CN116250091A - Led装置及制造led装置的方法 - Google Patents

Led装置及制造led装置的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116250091A
CN116250091A CN202180067709.1A CN202180067709A CN116250091A CN 116250091 A CN116250091 A CN 116250091A CN 202180067709 A CN202180067709 A CN 202180067709A CN 116250091 A CN116250091 A CN 116250091A
Authority
CN
China
Prior art keywords
led
light emitting
region
layer
group iii
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180067709.1A
Other languages
English (en)
Inventor
朱彤彤
刘颖俊
穆罕默德·阿里
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bora Technology Co ltd
Original Assignee
Bora Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GBGB2012098.6A external-priority patent/GB202012098D0/en
Priority claimed from GBGB2012110.9A external-priority patent/GB202012110D0/en
Priority claimed from GBGB2012103.4A external-priority patent/GB202012103D0/en
Priority claimed from GBGB2012108.3A external-priority patent/GB202012108D0/en
Priority claimed from GBGB2012105.9A external-priority patent/GB202012105D0/en
Priority claimed from GBGB2018016.2A external-priority patent/GB202018016D0/en
Priority claimed from PCT/GB2021/050158 external-priority patent/WO2021148813A1/en
Priority claimed from PCT/GB2021/050147 external-priority patent/WO2021148803A1/en
Priority claimed from GBGB2110882.4A external-priority patent/GB202110882D0/en
Application filed by Bora Technology Co ltd filed Critical Bora Technology Co ltd
Publication of CN116250091A publication Critical patent/CN116250091A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H01L33/18—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light emitting region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H01L27/153—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars
    • H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/08—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a plurality of light emitting regions, e.g. laterally discontinuous light emitting layer or photoluminescent region integrated within the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

一种发光二极管(LED)包括：n掺杂部分；p掺杂部分；及发光区域，其设置在该n掺杂部分与该p掺杂部分之间。该发光区域包括：发光层，其在电偏压通过的情形下以在400nm至599nm之间的峰波长发光；III族‑氮化物层，其设置在该发光层上；及III族‑氮化物势垒层，其设置在该III族‑氮化物层上。该发光二极管包括III族‑氮化物材料的多孔区域。本文还提供了LED阵列及制造LED的方法，该LED在电偏压作用下具有在400nm至599nm之间的峰发射波长。

Description

LED装置及制造LED装置的方法
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)及制造LED的改良方法。
背景技术
III-V族半导体材料受到半导体装置设计的特别关注，特别是III族-氮化物半导体材料的家族。
“III-V族”半导体包括如Ga、Al及In的III族元素及如N、P、As及Sb的V族元素的二元、三元及四元合金，且受到包括光电子学的多种应用的大量关注。
受到特别关注的是称为“III族-氮化物”材料的半导体材料种类，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及氮化铝(AlN)，以及其三元及四元合金。(Al，In)GaN是包括AlGaN、InGaN及GaN的用语。III族-氮化物材料不仅在固态发光及电力电子学中获得商业成功，而且对量子光源及光与物质交互作用而言亦具有特别好处。
将In掺杂在GaN半导体材料中受到光电半导体装置的特别关注，因为改变该半导体的In含量可改变该材料的电子能隙及因此该半导体发光的波长。但是，改变该材料的In含量亦影响该半导体的平面内晶格常数。例如，InN的平面内晶格常数比GaN的平面内晶格常数大大约11％，且中间组成物的晶格尺寸随着该铟含量改变。当需要在具有不同晶格尺寸的基材层顶部沉积活性半导体层时，这产生装置设计的问题。其原因是在该层边界的晶格失配在该晶格中产生应变而导致该材料中形成多个成为无辐射重组中心的缺陷。这明显伤害装置性能。
目前非常需要在全部可见光波长发射，特别是朝向绿、黄与红光的更长波长的LED，但制造商在过去遭遇制造在较长波长发射的LED的许多问题。
例如，在以GaN为主的平台上生长如绿、黄与红光LED的较长波长LED时面临的其中一大挑战是需要使用高铟(In)含量来减少该活性区域中的能隙至适合长波长发射的适当值。所需的InGaN活性区域具有比下方GaN大的晶格参数且产生的应变导致该材料中形成破坏装置性能的成为无辐射重组中心的缺陷。
因为InN与GaN间的大晶格失配，所以难以获得高质量InGaN(具有高铟含量>20％)。这错配应变亦透过组成牵引效应产生低铟组成。
较短波长LED比较容易制造，因为它们可使用含有比较长波长光发射所需少的铟比率的InGaN发光区域制成。
发明内容
本申请案涉及制造LED的改良方法及使用该方法制成的LED。
本发明是界定在以下应参照的独立权利要求中。本发明的优选或有利特征是在从属权利要求中提出。
在本申请案中所述的发光二极管或LED是优选地由III-V族半导体材料，且特别优选地由III族-氮化物半导体材料形成。
“III-V族”半导体包括如Ga、Al及In的III族元素及如N、P、As及Sb的V族元素的二元、三元及四元合金，且受到包括光电子学的多种应用的大量关注。
受到特别关注的是称为“III族-氮化物”材料的半导体材料种类，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及氮化铝(AlN)，以及其三元及四元合金(Al，In)GaN。在本发明中可使用不同晶体方位，例如极性c平面、非极性及半极性方位。有两种主要非极性方位：a平面(11-20)及m平面(1-100)。对半极性而言，有晶体平面族的(11-22)、{2021}。III族-氮化物材料不仅在固态发光及电力电子学中获得商业成功，而且对量子光源及光与物质交互作用而言也具有特别好处。
