CN110416376A - 一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片，采用n型ZnO作为n型层，p型GaN材料作为p型层，在两者之间选择了合适的材料作为穿通阻挡层对异质结能带进行调控，使异质结能够同时发出同等强度的黄、绿光和蓝光，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、氧空位的蓝绿光还有对应锌氧间隙位的橙光的强度，组合实现单一半导体异质结芯片直接发射白光，器件的显色指数高达91，色温5000‑10000K连续可调。这种器件结构简单，制造工艺也相对简单，且不需要荧光粉材料，同时创造性地引入可调控的穿通阻挡层后，在宽禁带半导体异质结上以非缺陷方式实现了直接白光发射，属于首创发明，具有较大应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，涉及一种LED芯片，具体涉及一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片。
背景技术
目前市场上销售的各色发光二极管(LED)芯片都是基于III-V族和II-VI族半导体材料。其中氮化镓和氧化锌材料形成的器件，由于其宽带隙，高临界击穿场强，高热导率，化学稳定性好，发光强度高等特点，已经得到广泛应用。白光LED芯片常被用于照明以及手机和电脑显示器的背光源，其市场需求量很大，故白光LED芯片的制备很有必要。目前广泛使用的白光LED主要有三种方式合成白光，分别是用红、绿、蓝三色LED合成白光，或者用蓝色LED激发黄色荧光粉合成白光，或者用紫色LED激发红绿蓝三色荧光粉合成白光。长期以来，人类迫切需要单个LED能直接发射白光，这对于绿色环保、降低制造成本和使用能耗具有十分重大的社会效益和经济价值，同时也是极具挑战性的。
发明内容
本发明的目的是提供一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片，其结构简单，工艺简单。
实现本发明目的的技术方案是：
一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片，依次包括n电极、n型层、p型层和p电极，其特征在于：所述n型层和p型层之间设有对异质结能带进行调控的穿通阻挡层，各层采用材料如下：
(1)使用p型氮化镓材料作为半导体异质结芯片的p型层；
(2)使用氧化锆或氧化镓作为器件的穿通阻挡层；
(3)使用n型氧化锌材料作为半导体异质结芯片的n型层。
本发明使用了n型ZnO作为n型层，p型GaN材料作为p型层，在两者之间选择了合适的材料(Ga2O3、ZrO2)作为穿通阻挡层对异质结能带进行调控，使异质结能够同时发出极强的黄、绿光和蓝光(同等强度)，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、氧空位的蓝绿光还有对应锌氧间隙位的橙光的强度，组合实现单一半导体异质结芯片直接发射白光(不需要荧光粉)，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
作为优选，所述p型层的材料采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积和原子层沉积中任意一种方法制备。
作为优选，所述p型层的p型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1018cm-3之间。
作为优选，所述穿通阻挡层采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种方法制备。
作为优选，所述穿通阻挡层厚度为1～60nm。
作为优选，所述n电极和p电极均采用ITO、AZO、Cr/Au、Ni/Au、Al和Ag中任意一种或者几种制成，厚度不限。
作为优选，所述n电极和p电极制备在半导体异质结发光芯片的同一个方向或者两个对称方向。
作为优选，所述n电极和p电极均可采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种或者几种方法制备。
可以将器件刻蚀(湿法和干法均可)成水平结构，将两种电极(p型和n型电极)制备在器件的同一方向上。也可以不刻蚀器件，直接在器件的上下表面上分别制备上p型和n型电极，电极可以利用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发(EBE)、溶胶-凝胶法(sol-gel)和原子层沉积(ALD)等等方法制备。
作为优选，n型氧化锌(ZnO)材料可以使用分子束外延(MBE)、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发(EBE)和原子层沉积(ALD)等方法制备，厚度不限。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)本发明提供的插入合适的穿通阻挡层的方法显著地提高了器件中氧化锌材料在黄绿光波段的发光强度，从而巧妙地通过与器件中氮化镓材料发出的蓝光混合，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、氧空位的蓝绿光还有对应锌氧间隙位的橙光的强度，形成了高亮度的白光，其CIE坐标为(0.33，0.33)，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
(2)本发明巧妙地利用了能带工程，在载流子复合中引入了新的能带复合，并非缺陷能级的复合，效率更高。
(3)本发明提供的穿通阻挡层，其厚度可以由1～60nm连续变化，同时此穿通阻挡层可以是一种材料，也可以是两种层不同厚度材料的组合，其工艺比市面上的多量子阱结构简单。
(4)本发明提供的器件结构简单，易于加工，其制造成本远低于工业上的多量子阱结构器件。
本发明使用p型氮化镓作为半导体异质结的p型材料，n型ZnO作为n型层，在p和n型半导体之间插入很薄的宽禁带材料(Ga2O3、ZrO2)作为穿通阻挡层，形成新的载流子通道和能级，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、氧空位的蓝绿光还有对应锌氧间隙位的橙光的强度，使得异质结器件能直接发射出高亮度的白光，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、6中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图2是本发明实施例3中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图3是本发明实施例4中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图4是本发明实施例5中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图5是本发明实施例1的白光CIE坐标图。
具体实施方式
下面结合实施例子及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，从下至上，在150℃下，使用原子层沉积方法在干净的p型GaN材料上生长一层穿通阻挡层薄膜(Ga2O3)，厚度为30nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。之后再继续生长AZO材料(铝掺杂的氧化锌(ZnO)透明导电玻璃)作为n型电极，厚度为60nm。然后先光刻然后用10％体积分数的稀磷酸湿法刻蚀至下方穿通阻挡层为止。再用Ar离子反应离子束刻蚀p型区域的穿通阻挡层，其刻蚀功率为100w，气体流量200sccm。再分别在n区和p区光刻，刻出电极形状，使电极大小为100μm×100μm。再p区蒸镀Cr/Au电极作为p型电极，Cr的厚度为5nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为95nm(降低电极电阻)。此时器件(即能直接发射白光的半导体异质结发光芯片)的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例2
