CN105122475B - 单片发光器件 - Google Patents
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Abstract
发光器件，其包括III族氮化物元件的单片排布体，所述排布体至少包括：一个量子阱或量子点的平面的第一堆叠体(2)，其能够通过电注入而在至少一个第一波长上发射光子；量子阱或量子点的平面的第二堆叠体(4)，其能够通过由所述第一堆叠体发射的所述光子的光激发而在至少一个第二波长上发射光子；区域3，其将所述两个堆叠体分隔；第一电极(8)和第二电极(9)，其设置为允许电流穿过所述堆叠体；所述第二堆叠体(4)是n型掺杂的，所述分隔区域(3)包括沟道结(3B)和p++型掺杂区域(3A)，所述沟道结具有设置在与所述第二堆叠体(4)相同的侧的n++型掺杂区域，所述p++型掺杂区域(3A)设置在相对侧，所述第一堆叠体(2)设置在所述分隔区域(3)与至少一个n型掺杂层(51)之间。用于制造这样的器件的工艺。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件，更具体而言，涉及发光二级管，尤其涉及白光发光二级管。本发明的器件尤其包括使用例如(Al、Ga、In)N合金的III族氮化物的单片排布体(matricemonolithique)，所述单片排布体优选通过外延生长来制造。
本发明还涉及用于制造这样的器件的方法。
背景技术
现有的单片白光二极管包括发射不同的波长的光的多个发光区域，所述多个发光区域通过由III族氮化物组成的量子阱或量子点的平面形成，所述不同的波长的光结合而得到白光。参见例如文献US6,445,009。
然而，这些器件的发光效率受到最低效率的发光区域(尤其是发射黄光的发光区域)的发光效率的限制。此外，电子和空穴在量子点或量子阱中的分布依据施加到二极管的电压而改变。因此，所发射的光的颜色可能随电流密度而变化。
为了避免这些缺点，已知的是制造这样的白光发光二极管，其包括发射蓝光或紫外光的发光区域以及荧光区域，所述荧光区域由所述蓝光或紫外光激发而在更长的波长再次发射辐射。常规而言，这种类型的二极管不是单片的：例如，在US 2006/0124917的情况中，荧光区域通过由II-VI族半导体组成的量子阱的堆叠体构成，其被添加到由III-V族半导体组成的蓝光发光二极管。蓝光发光二极管和荧光区域的分开制造以及它们随后的组装使得这样的器件的制造变得复杂且昂贵。
文献US 2003/006430描述了这样一种单片白光发光二极管，其包括发光区域以及由Si或Se掺杂的GaN层构成的荧光区域，该荧光区域由于晶体缺陷导致的深能级而具有黄色发光。这样获得的荧光发光具有受限的量子效率，并且不能调整其波长以获得具有所希望的色度的光。
文献US 2004/0227144和WO 2007/104884描述了这样的单片白光二极管，其包括有源部分(发光二极管)和无源部分(波长转换部)，电流可以通过该有源部分流动，而因为无源部分的位置，电流不能通过无源部分流动。有源部分包括由III-V族半导体组成的量子阱(或量子点的平面)的第一堆叠体，所述第一堆叠体通过所述电流的电注入而发射蓝光辐射，而无源部分包括由III-V族半导体组成的量子阱(或量子点的平面)的第二堆叠体，所述第二堆叠体通过第一堆叠体发射的辐射所导致的光激发来发射黄光或绿光和红光辐射。
这样的结构是有益的，但是难以制造。具体而言，为了防止流经有源部分的电流流过无源部分，必须通过在适当的衬底上进行外延沉积而首先制造无源部分。而有源部分必须随后在所述无源部分之上制造。然而，为了能够正确地作为波长转换部工作，无源部分的量子阱或量子点的平面的堆叠体必须具有高铟(In)含量(一般地高于20％)，从而使其在高于约1050℃的温度下不稳定。这意味着，有源部分必须在“低”温(低于1000℃，优选950℃或更低)下生长，因此排除了金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的使用，而该技术正是工业中最常采用的。令人感兴趣的是，注意到，上述文献US 2004/0227144描述了包括下述步骤的制造方法：在1020℃-1040℃的温度下生长有源部分，考虑到对其进行制造所需的时间，该步骤必然导致无源部分中的转换部的退化(尤其是变暗)。