虽然各种III族-氮化物材料在商业上受到关注，但氮化镓(GaN)被广泛地视为其中一种最重要的新半导体材料，且受到多种应用的特别关注。
已知的是在整块III族-氮化物，例如GaN中导入孔隙可深刻地影响其材料性质(光学、机械、电气及热等)。藉由改变其孔隙度来调整GaN及III族-氮化物半导体的大范围材料性质的可能性因此使多孔GaN受到光电子应用的大量关注。
本发明是藉由参照GaN及InGaN来说明，但也可有利地应用于替代的III族-氮化物材料组合。
在以下说明中，用于增生的基材是半导体结构，且另一半导体层可生长该半导体层上以便产生半导体装置。在本发明中用于增生的示例性基材可为包括多个掺杂及未掺杂GaN层的GaN半导体结构。
多个半导体结构层可藉由如国际专利申请案PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)中揭示的电化学蚀刻来孔隙化。
发明人发现可使用本发明有利地提供LED。
LED
依据本发明的第一方面，提供一种发光二极管(LED)，其包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括：
发光层，其在电偏压通过的情形下以在400nm至599nm之间的峰波长发光；
III族-氮化物层，其设置在该发光层上；及
III族-氮化物势垒层，其设置在该III族-氮化物层上，
其中该发光二极管包括III族-氮化物材料的多孔区域。
本发明人了解III族-氮化物材料的电化学孔隙化有利地减少该III族-氮化物晶格中的应变及总晶圆屈曲或弯曲。在不希望受理论束缚的情形下，认为使III族-氮化物材料的多孔区域孔隙化的过程亦蚀刻去除结构缺陷，例如在该第一III族-氮化物材料的层顶面上的层生长时形成的线差排(threading dislocation)。
在孔隙化时由该多孔区域的半导体材料去除差排大幅减少特别在该多孔区域的晶格尺寸未匹配该下方材料的晶格尺寸时发生的该多孔区域中的应变。因此，当该多孔区域上方沉积III族-氮化物材料层时该半导体结构的磊晶生长期间，该多孔材料更具顺应性以匹配该上覆无孔层的晶格。这使该多孔区域上方的该层经受比在没有该多孔区域的情形中低很多的应变。
因为该第二III族-氮化物材料产生较少应变，所以在该无孔层中亦有较少结构缺陷成为无辐射重组中心而伤害装置性能。
组成牵引效应：Kawaguchi等人提出的所谓InGaN组成牵引效应，其中该铟比例在生长的初始阶段较小但随着生长厚度增加而增加。这观察在第一范围内与下方层，GaN或AlGaN无关。作者建议这效应是由在界面的晶格失配产生的应变造成。他们发现InGaN与底磊晶层间的较大晶格失配伴随In含量的较大变化。
在Inatomi等人的Theoretical study of the composition pulling effect inInGaN metalorganic vapor-phase epitaxy growth(Japanese Journal of AppliedPhysics,Volume 56,Number 7)中，发现压缩应变抑制InN的加入。另一方面，相较于该松弛的整块生长情形，拉伸应变促进InN的加入。
发明人发现在该半导体结构中使用多孔区域产生减少半导体结构层中的应变的“应变松弛”且这可对该组成牵引效应产生改良效果。孔隙化减少该III族-氮化物层中的应变且使该半导体结构应变比较少，并且因此可适用于加入更多In的情况。因此本发明可有助于更多铟加入生长在该模板的多孔区域上方的任一LED结构的层中，这对于以较长波长发光而言是非常需要的。
该n掺杂区域、该发光区域及该p掺杂区域是优选地设置在该多孔区域上方。换言之，该多孔区域可在该LED结构中位于该n掺杂区域、该发光区域及该p掺杂区域下方。
该发光区域可优选地为氮化铟镓(InGaN)层。
藉由在该LED中提供III族-氮化物材料的多孔区域，该n掺杂区域、该发光区域及该p掺杂区域可因此生长在该多孔区域上方且具有比没有该多孔区域可能具有的应变低的应变。该层状半导体结构中的这应变减少程度可因此有助于更多铟加入该LED的一个或多个发光层，使得高质量InGaN发光层可生长成具有高铟含量。这容许足够铟加入该发光氮化铟镓层使得当电偏压施加通过该LED时，该LED以在400nm至599nm之间的峰波长发光。
如在以上背景段中所述，虽然极需要在400nm至599nm之间发光的LED，但在一个或多个发光层中加入足够铟的技术困难意味难以获得较长波长LED。
该发光层可在电偏压通过的情形下以在400nm至599nm之间、在电偏压通过的情形下以在400nm至590nm之间或在电偏压通过的情形下以在430nm至570nm之间的峰波长发光。
发明人发现相较于在无孔基材上生长相同LED结构，在III族-氮化物材料的多孔区域上方生长LED结构造成发射波长朝向较长波长的明显位移。
发明人已藉由在无孔GaN晶圆上生长已知绿光(发射波长在500nm至520nm之间)InGaN LED结构证明这一点，且证明该LED如预期地发射绿光。接着在包括多孔区域的模板上生长相同的“绿光”InGaN LED结构，且当电偏压施加通过该LED时，该LED发射在530nm至550nm之间的较长(红位移)波长范围的光。
类似红位移已藉由在GaN上生长如预期地发射大约435nm的峰波长的光的已知蓝光LED且接着在包括多孔区域的模板上方生长相同LED结构，然后该LED发射450nm至460nm的峰发射波长来证明。
本发明因此容许已知的可轻易制造的LED结构位移至较长波长发射，因此先前作为较短波长(例如紫或蓝光)LED的结构可藉由在该结构中加入多孔区域而制成较长波长LED。这可有利地容许LED在没有在已知设计中遭遇的许多技术问题的情形下制成。
以往，为了生长加入较长波长发射所需的较高铟量的InGaN量子井，在磊晶沉积InGaN材料时需要较低生长温度。较低生长温度的缺点包括在该晶体结构中出现更多缺陷及较低NH3裂解效率。
但是，在本发明中，生长时在该LED模板中存在该多孔区域可减少该晶体结构中的应变，且可将比先前在预定生长温度可能加入者更多的In铟加入该活性区域。藉由将多孔区域加入该结构，因为可在较高温度加入较大量的In，所以不再有降低该InGaN的生长温度以增加In加入的需要。这容许该LED可使用较高InGaN生长温度，藉此相较于已知技术中的类似波长LED可产生较高晶体质量、较少缺陷及改良性能及LED特性。
该LED发光区域优选地是用于在比该LED的峰发射波长小的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的峰发射波长位移至较长峰发射波长。
由该LED结构下方的多孔区域产生的红位移的大小取决于多种因素，包括该多孔区域的孔隙度及厚度、及该LED活性区域的设计。本领域技术人员已知许多种LED活性区域，且磊晶设计(厚度、组成、掺杂程度)的变化在最新技术中是已知的。
虽然红位移的大小可在不同LED结构之间不同，但在优选实施例中该多孔区域产生在15nm至80nm之间或优选在15nm至50nm之间，且特别优选地30nm至50nm或30nm至40nm的典型波长红位移。因此生长在无孔GaN基材上的已知LED结构会在电偏压作用下发射比生长在包括多孔区域的模板上方的相同LED结构少15nm至80nm、15nm至50nm或30nm至50nm的峰发射波长。
例如该LED发光区域可为用于在低于该LED的所需峰发射波长15nm至80nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的发射光谱红位移15nm至80nm而到达依据本发明的LED的峰发射波长。
或者，该LED发光区域可为用于在低于该LED的所需峰发射波长15nm至50nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的发射光谱红位移15nm至50nm而到达依据本发明的LED的峰发射波长。
或者，该LED发光区域可为用于在低于该LED的所需峰发射波长30nm至50nm或优选地30nm至40nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的发射光谱红位移30nm至50nm或30nm至40nm而到达依据本发明的LED的峰发射波长。
该LED发光区域可为当生长在无孔GaN模板上时，适合发射或配置成发射各种不同峰波长的光的LED发光区域。例如该LED发光区域可为本领域技术人员已知的且配置成当生长在已知无孔半导体模板上时发射蓝光(例如，发射475nm)的发光区域。但是，藉由在一多孔模板上生长该“蓝光”LED发光区域而形成依据本发明的LED，该LED结构可产生红位移使得该LED以比一般的475nm发射波长长的波长发光。
例如，该LED发光区域是当未增生在多孔III族-氮化物层上时，用于在520nm至555nm、445nm至520nm、400nm至445nm或385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域。但是，在该III族-氮化物材料的多孔区域上方生长该LED发光区域可使该发光区域的发射波长位移至比该发光区域的预期峰波长长的峰发射波长。