如图1所示，从下至上，在200℃下，使用原子层沉积方法在干净的p型GaN材料上生长一层穿通阻挡薄膜(ZrO2)，厚度为5nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。之后再继续生长AZO材料作为n型电极，厚度为60nm。然后先光刻然后用10％体积分数的稀磷酸湿法刻蚀至下方穿通阻挡层为止。再用Ar离子反应离子束刻蚀p型区域的穿通阻挡层，其刻蚀功率为200w，气体流量200sccm。再分别在n区和p区光刻，刻出电极形状，使电极大小为100μm×100μm。再p区蒸镀Cr/Au电极作为p型电极，Cr的厚度为5nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为95nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例3
如图2所示，从下至上，在300℃下，在干净的p型GaN材料上生长一层穿通阻挡层薄膜(ZrO2)，厚度为30nm。然后在穿通阻挡层薄膜上生长n型ZnO材料，厚度为600nm。之后再继续生长ITO材料作为n型电极层，厚度为100nm。再分别在n区和p区光刻，使电极大小为100μm×100μm，n区和p区分别处在器件两面上(正面和反面各一个)，再在p区蒸镀Cr/Au电极作为p型电极，Cr的厚度为2nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为100nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例4
如图3所示，从上至下，在400℃下，是用分子束外延方法在干净的p型GaN材料上生长两层穿通阻挡层薄膜(Ga2O3/ZrO2)，厚度依次为10nm/20nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为400nm。然后先光刻，再用Ar离子反应离子束刻蚀p-GaN和穿通阻挡层在n型ZnO材料上形成n区，其刻蚀功率为300w，气体流量200sccm。之后在n区的n型ZnO材料上生长AZO材料作为n电极，厚度为100nm。再分别在n区和p区光刻，使电极大小为100μm×100μm。再p区蒸镀Cr/Au电极，Cr的厚度为10nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为150nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例5
如图4所示，从上至下，使用扫描激光将p-GaN从蓝宝石衬底上剥离，并转移到铝基板上。在400℃下，使用热蒸发方法在干净的p型GaN材料上生长两层穿通阻挡层薄膜(ZrO2/Ga2O3)，厚度依次为20nm/5nm。之后使用MOCVD继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。再继续生长AZO材料作为n电极层，厚度为50nm。此时铝基板直接作为作为p型电极，AZO直接作为作为n型电极。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例6
如图1所示，从下至上，在400℃下，使用原子层沉积方法在清洗干净的p型GaN材料上生长两层插入层薄膜(Ga2O3/ZrO2)，厚度依次为15nm/10nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。之后再继续生长AZO材料作为n电极层，厚度为60nm。然后先光刻然后用10％体积分数的稀磷酸湿法刻蚀至下方穿通阻挡层为止。再用Ar离子反应离子束刻蚀穿通阻挡层在p型GaN材料上形成p区，其刻蚀功率为200w，气体流量200sccm。再分别在n区和p区光刻，使电极大小为100μm×100μm。再在p区蒸镀Cr/Au电极，Cr的厚度为5nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为85nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
Claims (9)
1.一种能直接发射白光的半导体异质结发光芯片，依次包括n电极、n型层、p型层和p电极，其特征在于：所述n型层和p型层之间设有对异质结能带进行调控的穿通阻挡层，各层采用材料如下：
(1)使用p型氮化镓材料作为半导体异质结芯片的p型层；
(2)使用氧化锆或氧化镓作为器件的穿通阻挡层；
(3)使用n型氧化锌材料作为半导体异质结芯片的n型层。
2.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述p型层的材料采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积和原子层沉积中任意一种方法制备。
3.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述p型层的p型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1018cm-3之间。
4.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述穿通阻挡层采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种方法制备。
5.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述穿通阻挡层厚度为1～60nm。
6.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述n电极和p电极均采用ITO、AZO、Cr/Au、Ni/Au、Al和Ag中任意一种或者几种制成。
7.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述n电极和p电极制备在半导体异质结发光芯片的同一个方向或者两个对称方向。
8.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述n电极和p电极均可采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种或者几种方法制备。
9.如权利要求1所述的半导体异质结发光芯片，其特征在于：所述n型层的n型氧化锌材料采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发和原子层沉积中任意一种方法制备。
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| CN112234127A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-15 | 南京工程学院 | 单根Rh@ZnO微米线异质结紫外增强发光二极管及其制备方法和应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100276667A1 (en) * | 2007-02-23 | 2010-11-04 | Korea University Industrial & Academic Collaboration Foundation | Nonvolatile memory electronic device including nanowire channel and nanoparticle-floating gate nodes and a method for fabricating the same |
-
2019
- 2019-06-24 CN CN201910550394.0A patent/CN110416376B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20100276667A1 (en) * | 2007-02-23 | 2010-11-04 | Korea University Industrial & Academic Collaboration Foundation | Nonvolatile memory electronic device including nanowire channel and nanoparticle-floating gate nodes and a method for fabricating the same |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110416376B (zh) | 2022-02-01 |
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