文献DE 10 2004 052 245描述了这样的发光二极管，其包括有源(发光)部分以及在有源部分之上制造的无源部分(波长转换部)。该“倒转”结构使得能够在有源部分之后制造无源部分，并因此能够避免任何热退化的风险。然而，这意味着使电流穿过无源部分，这是非常规的，而且一般而言可能降低器件的电特性，或者甚至引发不希望的来自波长转换部的光发射。
发明内容
本发明的目标是减弱现有技术的上述缺点，并且尤其是提供一种单片发光半导体器件，其具有高功效、在时间上稳定的发射光谱以及优良的电特性，并且可以使用标准工业工艺制造。
本发明的一个主题(其允许这样的目标实现)包括根据权利要求1的器件。
本发明的另一主题是根据权利要求6的方法，其使得能够制造这样的器件。
从属权利要求涉及这样的器件和这样的方法的有益实施方案。
附图说明
在阅读了参考所附附图给出的描述之后，本发明的其他特征、细节和益处将变得明显，附图分别以示例和展示的方式给出：
-图1，现有技术的由III族氮化物组成的单片白光发光二极管的结构；
-图2至图7，通过示例的方式给出并且并不根据本发明的白光发光二极管的结构；
-图8，根据本发明的一个实施方案的白光发光二极管的结构；
-图9，对由III族氮化物组成的图5类型的单片白光发光二极管在正面(即，与衬底相对的一侧)和背面(即，通过衬底)取得的发射光谱；
-图10，所述由III族氮化物组成的单片白光发光二极管的相比于常规蓝光二极管的电压-电流特性；以及
-图11，根据本发明的一个实施方案的能够在由III族氮化物组成的单片白光发光二极管中分开使用或结合使用的三个波长转换部的归一化光致发光光谱。
具体实施方式
图1示出了从现有技术(具体而言从前述文献WO 2007/104884)已知的单片白光二极管的结构。这样的二极管从底部到顶部包括：
-衬底7，其对于器件必定发射的光是透明的，并且例如由蓝宝石、SiC、ZnO或GaN组成；
-一个或多个缓冲层6，其由本征AlGaInN组成，或者更确切而言，由非故意掺杂(non intentionnellement dopée,n.i.d)的AlGaInN组成；“AlGaInN”在这里是表示AlxGayInzN的通式，其中x+y+z＝1并且计量系数x、y、z中的一个或两个也可以是零；
-层5，其称为“下”层，层5由n.i.d的AlGaInN组成；
-“转换部”，其由InxGa1-xN/GaN组成的量子阱或量子点的平面的堆叠体40形成，转换部能够吸收处于第一波长的辐射(一般为蓝光)并且再发射处于第二更长波长的辐射(一般为黄光)；计量系数x一般高于或等于0.2；
-区域(层或多层结构)30，其称为“分隔区域”，区域30由n型AlGaInN组成并且厚度一般为大约2μm；
-量子阱或量子点的平面的堆叠体2，其由InxGa1-xN/GaN(一般x<0.2)组成，其能够通过电子注入而发射处于所述第一波长的辐射；以及
-区域(层或多层结构)1，其称为“上”区域，区域1由p型AlGaInN组成并且厚度一般为大约200nm(因为p型AlGaInN电阻非常大，所以想要最小化该区域的厚度)。
区域1、2、30、40、5和6形成由III族氮化物半导体组成的单片排布体，所述排布体一般是通过在衬底7上进行外延沉积而制造的。在该排布体的内部，区域1、2和30形成发光二极管。
“阶梯-台阶”刻蚀使得区域30的上表面区域暴露，以便允许电极9沉积在其上。在上层1上沉积了另一电极8(其面积必须大于电极9的面积，因为p型半导体的电特性较差)。优选地，电极8完全覆盖发光二极管的表面以确保均匀的电流注入。电极8和电极9使得电流能够流过二极管1-2-30；其因此称为排布体的“有源部分”。相反，应当理解，因为存在具有相对大的厚度的未掺杂的“分隔”层30，所以没有电流会穿过层40、5和6(“无源部分”)。