在将多孔材料加入LED的某些先前尝试中，发现该多孔材料产生高光谱扩展度，使得该光谱发射峰的半波高全宽度(FWHM)不必要地变大。这对于窄发射峰为优选使得由该LED发射的光在或接近所需波长的大部分LED应用是不需要的。
有利地，在本发明中该LED优选地用等于或小于50nm、等于或小于40nm或等于或小于30nm的FWHM发光，优选地其中该LED具有<40nm，更优选地<20nm的FWHM。
在优选实施例中，该发光层是发光氮化铟镓层。该LED亦优选地包括GaN材料的区域。由于GaN与InGaN间的晶格失配，由该多孔区域产生的应力松弛效应特别地有利。
该发光二极管可包括选自于以下项中的至少一个特征：
(a)该发光区域包括一个、二个、三个、四个、五个、六个、七个或八个量子井(或至少一个量子井)；或
(b)该III族-氮化物层包括氮化铝镓层，其具有组成InyGa(1-y)N，其中y在0.1至1.0的范围内；或
(c)发射UV或蓝光的InGaN/GaN或InGaN/InGaN超晶格或InGaN层是设置在该n掺杂部分与该发光区域之间。
橙光LED
在本发明的优选方面中，该LED是橙光LED且该发光区域在电偏压作用下以在590nm至599nm之间或在592nm至597nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供橙光LED，该LED发光区域可为用于在540nm至560nm或540nm至580nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在590nm至599nm之间的黄光波长。
黄光LED
在本发明的优选方面中，该LED是黄光LED且该发光区域在电偏压作用下以在570nm至589nm之间或在电偏压作用下以在580nm至595nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供黄光LED，该LED发光区域可为用于在520nm至540nm或540nm至560nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在570nm至589nm之间或575nm至585nm的黄光波长。
在黄光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.25≤x≤0.35。
绿光LED
在本发明的另一优选方面中，该LED是绿光LED且该发光区域优选地在电偏压作用下以在500nm至569nm之间或在510nm至555nm之间或在电偏压作用下以在520nm至540nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供绿光LED，该LED发光区域可为用于在450nm至520nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在500nm至569nm之间或在520nm至540nm之间的绿光波长。或者，该LED发光区域可为用于在470nm至540nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至较长绿光波长。
在绿光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.22≤x≤0.30，且以x＝0.25为佳。
蓝光LED
在本发明的另一优选方面中，该LED是蓝光LED且该发光区域在电偏压作用下以在450nm至499nm之间、在电偏压作用下以在450nm至485nm之间或在电偏压作用下以在460nm至475nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供蓝光LED，该LED发光区域可为用于在400nm至450nm或420nm至430nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在450nm至499nm之间的蓝光波长。或者，该LED发光区域可为用于在420nm至470nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至450nm至499nm之间的较长蓝光波长。
在蓝光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.12≤x≤0.25或0.15≤x≤0.22。
紫光LED
在本发明的另一优选方面中，该LED是紫光LED且该发光区域在电偏压作用下以在400nm至449nm之间或在电偏压作用下以在410nm至430nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供紫光LED，该LED发光区域可优选地是用于在385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至400nm至449nm之间。
在紫光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.05≤x≤0.17或0.07≤x≤0.12。
模板
该n型区域、该发光区域及该p型区域(可称为LED结构)是优选地生长在包括该多孔区域的半导体模板上方。该半导体模板亦可包括配置成为增生该LED结构提供适当基材的多个半导体材料层。但是，该n型区域、该发光区域及该p型区域生长在该模板上后，该LED结构及该模板两者形成该LED的一部分。
该多孔区域可具有至少1nm，优选至少10nm，特别优选地至少50nm的厚度。例如，该多孔区域可具有在1nm至10000nm之间的厚度。
该多孔区域可具有在1％与99％孔隙度之间、在10％与80％孔隙度之间、在20％与70％孔隙度之间或在30％与60％孔隙度之间的孔隙度。该多孔区域的孔隙度可用相对整个多孔区域的体积的全部孔隙的体积来测量。
已发现该孔隙度会影响由该多孔区域产生的波长位移的大小。大致上，相较于无孔模板上的相同LED结构，该％孔隙度越高，该LED的波长位移越大。
该多孔区域是优选地由以下项中的一者形成：GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN或AlN。
该多孔区域可在该LED的该n型区域、该发光区域及该p型区域正下方或下方。优选地，该n型区域、该发光区域及该p型区域(该LED结构)是如在该LED中的层的生长顺序所定义地位于该多孔区域上或上方。该LED结构优选地增生在该多孔区域上方，使得该LED结构受益于该多孔III族-氮化物层中的应变松弛。
该LED可包括在该n掺杂部分与该多孔区域间的III族-氮化物材料的连接层。优选地，该连接层的厚度是至少100nm，但也可使用更小或更大的厚度。该连接层可优选地是以下项中的一者：GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN或AlN。
该LED优选地包括在该多孔区域与该发光区域间的III族-氮化物材料多孔区域的无孔中间层。因为该多孔区域是使用PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)的方法，藉由电化学孔隙化穿过III族-氮化物材料的无孔层形成，所以该III族-氮化物材料的无孔层通常形成留在该多孔区域的顶部的无孔中间层。该无孔中间层在制造时为其他层的增生有利地提供平滑表面。
优选地，该LED包括位于该多孔区域与该连接层间的III族-氮化物材料的无孔中间层。这可优选地是无孔层，且该多孔区域的电化学蚀刻是穿过该无孔层执行。
该无孔中间层可优选是以下项中的一者：GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN或AlN。
该多孔区域可为多孔层，使得该发光二极管包括III族-氮化物材料的多孔层。优选地，该多孔区域可为连续多孔且例如由连续多孔III族-氮化物材料层形成的多孔层。
该多孔区域可包括多个多孔层及任选的多个无孔层。在本发明的优选实施例中，该多孔区域是交替多孔及无孔层的堆叠物，且该堆叠物的顶面界定该多孔区域的顶部，并且该堆叠物的底面界定该多孔区域的底部。该发光区域可形成在包括III族-氮化物材料多孔层的堆叠物的多孔区域上方。
在某些实施例中，该发光区域是位于多个III族-氮化物材料多孔层的堆叠物上方。因此，该多孔区域可不是III族-氮化物材料的单一多孔层，而是至少某些层为多孔的III族-氮化物材料层的堆叠物。该多孔层的堆叠物可优选地是交替的多孔及无孔层的堆叠物。
或者该多孔区域可为III族-氮化物材料层，其包括一个或多个多孔区域，例如在III族-氮化物材料的除多孔区域的外无孔的层中的一个或多个多孔区域。换言之，该多孔区域不必是连续的多孔材料层。
