直结构的电极为柔性电极。

8.一种单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一蓝宝石衬底；

步骤2：在蓝宝石衬底上生长缓冲/成核层；

步骤3：在缓冲/成核层上生长多个交替叠加的p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，其中每两个欧姆接触层之间夹置有有源层，形成外延片；

步骤4：在生长好的外延片的表面的两侧向下刻蚀，刻蚀深度分别到达p型欧姆接触层和n型欧姆接触层内，形成台面；

步骤5：在p型欧姆接触层上形成的台面上制作p电极，在n型欧姆接触层上形成的台面上制作n电极，形成正装结构，完成制作。

9.如权利要求8所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制备方法，其中还包括在最上面的p型欧姆接触层或n型欧姆接触层上制作一反射层，形成倒装结构。

10.如权利要求8所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制作方法，其中还包括将衬底和缓冲/成核层去掉，在p型欧姆接触层或n型欧姆接触层的背面制作p电极或n电极，形成垂直结构。

11.如权利要求8所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制作方法，中p型欧姆接触层和n型欧姆接触层之间的p电极和n电极为相互独立。

12.如权利要求8所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制作方法，其中所述有源层为量子阱结构，其材料为InGaN、AlGaN或AlInGaN，或及其组合，或稀土掺杂GaN的材料。

13.如权利要求8所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制作方法，其中该有源层发射的光为红光、绿光或蓝光，或及其组合光。

14.如权利要求10所述的单芯片多电极调控多波长发光二极管结构的制作方法，其中所述的垂直结构的电极为柔性电极。