如上所述，这样的层3必须在高温(高于1000℃)下沉积，从而存在损坏转换部40的风险。
图2显示了并不根据本发明的发光二极管，其中，电流穿过排布体的“有源”部分以及“无源”部分(波长转换部)。相同的附图标记表示与图1相同的元件。
相比于图1中的器件，注意到下列区别：
-电极9制造在衬底的背面，该衬底必须是导电的(附图标记71)：从而制造了具有竖直结构的器件，并且避免了“阶梯-台阶”刻蚀步骤；其不利之处在于，电流直接穿过该器件，包括穿过转换部；该电极可以是透明的或半透明的，或者采取栅格的形式，以便允许光子提取，而在器件的“p”侧的电极8优选为厚金属层以便确保更好的电接触，并且电极8还充当光反射器；
-转换部(以附图标记4表示)不同于图1中的转换部40在于，该转换部是“n”掺杂的，以便具有足够的电导率(“p”型掺杂理论上是可行的，但是具有更小的益处)；
-分隔区域(以附图标记3表示)可以具有更小的厚度，例如大约几百纳米或者甚至仅100nm或更小。这是因为，不再有任何将转换部隔离的需要，该转换部无论如何都会被电流穿过。此外，掺杂了的转换部4能够执行将电子注入“有源”堆叠体2的功能。
如此薄的层3可以通过金属有机化学气相沉积在低于1000℃的温度下生长，例如在大约950℃或更低的温度下生长，从而避免任何损坏转换部4的风险。
图3示出了并不根据本发明的发光二极管，其中，电流穿过排布体的“有源”部分以及“无源”部分(波长转换部)。该二极管也具有竖直结构，但其是使用倒装芯片技术制造的。换言之，外延排布体从其衬底分开，倒装并放置在另一衬底70上，衬底70不必是透明的。附图标记80表示金属焊接层，其也充当电极。另一个电极90沉积在n型层50上(其对应于图1和图2中的“下”层5，但是层50现在位于器件的“顶部”)。为了促进光子提取，所述层50的表面可以进行织构的。
图4、图5和图6涉及并不根据本发明的三个发光二极管，其中，电流穿过排布体的“有源”部分以及“无源”部分(波长转换部)。这些二极管具有的结构更接近图1的结构。仅有的区别涉及分隔区域3的厚度(该分隔区域更小，如同图2和图3中的情况)以及转换部4事实上是掺杂的并且优选n型掺杂。由于分隔层3的较小厚度，电流路线至少穿过转换部4的上部。
在图4的情况中，电接触部9制造在转换部的侧向部分。在图5的情况中，所述接触部制造在分隔区域3的侧向部分。在图6的情况中，该接触部制造在下层5的侧向部分。这三个变化形式实质上是等同的；然而，应当注意，为了能够在分隔区域3上制造接触部，因为该层的厚度很小，所以需要非常精确地控制“阶梯-台阶”刻蚀。
图7示出了基于与在上述二极管背后的原理不同的原理的另一发光二极管的结构。具体而言，在该情况下，防止对转换部4造成热损坏的关键并不如同采用倒转结构时那样特别在于薄分隔层3的制造(采用倒转结构时，所述转换部在“有源”堆叠体2之后制造)。如同在其他示例中那样，这意味着需要允许电流穿过所述转换部。
因此，图7中的器件从底部到顶部包括：
-电极8(该结构是竖直的)；
-p型导电衬底71；
-缓冲层6，其由p型AlGaInN组成；
-层11，其由p型AlGaInN组成；
-III-V族半导体的量子阱或量子点的平面的发光堆叠体2；
-n型或n.i.d的分隔区域3，其厚度并不关键；
-n型掺杂的转换部4；以及
-电极9，其可以直接沉积在转换部4上，或者通过n型接触层(未显示)的方式沉积在转换部4上。优选地，电极9可以是透明的或半透明的或采取栅格的形式，以便能够提取所产生的辐射。
该器件的益处在于，转换部4最后制造；因此，即使其他层是在高温下(提前)沉积的，也不会对转换部4造成损坏。
该器件的主要缺点在于下述事实：电流必须穿过具有高电阻率的厚度很大的p型半导体(衬底71、层6和11)；此外，接触部8形成在p型区域(衬底71)上，因此进一步增加了电流遇到的电阻。为了减小该电阻，可以执行阶梯-台阶刻蚀以便将接触部直接形成到层11的部分。然而，由于所述层的电阻率，这将导致并不非常均匀的电流分布；此外，刻蚀操作可能会降低p型层的电导率，而n型层不会出现该问题。