在优选实施例中，该多孔区域或多孔层可具有等于生长该多孔层或区域的该基材的横向尺寸的横向尺寸(宽度或长度)。例如，已知基材晶圆大小可具有不同大小，例如1cm2、或2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸或16英寸直径。但是，藉由使相同层中不同电荷载子浓度的一个或多个层和/或沉积分区图案化，可形成未跨越整个基材的多个较小多孔区域。因此，该多孔层或区域的横向尺寸可由大约一像素的1/10(例如0.1μm)变化到该基材本身的横向尺寸。
该n掺杂部分优选地包括n掺杂III族-氮化物层。
优选地，该n掺杂部分和/或该n掺杂层包括n-GaN、n-InGaN、n-GaN/n-InGaN交替层的堆叠物或包括不同铟浓度的n-InGaN/n-InGaN交替层的堆叠物。
该n掺杂部分可包括单晶n掺杂III族-氮化物部分，优选地其中该n掺杂部分包括具有平坦顶面的单晶n掺杂III族-氮化物层。
该多孔区域及在该多孔区域与该单晶n掺杂III族-氮化物层间的各层可为平坦层，该平坦层具有与该单晶n掺杂III族-氮化物层的平坦顶面平行的个别顶面及个别底面。
该发光区域优选地包括一个或多个InGaN量子井，且优选地为1个至7个量子井。
该发光层可为InGaN的纳米结构层，其包括例如量子点、片段量子井或不连续量子井的量子结构。
该发光层和/或该量子井优选地具有组成InxGa1-xN，其中0.07≤x≤0.35，优选地0.12≤x≤0.30或0.22≤x≤0.30，特别优选地0.22≤x≤0.27。
该LED优选地包括：III族-氮化物层，其设置在该发光层上；及III族-氮化物势垒层，其设置在该III族-氮化物层上。
该发光层上的III族-氮化物层可称为“覆盖层”。该覆盖层是用于：1)增加用于频带弯曲的量子局限史塔克效应，因此该红位移及达成较长波长发射；2)保护InGaN中的高In％以确保足够In％加入用于达生长波长及提供较大障壁。
该LED优选地包括在该量子井与该p掺杂区域间的III族-氮化物材料的覆盖层。该覆盖层可为GaN、InGaN、AlGaN或AlN。
该LED优选地包括在该量子井与该p掺杂区域间的III族-氮化物材料的势垒层。该势垒层可为GaN、InGaN、AlGaN或AlN。
该p掺杂区域可包括p掺杂III族-氮化物层及位于该p掺杂III族-氮化物层与该发光区域之间的p掺杂氮化铝镓层。该p掺杂氮化铝层是在该覆盖层与该p型层之间的电子阻挡层(EBL)，其中该电子阻挡层包括5至25at％的铝，优选地其中该电子阻挡层具有在10nm至50nm之间的厚度。
优选地，该多孔区域不是分布式布拉格反射器(DBR)的一部分。
像素大小
该发光区域和/或该LED可具有大于100μm且小于300μm的横向尺寸(宽度及长度)。在这情形中，该LED可称为“小型LED”。在优选实施例中，该小型LED可为正方形、圆形或具有圆角的正方形且具有例如300μm×300μm、200μm×200μm、100μm×100μm的尺寸。
该发光区域和/或该LED亦可具有小于100μm的横向尺寸(宽度及长度)。在这情形中，该LED可称为“微型LED”。该微型LED可优选地具有小于80μm、70μm、60μm、50μm、30μm、25μm、20μm、15μm、10μm、5μm、3μm、1μm、500nm、200nm、100nm或50nm的横向尺寸。
在优选实施例中，该微型LED可为正方形、圆形或具有圆角的正方形且具有例如75μm×75μm、50μm×50μm、40μm×40μm、30μm×30μm、25μm×25μm、20μm×20μm、10μm×10μm、5μm×5μm、2μm×2μm、1μm×1μm、500nm×500nm或更小的尺寸。
该LED的形状可选择地为圆形、正方形、矩形、六边形或三角形。在不规则形状的像素设计的情形中，至少一个尺寸应落在上述尺寸内以便该LED被分类为小型或微型LED。例如，该LED的宽度或直径是优选地小于100μm使得该LED被分类为微型LED。
小型LED
在本发明的第二方面中，提供一种小型LED，其包括依据本发明的第一方面的LED，其中该发光区域具有大于100μm且小于300μm或200μm的横向尺寸(宽度及长度)。在优选实施例中，该小型LED可为正方形、圆形或具有圆角的正方形且具有例如300μm×300μm、200μm×200μm、100μm×100μm的尺寸。
微型LED
在本发明的第三方面中，提供一种微型LED，其包括依据本发明的第一方面的LED，其中该发光区域具有小于100μm的横向尺寸。该微型LED可优选地具有小于80μm、70μm、60μm、50μm、30μm、25μm、20μm、15μm、10μm、5μm、3μm、1μm、500nm、200nm、100nm或50nm的横向尺寸。
微型LED阵列
在本发明的第四方面中，提供一种微型LED阵列，其包括多个依据本发明的第三方面的微型LED。
绿光LED
依据本发明的第五方面，提供一种绿光发光二极管(LED)，其包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括：
发光层，其在电偏压通过的情形下以在500nm至570nm之间的峰波长发光；
III族-氮化物层，其设置在该发光层上；及
III族-氮化物势垒层，其设置在该III族-氮化物层上，
其中该发光二极管包括III族-氮化物材料的多孔区域。
该绿光LED的发光区域可优选地在电偏压作用下以在500nm至570nm之间、在电偏压作用下以在510nm至555nm之间或在电偏压作用下以在520nm至540nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供绿光LED，该LED发光区域可为用于在450nm至520nm或在470nm至510nm之间的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在500nm至570nm之间或在520nm至540nm之间的绿光波长。
在绿光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.22≤x≤0.30，优选地x＝0.25。
以上关于第一至第四方面所述的特征可同样地应用于该绿光LED。
蓝光LED
依据本发明的第六方面，提供一种蓝光发光二极管(LED)，其包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括：
发光层，其在电偏压通过的情形下以在450nm至500nm之间的峰波长发光；
III族-氮化物层，其设置在该发光层上；及
III族-氮化物势垒层，其设置在该III族-氮化物层上，
其中该发光二极管包括III族-氮化物材料的多孔区域。
该蓝光LED的发光区域可在电偏压作用下以在450nm至500nm之间、在电偏压作用下以在455nm至485nm之间或在电偏压作用下以在460nm至475nm之间的峰波长发光。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供蓝光LED，该LED发光区域可为用于在400nm至445nm或420nm至430nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在450nm至500nm之间的蓝光波长。
在一蓝光LED的一优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.12≤x≤0.22或0.15≤x≤0.20。
以上关于第一至第四方面所述的特征可同样地应用于该蓝光LED。
制造方法
在本发明的第七方面中提供一种制造LED的方法，其包括步骤：在III族-氮化物材料的多孔区域上方增生：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括在电偏压通过的情形下以在400nm至599nm之间的峰波长发光的发光层。
或者，该方法可包括步骤：用比以前可能者高的生长温度在III族-氮化物材料的多孔区域上方生长LED结构。因为存在该III族-氮化物材料的多孔区域意味该半导体晶格被应变松弛，所以当生长该InGaN发光层时可使用比平常高的生长温度来加入所需的铟。增生在该多孔区域上的LED结构可为已知LED结构，但在这情形中使用该多孔模板有利地容许该LED发光层，例如InGaN量子井(QW)增生在无孔基材上时可用比可能者高的生长温度生长。
在本发明的第八方面中提供一种制造LED的方法，其包括步骤：在III族-氮化物材料的多孔区域上方增生：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括用于在385nm至555nm的峰波长发射的发光层，
其中在该III族-氮化物材料的多孔区域上增生使该发光区域的发射波长在电偏压作用下位移至400nm至599nm之间的峰波长。