在前述文献DE 10 2004 052 245的图2所示的器件的情况中，出现了相似问题。
图8示出了本发明的一个实施方案，图8中的结构能够克服这些缺点。在该器件中，p型层11由电阻较小的n型层51替代。因此在另一方面，必须在有源堆叠体2的相对侧设置p型层3A。然而，因为一般而言不希望制造p掺杂的转换部4，所以插入了n掺杂的沟道结3B，沟道结3B的p++侧在层3A侧，而n++侧在转换部4侧。沟道结3B具有非常小的厚度，大约几纳米，而p型层3A一般具有大约100nm的厚度。
仅已经详细描述了包括n掺杂转换部4的器件。如果转换部的掺杂类型是p型，则排布体的其他的层的掺杂类型必须因此改变。然而，已知p型转换部的效率低于n型转换部。
已经描述了本发明的一个实施方案；然而，多个其他变化形式也是可能的。具体而言，根据本发明的器件可以具有更为复杂的结构，包括额外的层，或者将“单”层替换为多层结构。具体而言，给定的器件可以包括在不同的波长上发光的多个转换部。
图8中的器件旨在发射白光，但是这不是本发明的本质特征。
图8中的器件包括导电衬底71(n型，类似于缓冲层6)和电极8，电极8沉积在该衬底的背面(与承载着排布体面相对)。作为变化形式，衬底可以是绝缘的，并且电极8可以通过阶梯-台阶刻蚀而直接接触层51(见图6)。根据另一变化形式，排布体可以从衬底分离，并且电极8可以直接沉积在层51的背面上。这些示例并非限制性的。无论如何，通过使用沟道结3B，p型掺杂区域(电流穿过该区域)的厚度得以最小化，并且能够确保向n型掺杂区域形成电接触部。
为了作出本发明，发明人克服了技术偏见。具体而言，之前人们相信，电流穿过转换部4一方面会干扰所述转换部的荧光发射，另一方面会不可接受地降低器件的电特性。本发明的发明人意识到，情况出乎意料地并不是这样的。
这已经通过制造具有图5中的结构的原型而得到实验证实。该原型的排布体完全通过MOCVD制造。其从蓝宝石衬底7开始包括下列层的堆叠体：下层5，其厚度为4.5μm并由Si掺杂的GaN组成；转换部4，其由20个In0.25Ga0.75N(1.2nm)/GaN:Si(20nm)量子阱形成；分隔层3，其为GaN:Si(20nm)；发光堆叠体2，其由5个In0.1Ga0.9N(1.2nm)/GaN(10nm))量子阱形成；以及上层(实际上，多层结构)1，其包括厚度为20nm的Al0.14Ga0.86N:Mg以及235nm的GaN:Mg。Si掺杂的层具有n型导电性，Mg掺杂的层具有p型导电性。
图9显示了对该原型在室温下供应20mA的电流时的发射光谱。获得了两个光谱，“正面”光谱和“背面”光谱(即通过衬底获得的光谱)。可以看到对应于有源堆叠体2的发射的在380nm(紫色)的第一峰和对应于转换部4的荧光的在480nm(黄色)的第二峰。将两个光谱归一化至在380nm的峰的强度。能够注意到，在480nm的峰在背面比在正面更强。这是可以预期的，因为正面发光也包括了没有穿过转换部的380nm光子。
图10将该原型的电流-电压特性与在可比的生长条件下制造的常规紫光发光二极管(LED)的电流-电压特性比较。常规紫光发光二极管从蓝宝石衬底7开始包括下列层的堆叠体：下层5，其厚度为4.5μm并由Si掺杂的GaN组成；发光堆叠体2，其由5个In0.1Ga0.9N(1.2nm)/GaN(10nm))量子阱形成；以及上层(实际上，多层结构)1，其包括厚度为20nm的Al0.14Ga0.86N:Mg以及235nm的GaN:Mg。
能够注意到，该原型的电流-电压特性并没有退化。令人惊讶的是，这些特性甚至优于参考LED的特性。这表明，转换部不会向电流的通过增加显著的阻碍。
图9和图10中的实验结果涉及的是并不根据本发明的器件；然而，它们可以推测图8所示的类型的根据本发明的器件的情况。