在本发明的第九方面中提供一种制造LED的方法，该LED在电偏压作用下具有在400nm与599nm之间的一峰发射波长，该方法包括步骤：在III族-氮化物材料的多孔区域上方增生LED结构，该LED结构包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，用于在比该LED的该峰发射波长小的波长发射，其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长红位移至该峰发射波长。
包括该n掺杂部分、该p掺杂部分及该发光区域的LED结构可为用于在比该LED的该峰发射波长小的波长发射，使得该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长红位移至该峰发射波长的LED结构。
以下说明应用于本发明的第七、第八与第九方面的方法。
该LED发光区域可为用于在低于该LED的所需峰发射波长15nm至80nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的发射光谱红位移15nm至80nm。
或者，该LED发光区域可为用于在低于该LED的所需峰发射波长15nm至50nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的发射光谱红位移15nm至50nm。
该LED发光区域可为当生长在无孔GaN模板上时，适合发射或配置成发射各种不同峰波长的光的LED发光区域。例如该LED发光区域可为本领域技术人员已知的且配置成当生长在已知无孔半导体模板上时发射蓝光(例如，发射475nm)的发光区域。但是，藉由在无孔模板上生长该“蓝光”LED发光区域而形成依据本发明的LED，该LED结构可经历红位移使得该LED以比一般的475nm发射波长长的波长发光。
例如，该LED发光区域是当未增生在多孔III族-氮化物层上时，用于在520nm至555nm、445nm至520nm、400nm至445nm或385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域。但是，在该III族-氮化物材料的多孔区域上方生长该LED发光区域可使该发光区域的发射波长位移至比该发光区域的预期峰波长长的峰发射波长。
在优选实施例中，该发光层是发光氮化铟镓层。该LED还优选地包括GaN材料的区域。由于GaN与InGaN间的晶格失配，由该多孔区域产生的应力松弛效应特别地有利。
橙光LED制造
该方法可为制造橙光LED的方法，该橙光LED具有在电偏压作用下在590nm至599nm之间的峰发射波长。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供黄光LED，该LED发光区域可为用于在540nm至560nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在590nm至599nm之间的橙光波长。
在橙光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.25≤x≤0.35。
黄光LED制造
该方法可为制造黄光LED的方法，该黄光LED具有在电偏压作用下在570nm至589nm之间或在电偏压作用下在575nm至585nm之间的峰发射波长。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供黄光LED，该LED发光区域可为用于在520nm至540nm或540nm至560nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在570nm至589nm之间或575nm至585nm的黄光波长。
在黄光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.25≤x≤0.35。
绿光LED制造
该方法可为制造绿光LED的方法，该绿光LED具有在电偏压作用下在500nm至570nm之间、在电偏压作用下在510nm至555nm之间或在电偏压作用下在520nm至540nm之间的峰发射波长。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供绿光LED，该LED发光区域可为用于在450nm至520nm或在470nm至540nm之间的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在495nm至570nm之间或在520nm至540nm之间的绿光波长或较长绿光波长。
在绿光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.22≤x≤0.30，且以x＝0.25为佳。
蓝光LED制造
该方法可为制造蓝光LED的方法，该蓝光LED具有在电偏压作用下在450nm至499nm之间、在电偏压作用下在450nm至485nm之间或在电偏压作用下在460nm至475nm之间的峰发射波长。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供蓝光LED，该LED发光区域可为用于在400nm至450nm或420nm至470nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至例如在450nm至499nm之间的蓝光波长或较长蓝光波长。
在蓝光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.12≤x≤0.22或0.15≤x≤0.20。
紫光LED制造
该方法可为制造紫光LED的方法，该紫光LED具有在电偏压作用下在400nm至449nm之间或在电偏压作用下在410nm至430nm之间的峰发射波长。
为了当该LED结构增生在该多孔区域上方时提供紫光LED，该LED发光区域可为用于在385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域，且该III族-氮化物材料的多孔区域可使该发光区域的发射波长位移至400nm至449nm之间。
在紫光LED的优选实施例中，该发光层可具有组成InxGa1-xN，其中0.05≤x≤0.17或0.07≤x≤0.12。
制造步骤
该n型区域、该发光区域及该p型区域(可称为LED结构)是优选地生长在包括该多孔区域的半导体模板上方。该半导体模板亦可包括配置成为该LED结构的增生提供适当基材的多个半导体材料层。
该方法可包括使III族-氮化物材料层电化学地孔隙化以形成该III族-氮化物材料的多孔区域的第一步骤。这可使用如国际专利申请案PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)中揭示的晶圆级孔隙化过程来达成。
该方法可优选地包括藉由电化学孔隙化穿过III族-氮化物材料的无孔层形成该III族-氮化物材料的多孔区域，使得该III族-氮化物材料的无孔层形成无孔中间层的步骤。该无孔中间层可为增生例如III族-氮化物材料的一个或多个连接层的其他层有利地提供平滑表面。
该多孔区域可藉由使在该基材上的一个或多个III族-氮化物材料层或区域孔隙化来形成。该基材可为硅、蓝宝石、SiC、β-Ga2O3。该基材的晶体方位可为极性、半极性或非极性方位。该基材厚度通常可在100μm与1500μm之间变化。
该多孔区域可为多孔层，因此该方法包括步骤：在III族-氮化物材料的多孔层上方形成：n掺杂部分；p掺杂部分；及LED发光区域。优选地，该多孔区域可为连续多孔且例如由连续的多孔III族-氮化物材料层形成的多孔层。
该多孔区域可包括多个多孔层及任选的多个无孔层。在本发明的优选实施例中，该多孔区域是交替多孔及无孔层的堆叠物，且该堆叠物的顶面界定该多孔区域的顶部，并且该堆叠物的底面界定该多孔区域的底部。
或者，该多孔区域可为III族-氮化物材料层，其包括一个或多个多孔区域，例如III族-氮化物材料的除多孔区域的外无孔的层中的一个或多个多孔区域。
在优选实施例中，该多孔区域或多孔层可具有等于生长该多孔层或区域的该基材的横向尺寸的横向尺寸(宽度或长度)。例如，已知基材晶圆大小可具有各种大小，例如1cm2、或2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸或16英寸直径。但是，藉由使相同层中不同电荷载子浓度的一个或多个层和/或沉积分区图案化，可形成未跨越整个基材的多个较小多孔区域。因此，该多孔层或区域的横向尺寸可由大约一像素的1/10(例如0.1μm)变化到该基材本身的横向尺寸。
在该孔隙化步骤前，优选地包括一层或层堆叠物的n掺杂III族-氮化物半导体材料的掺杂区域可沉积在基材上。一个或多个III族-氮化物层可包括这些元素中的一者或其组合：Al、Ga、In(三元或四元层)。该III族-氮化物堆叠物的厚度优选地在10nm至4000nm之间。该III族-氮化物区域可具有在1×1017cm-3至5×1020cm-3之间的掺杂浓度。
优选地，未掺杂III族-氮化物材料的中间层在它孔隙化前沉积在该掺杂材料上方。该中间层优选地具有在1nm至3000nm之间且优选在5nm至2000nm之间的厚度。因为该中间层未掺杂，所以它在该孔隙化步骤后仍保持无孔，这为其他半导体层的磊晶层增生有利地提供良好表面。
在优选实施例中，该掺杂区域由交替掺杂及未掺杂层的堆叠物构成。在优选实施例中，该堆叠物包括5对至50对的层。各高掺杂层的厚度可在10nm至200nm之间变化且低掺杂或未掺杂层可具有5nm至180nm的厚度。
如所属技术领域中已知地，电化学孔隙化由III族-氮化物材料的n型掺杂区域移除材料，且在该半导体材料中产生空孔隙。
在优选实施例中，该LED结构是形成在多个III族-氮化物材料多孔层的堆叠物上方。因此，该多孔区域可不是III族-氮化物材料的单一多孔层，而是至少某些层为多孔的III族-氮化物材料层的堆叠物。该多孔层的堆叠物可优选地为交替多孔及无孔层的堆叠物。
该方法可优选地包括步骤：在一个或多个III族-氮化物材料的连接层上增生n掺杂区域、LED发光区域及p掺杂区域前，在该III族-氮化物材料的中间层的表面上沉积该连接层。
或者，在该多孔区域上方没有无孔中间层时，该方法可包括步骤：在该III族-氮化物材料的多孔区域的表面上沉积III族-氮化物材料的连接层。
该方法可包括其他步骤：在该连接层上增生该n掺杂区域、该LED发光区域及该p掺杂区域。
由该制造方法产生的LED优选地是依据本发明的第一至第六方面中的一方面的LED。
在此关于本发明的一方面所述的特征可同样地应用于本发明的其他方面。
附图说明
以下参照图说明本发明的实施例，其中：
图1示出了适用于依据本发明的LED的多孔模板；
图2至图18示出了制造依据本发明优选实施例的LED的步骤；
图19是对在多孔区域上方的InGaN LED而言，标准化电致发光(EL)强度对波长的图；
图20是对在无孔基材上的InGaN LED而言，在不同电流引入时标准化电致发光(EL)强度对波长的图；
图21是对生长在多孔区域上方的与图15相同的InGaN LED而言，在不同电流引入时标准化电致发光(EL)强度对波长的图；
图22是对在无孔基材上的不同像素大小的InGaN微型LED测得的I-V曲线，且该插入影像示出了黄光发射；
图23是对在多孔基材上的不同像素大小的InGaN微型LED测得的I-V曲线，且该插入影像示出了红光发射；
图24A是比较生长在不同模板上的三种LED的强度对EL波长的图；
图24B是比较生长在不同模板上的三种LED的强度对EL波长的图；
图24C是比较生长在不同模板上的两种LED的强度对EL波长的图。
具体实施方式
图1示出了适用于依据本发明的LED的多孔模板。
该多孔模板包括在基材上的III族-氮化物材料的多孔区域，且III族-氮化物材料的无孔层配置在该多孔区域的顶面上方。或者，可在该基材与该多孔区域之间具有III族-氮化物材料的其他层。
如以下更详细所述地，该多孔区域可藉由磊晶地(epitaxially)生长III族-氮化物材料的n掺杂区域且接着生长III族-氮化物材料的未掺杂层及使用如国际专利申请案PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)中揭示的孔隙化过程使该n掺杂区域孔隙化来提供。
如上所述，这孔隙化在晶格中产生应变松弛，这意味其他半导体层的后续增生受益于其晶格中的减少压力应变。
该多孔区域可包括一层或多层一个或多个III族-氮化物材料且可具有一定范围的厚度，而全部仍提供使增生在该多孔区域上方的InGaN发光层的波长位移的应变松弛好处。在优选实施例中，该多孔区域可例如包括GaN和/或InGaN。
各种LED结构可增生在图1所示的模板上方。
具体而言，本领域技术人员已知的用于制造黄或绿光LED的包括InGaN发光层的LED结构可使用标准LED制造步骤增生在该多孔模板上。但是，当生长在该多孔模板上时，通常发射第一波长的LED结构发射红位移的较长波长。
依此方式，使用III族-氮化物材料的多孔区域作为用于增生已知InGaN LED结构的模板或准基材容许较长波长LED以直接方式制成。
在优选实施例中，依据本发明的LED包括以下层且可使用以下过程逐步地制造。
该LED结构的以下说明涉及以由下向上的方式说明的顶发射架构，但本发明可同样地应用于底发射架构。
图2-基材与用于孔隙化的III族-氮化物层
使用兼容基材作为用于磊晶生长的开始表面。该基材可为硅、蓝宝石、SiC、β-Ga2O3、GaN、玻璃或金属。该基材的晶体方位可为极性、半极性或非极性方位。该基材可具有1cm2、2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸直径及16英寸直径以上的不同尺寸，且该基材可具有大于1μm，例如在1μm至15000μm之间的厚度。
III族-氮化物材料的一层或层堆叠物在该基材上磊晶地生长。该III族-氮化物层可包括这些元素中的一者或其组合：Al、Ga、In(二元、三元或四元层)。
该III族-氮化物堆叠物的厚度T优选地是至少10nm、至少50nm或至少100nm，例如在10至10000nm之间。
该III族-氮化物层包括具有在1×1017cm-3至5×1020cm-3间的n型掺杂浓度的掺杂区域。该III族-氮化物层亦可包括在该掺杂区域上方的III族-氮化物材料的未掺杂“覆盖”层。
该掺杂区域可终止在该III族-氮化物层的暴露上表面，在此情形中该层的该表面在电化学蚀刻时被孔隙化。
或者，该III族-氮化物材料的该掺杂区域被III族-氮化物材料的未掺杂“覆盖”层覆盖，使得该掺杂区域是该半导体结构中的次表面。该掺杂区域的次表面开始深度(d)可例如在1至2000nm之间。
图3-对多孔区域的孔隙化
该III族-氮化物层(或层堆叠物)沉积在该基材上后，使它藉由如在国际专利申请案PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)中揭示的晶圆级孔隙化过程来孔隙化。在这过程中，该III族-氮化物材料的掺杂区域成为多孔，而没有任何III族-氮化物材料的未掺杂区域成为多孔。
该孔隙化步骤后，该结构因此包括仍有先前n掺杂III族-氮化物材料的多孔区域及任选的覆盖该多孔区域的无孔中间层。
该多孔层的孔隙化程度是藉由该电化学蚀刻过程控制且可在1％至99％孔隙度之间、优选在20％至90％孔隙度之间或在30％至80％之间，但亦可使用更小或更大的孔隙度。
孔隙化后的多孔区域的厚度是优选地大于1nm、更优选地是大于10nm、特别优选地是至少40nm、50nm或100nm。但是，获得由该多孔区域提供的应变松弛好处所需的材料厚度可依据形成该多孔区域的III族-氮化物材料的种类改变。
由该孔隙化过程产生的多孔区域可为在整层中具有均匀组成及均匀孔隙度的III族-氮化物材料的整体层。或者，该多孔区域可包括不同组成和/或孔隙度的多个多孔材料层，因此形成III族-氮化物材料的多孔堆叠物。例如，该多孔区域可为多孔GaN的连续层、多孔InGaN的连续层或包括一个或多个多孔GaN层和/或一个或多个多孔InGaN层的堆叠物。本发明人发现用于增生的该多孔区域的应变松弛好处可在具有不同厚度、组成或层状堆叠物的大范围多孔区域获得。
在图中所示的实施例中，该多孔区域是单一多孔层。
当在该掺杂区域上方有III族-氮化物材料的未掺杂覆盖层时，在下方掺杂区域的穿过表面孔隙化后，该未掺杂区域保持无孔。这无孔覆盖层的厚度D可优选地为至少2nm、至少5nm或至少10nm且优选地为5nm至3000nm。在该掺杂区域上方提供未掺杂覆盖层有利地产生在孔隙化后覆盖该多孔区域的III族-氮化物材料的无孔层。这无孔覆盖层可有利地容许在该多孔区域上方更优选地增生其他材料。
当可在整个半导体晶圆上执行PCT/GB2017/052895(公开号为WO2019/063957)及PCT/GB2019/050213(公开号为WO2019/145728)的孔隙化方法时，不需要加工/图案化/处理来准备用于孔隙化的模板。
图4-连接层
形成该多孔层后，可在由该多孔层及该无孔覆盖层提供的多孔模板/准基板上生长III族-氮化物LED磊晶结构。
用于在该模板上生长该LED结构的第一层可称为连接层1。
虽然LED磊晶结构可直接地生长在该无孔覆盖层上，但最好在增生该LED结构前在该覆盖层上方设置连接层1。本发明人发现使用在该多孔区域与该LED磊晶结构之间的III族-氮化物连接层1可有利地确保在该LED与该多孔模板/基材之间的良好磊晶关系。这层的生长确保在该连接层顶部的后续增生平顺且磊晶并且具有适当高质量。
该连接层1是由III族-氮化物材料形成且可包括这些元素中的一者或其组合：Al、Ga、In(二元、三元或四元层)。