通过改变转换部4的量子阱的厚度和成分(或者，分别地改变量子点的成分和尺寸)，能够获得覆盖整个可见光谱的荧光发射：蓝色(470nm)、绿色(530nm)、橙色(590nm)以及红色(650nm)。这示出在图11中。在原则上，这些颜色的组合能够获得任何纯色或混合色，例如白色。
Claims (8)
1.一种发光器件，包括III族氮化物的单片排布体，所述排布体至少包括：III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第一堆叠体(2)；III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第二堆叠体(4)；区域3，其称为分隔区域，并将所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第一堆叠体和所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第二堆叠体分开；第一电极和第二电极(8、9)，其设置为允许电流穿过所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第一堆叠体并且穿过所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第二堆叠体的至少部分，其中，所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第一堆叠体能够通过所述电流的电注入而在至少第一波长发射光子，且所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第二堆叠体能够通过由所述第一堆叠体发射的所述光子而受到光激发而在至少第二波长发射光子，所述排布体通过外延沉积制造，其特征在于，所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第二堆叠体(4)是n型掺杂的，并且在于，所述分隔区域(3)包括沟道结(3B)和至少一个p型掺杂层(3A)，所述沟道结具有设置在所述第二堆叠体(4)侧的n++型掺杂区域和设置在相对侧的p++型掺杂区域，所述至少一个p型掺杂层设置在分隔区域的与所述第二堆叠体相对的侧，并且在于，所述III族氮化物的量子阱或量子点的平面的第一堆叠体(2)设置在所述分隔区域(3)与至少一个n型掺杂层(51)之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述分隔区域(3)具有小于或等于1000nm的厚度。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述分隔区域(3)具有小于或等于500nm的厚度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的器件，其中，所述第一电极和第二电极设置在所述III族氮化物的单片排布体两侧，从而所述电流在垂直于所述量子阱或量子点的平面的方向上流动。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的器件，其中，将所述第一波长和第二波长选择为使得第一波长和第二波长的结合得到白光。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的器件，其中，所述排布体沉积在导电衬底(7)上，所述第二堆叠体(4)设置在所述排布体的与所述衬底相对的侧，所述第一堆叠体(2)设置在所述衬底与所述第二堆叠体之间。
7.一种用于制造根据前述权利要求中的任一项所述的器件的方法，所述方法包括通过外延生长来制造所述III族氮化物的单片排布体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述外延生长完全通过金属有机化学气相沉积执行。
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