该连接层可为掺杂或未掺杂层。该连接层可选择地掺杂适当n型掺杂剂材料，例如Si、Ge、C、O。该III族-氮化物层可具有在1×1017cm-3至5×1020cm-3之间的掺杂浓度。
该连接层的厚度优选地是至少100nm且可例如在100nm至10000nm之间。
图5-n掺杂区域
该连接层生长后，生长整体n掺杂III族-氮化物区域2。
该n掺杂区域2可包括或由包括铟的III族-氮化物层或有或无铟的薄III族-氮化物层堆叠物构成，或生长铟的原子百分比在整个整体层或III族-氮化物层堆叠物中变化的该层或堆叠物。例如，该n掺杂区域可为n-GaN层或n-InGaN层，或者该n掺杂区域可为n-GaN/n-InGaN交替层堆叠物或在交替层中具有不同铟量的n-InGaN/n-InGaN交替层堆叠物。
优选地，该n掺杂区域2包括铟，使得该n掺杂区域的结晶晶格具有与该LED中的InGaN发光层的晶格类似的晶格参数。该n掺杂区域中的铟原子百分比可例如在0.1％至25％之间变化。
在优选实施例中，n掺杂区域的铟含量是在该InGaN发光层的铟含量的20at％内、15at％内、10at％内或5at％内。这可有利地确保该n掺杂区域的晶格参数充分地类似该InGaN发光层的晶格参数以避免这些层间的过大应变。
该n掺杂区域的总厚度可为至少2nm、至少5nm、至少10nm或至少20nm。该n掺杂区域的厚度可例如在2nm至5000nm之间变化或甚至更厚。若该n掺杂区域包括一层堆叠物，则该堆叠物中的各独立层的厚度是优选地在1nm至40nm之间。
该n掺杂区域优选地具有在1×1017cm-3至5×1020cm-3间，优选地在1×1018cm-3至5×1020cm-3间，特别优选地大于1×1018cm-3的n型掺杂浓度。
图6-发光区域
生长该n掺杂区域2后，可生长底层、预成形层或预成形井(在图6中未标示)以便释放一个或多个发光层中的应变。该底层可为单一层或GaN、InGaN、GaN/InGaN或InGaN/InGaN的堆叠物/多个层。或者，该底层可具有类似InGaN QW/GaN量子障壁的结构，但具有较低铟比例。例如，在沉积具有比较高比例铟的发光层前，可生长由具有比该发光层低的铟比例的整体InGaN层构成的底层。或者，该底层可采用具有比该发光层低的铟比例的InGaN“假”QW及一个或多个GaN量子障壁的形式。
生长该n掺杂区域2及任选的该底层后，生长包括InGaN发光层的发光区域3。
该发光区域3可包括至少InGaN发光层。各InGaN发光层可为InGaN量子井(QW)。优选地，该发光区域可包括1个至7个的量子井。相邻量子井被具有与该量子井不同的组成的III族-氮化物材料的势垒层分开。
一个或多个发光层在本文件中可称为“量子井”，但可采用各种不同形式。例如，该发光层可为InGaN的连续层，或该层可为连续、片段、间断层，可包括间隙或可具有纳米结构使得该量子井有效地包括表现为量子点的多个3D纳米结构。
该量子井及障壁是在600℃至800℃的温度范围内生长。
各量子井由具有在15％至40％间的原子铟百分比的InGaN层构成。优选地，一个或多个发光氮化铟镓层和/或该量子井具有组成InxGa1-xN，其中0.05≤x≤0.35，优选地0.12≤x≤0.30或0.22≤x≤0.30，特别优选地0.22≤x≤0.27。
各量子井层的厚度可在1.5nm至8nm之间且优选在1.5nm至6nm之间或在1.5nm至4nm之间。该量子井可被薄的(0.5nm至3nm)III族-氮化物QW覆盖层覆盖，该III族-氮化物QW覆盖层可包括这些元素中的一者或其组合：Al、Ga、In(三元或四元层)。
在QW生长后立即添加的层的该QW覆盖层(若有的话)可为AlN、0.01％至99.9％中的任一Al％的AlGaN、GaN、0.01％至30％中的任一In％的InGaN。
分开该发光层(量子井)的该III族-氮化物QW势垒层可包括这些元素中的一者或其组合：Al、Ga、In(三元或四元层)。该QW势垒层可为AlN、0.01％至99.9％中的任一Al％的AlGaN、GaN及0.01％至15％中的任一In％的InGaN。优选地，该QW势垒层包括AlN和/或AlGaN。
因为一个或多个QW覆盖层及QW障壁形成该发光区域3的一部分，所以这些层在图中未用独立符号表示。
该QW覆盖层可在各QW后但在该障壁生长前生长。例如，若LED包括3个QW，则这些QW的各QW可增生QW覆盖层及接着QW势垒层，使得该发光区域包括3个如此的QW覆盖层及三个如此的QW势垒层。
1.可在与该QW相同的条件下生长该覆盖层。
2.可在无生长的情形下升温至较高温度且使这覆盖层生长(事实上这是退火步骤)并且在此该升温是在不同气体混合物中执行。
3.可在温度上升期间升温及生长。
该发光区域的设计可依据本领域技术人员非常了解且在LED设计中已知的参数来改变。例如，可依据该LED的目标EL发射波长，改变发光层及势垒层的组成、厚度及数目。如本申请案中先前所述地，当需要较长波长发射时，可增加InGaN发光层的铟含量。
如上所述，本发明可藉由在包括多孔区域的模板上方生长已知地在电偏压作用下发射第波长的已知LED结构来提供。由该LED结构下方的多孔区域产生的应变松弛可在相同生长条件下将更多铟加入一个或多个发光层，因此当相较于在相同条件下在无孔基材上方生长的相同LED结构时，制得的LED的波长产生红位移。因此可使用本发明获得比在已知技术中可能获得者更多样的发射波长，且特别地可在更高InGaN生长温度下获得较长波长。这导致了在该LED中优异质量的晶体结构，因此产生较高性能的LED。
因为制造较长波长黄光、橙光或红光LED的先前尝试由于未加入足够铟而失败，所以对制造较长波长LED而言，一个或多个发光层中的大量铟使该覆盖层更为重要。因此覆盖对确保有足够铟存在该发光区域内是非常重要的。
图7-覆盖层
在一个或多个发光层生长后，生长未掺杂覆盖层4。因为该未掺杂覆盖层4是在完整发光区域生长后，例如在QW、QW覆盖层及QW势垒层的堆叠物生长后形成，所以这层可称为发光区域覆盖层。
该覆盖层(发光区域覆盖层)4是在用于III族-氮化物LED的生长架构中已知的标准层。
该覆盖层的厚度可在5nm至30nm之间，优选在5nm至25nm或5nm至20nm之间。
该未掺杂覆盖层4的目的是保护该发光区域(QW堆叠物)中的铟及防止它在后续处理时脱附/蒸发。因为该InGaN QW通常在对GaN/AlGaN不利的较低温度下生长，所以可在该发光区域上方生长其他层前通常需要温度升高步骤。该覆盖层是用于确保一个或多个InGaN发光层被适当地覆盖及保护，因此存在机会和时间窗来改变该p掺杂层生长条件以获得更好的材料质量。该发光区域覆盖层4亦确保无Mg掺杂物在生长p型层时进入该QW区域。
电子阻挡层(EBL)
在生长量子井、覆盖及势垒层后，生长包括铝的III族-氮化物电子阻挡层(EBL)5。该Al％可例如在5％至25％之间，但亦可为更高Al含量。
用适当p型掺杂材料掺杂该EBL。该EBL的p型掺杂浓度是优选地在5×1018cm-3至8×1020cm-3之间。
该EBL的厚度可在10nm至50nm之间，并且优选地为20nm。
图8-p掺杂层
在该电子阻挡层(EBL)5上方生长p掺杂层6。
优选地用Mg掺杂该p型区域，且该p型层的p型掺杂浓度优选地在5×1018cm-3至8×1020cm-3之间。
该p掺杂III族-氮化物层可包括In与Ga。
该掺杂层的厚度是优选地在20nm至200nm之间，特别优选地在50nm至100nm之间。掺杂浓度在该p型层上各处可不同且可在该层朝向该LED表面的最后10nm至30nm中具有掺杂浓度的峰值以获得更好的p接触。
为了活化该p掺杂层中的Mg受子，该结构可在MOCVD反应器内或在退火炉中退火。在N2中或在N2/O2的环境中该退火温度可在700℃至850℃的范围内。
因为该EBL及该p掺杂层都被p型掺杂，所以这些层可称为p掺杂区域。
图9-透明导电层
用透明导电层7覆盖活性半导体层的堆叠物。该透明导电层可由Ni/Au、氧化铟锡、氧化铟锌、石墨烯、Pd、Rh、银、ZnO等或这些材料的组合形成。
该透明导电层的厚度可在10nm至250nm之间。
透明导电层在所属技术领域中是已知的且可使用任何适当材料及厚度。
可能需要退火步骤来产生该p接触欧姆。
图10
依据制成的LED结构，该半导体结构可被处理成LED、小型LED或微型LED。
一般的LED通常比200μm(是指该LED结构的宽度及长度的横向尺寸大。小型LED的横向大小通常是100μm至200μm，而微型LED的大小通常小于100μm。
由图10开始示出了将该半导体结构的层2至7蚀刻成各具有相同结构的多个独立LED堆叠物或台面后的半导体结构。
LED制造的步骤是已知的且为本领域技术人员所熟知。对本发明而言，以下制造步骤的顺序非特定且本领域技术人员可了解在本发明的范围内的LED装置可使用以下所示者的替代制造步骤来制备。但是，只是为了说明，以下说明依据本发明制备LED的优选制造行程。
在下一步骤中，建构该透明导电层7使得它只覆盖该活性发射组件的顶面。该建构可使用包括抗蚀剂涂布及光微影的标准半导体处理方法来达成。该透明导电层是藉由使用湿式化学或使用氩的溅镀蚀刻过程来蚀刻。这步骤后进行该III族-氮化物结构的湿式或干式蚀刻。使用电感耦合反应离子蚀刻、只有反应离子蚀刻过程或中性束蚀刻在该III族-氮化物层中产生多个台面。该干式蚀刻过程可包括Cl、Ar、BCl3、SiCl4气体中的任一个或多个。
这步骤的目的是隔离该个别发射组件及进接该p-n接面的埋入n掺杂层。
在该干式蚀刻过程后进行湿式蚀刻过程以便由该台面的侧壁移除干式蚀刻破坏。该湿式化学法可包括KOH(1％至20％)、TMAH或其他基础化学法。
图11-钝化
下一步骤是沉积钝化层8或钝化层的组合。该开始钝化层可为Al2O3(10nm至100nm)(藉由原子层沉积来沉积)，接着溅镀或电浆加强化学蒸汽沉积SiO2、SiN或SiON(50nm至300nm)。
该Al2O3可在50℃至150℃之间沉积。
该SiO2、SiN及SiON可在250℃至350℃之间沉积。
该溅镀过程可在室温下进行。
图12至13
下一步骤是在该氧化物钝化层8中产生通孔以暴露该LED结构的顶部。这可透过湿式、干式蚀刻或两者的组合来达成。
就湿式缓冲氧化物蚀刻而言，可使用稀氢氟酸、磷酸或这些酸的混合物。
亦在该LED结构之间蚀刻信道穿过该连接层1，接着藉由在该通道中沉积介电掩模材料8使该LED结构互相电气地隔离，使得该LED可互相独立地操作。
装置制造中的下一步骤是用金属层9覆盖该p掺杂层6上的透明导电层7以作为电p接触。该覆盖可藉由单一步骤或多个步骤来达成。该金属可完全地或部分地覆盖该像素。在这示例中使用单一步骤来简化细节。
该金属可包括Ti、Pt、Pd、Rh、Ni、Au。该完成金属堆叠物的厚度可在200nm至2000nm之间。
图14-暴露连接层
可使用标准光微影技术在该第二掩模(mask)层8中产生通孔以暴露该连接层1的多个区域。该通孔的大小可在200nm至50000nm之间变化。该通孔间的距离可在500nm至30000nm之间。该通孔只在未被LED结构占据的晶圆的区域中产生。
最好使用干式蚀刻来使用氟基气体蚀刻该第二掩模层8。
图15-n接触
装置制造中的下一步骤是藉由金属接触10覆盖该氧化物8中的通孔以进接与该LED结构的n掺杂层电接触的连接层1。该覆盖可藉由单一步骤或多个步骤来达成。该金属可完全地或部分地覆盖该像素。在这示例中使用单一步骤来简化细节。
该金属可包括Ti、Pt、Pd、Rh、Ni、Au。该完成金属堆叠物的厚度可在200nm至2000nm之间。
图16至图18
这处理后，可使该基材薄化和/或可移除该多孔区域使该连接层1暴露。
在该基材上且在该多孔区域或层1可进行表面结构化或粗化以增加光输出且控制该发射角度及其他光学工程及设计。
最后，可将该晶圆/装置翻转且结合在可为硅/蓝宝石或任一种作为被动装置者的另一载体基材，或者可将该装置结合在用于活性矩阵微型LED示出了面板的CMOS硅底板上。
如图16所示，可将该装置的顶侧结合在另一载体晶圆/基材/底板11或微驱动电路板上以形成一像素的阵列。
如图17所示，接着可由该装置移除该基材，且可将该装置的底侧可结合在盖玻璃或透明材料12上。
如图18所示，可由该装置移除该基材及该多孔与无孔区域。该装置的顶侧可结合在另一载体晶圆/基材/底板11或微驱动电路板上以形成一像素的阵列。该装置的底侧可结合在盖玻璃或透明材料12上。
本领域技术人员可了解的是该独立LED结构的发射波长可藉由依据LED构造的已知原理改变该LED结构的组成及层结构来控制。因此可使用本发明提供在不同发射波长范围内发射的各种可变波长LED装置，且可提供绿至红以外的颜色组合。
图19至图23
图19示出了在多孔层上方的InGaN LED的示例，其由于由该多孔区域产生的波长红位移而发射大约625nm的峰波长。
图20与图21比较无孔基材(图20)上的InGaN LED与在包括III族-氮化物材料的多孔层的模板上生长的相同InGaN LED的发射特性。这两个图的比较证明朝向由该多孔底层产生的较长发射波长的位移，因为该多孔模板上的LED的发射波长是比该无孔模板上的相同LED的发射波长一致地长21nm与45nm之间。
图22与图23比较无孔基材(图22)上的黄光InGaN微型LED与在包括多孔层的模板上的红光InGaN微型LED的I-V特性。
图24A至图24C
图24A至图24C的实验是对晶圆上芯片(CoW)LED执行以测试蓝光、绿光及黄光波长的波长位移。
图24A至图24C是发光强度或亮度对由晶圆上芯片微型LED的阵列发射的峰EL发射波长的图。图24A至图24C是由配置成发射在400nm与600nm之间的各种EL波长的LED获得，显示本发明的红位移效应是通过具有不同发射波长的大范围LED获得。
在图24A中，测试在GaN及平坦蓝宝石基材(FSS)上生长的标准450nm LED A且发现在电偏压作用下主要在440至450nm的范围中发光。LED A的数据是显示在图24A中的粉红色数据点中。
在无孔GaN模板上生长已知以大约420nm发光的LED结构LED B。如图19A所示，LEDB在电偏压作用下以大约425nm至425nm发光。LED B的数据是显示在图24A中的深红色数据点中。
为了说明由本发明提供的波长红位移，在包括多孔GaN区域的模板上生长具有与LED B相同的LED结构的LED C。LED C的数据是显示在图24A中的绿色数据点中。选择LED B(在无孔基材上发射大约420nm的峰波长)作为用于达成为LED C提供在430nm至450nm范围内的峰EL发射波长的目标的适当LED结构，使得LED C增生在该多孔模板上时在可见光谱的紫光区域中发光。
LED B与LED C具有相同LED结构(相同活性区域及n与p型区域)且在相同磊晶生长操作中在相同生长条件下生长。但是，如图24A所示，LED C形成在多孔区域上方的事实导致发射行为的明显差异。首先，相较于420nm，多孔GaN上的LED C在430nm至445nm的范围中发射比LED B长的波长。在该多孔区域上方的增生因此对在该阵列中的LED造成平均大约10至25nm的波长红位移。其次，由于增生在该应变松弛多孔区域上方的半导体层的改良质量，在多孔GaN模板而非无孔模板上方形成LED C导致LED发射强度明显增加。
在图24B中，标准绿光LED“D”生长在无孔GaN模板上，且发现在电偏压作用下主要在510nm至530nm的范围中发光。LED D的数据是显示在图24B中的绿色数据点中。
相同绿光LED结构增生在包括多孔GaN层的类似GaN模板上以形成LED E。LED E的数据是显示在图19B中的深红色数据点中。由于增生在该应变松弛多孔区域上方的半导体层的改良质量产生的红位移，相较于LED D的520nm发射波长，发现LED E以平均540nm至560nm的较长波长发光。
图24C示出了LED F的比较数据，该LED F是已知在电偏压作用下以大约540nm至560nm发光的LED结构。LED F的数据是显示在图24C中的蓝色数据点中。
为了说明由本发明提供的波长红位移，在包括多孔GaN区域的模板上生长具有与LED F相同的LED结构的LED G。LED G的数据是显示在图24C中的暗红色数据点中。选择LEDF(在无孔基材上发射大约540nm至560nm的峰波长)作为用于达成为LED G提供在550nm至570nm范围内的峰EL发射波长的目标的适当LED结构，使得LED G增生在该多孔模板上时在可见光谱的绿光区域中发光。
LED F与LED G具有相同LED结构(相同活性区域及n与p型区域)且在相同磊晶生长操作中在相同生长条件下生长。但是，如图24C所示，LED G形成在一多孔区域上方的事实意味相较于540nm至560nm，多孔GaN上的LED G在550nm至570nm的范围中发射比LED F长的波长。因为由该多孔区域产生的应变松弛容许LED G在相同生长条件下加入比LED F多的铟，所以LEG G产生较长波长发射。

Claims (61)

1.一种发光二极管(LED)，包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其设置在该n掺杂部分与p掺杂部分之间，该发光区域包括：
发光层，其在电偏压通过的情形下以在400nm至599nm之间的峰波长发光；
III族-氮化物层，其设置在该发光层上；及
III族-氮化物势垒层，其设置在该III族-氮化物层上，
其中该发光二极管包括III族-氮化物材料的多孔区域。
2.根据权利要求1所述的LED，其中，该发光二极管包括选自于以下项中的至少一个特征：
(a)该发光区域包括一个、二个、三个、四个、五个、六个、七个或八个量子井(或至少一个量子井)；或
(b)该III族-氮化物层包括氮化铝镓层，该氮化铝镓层具有组成InyGa(1-y)N，其中y在0.1至1.0的范围内；或
(c)发射UV或蓝光的InGaN/GaN或InGaN/InGaN超晶格或InGaN层设置在该n掺杂部分与该发光区域之间。
3.根据权利要求1或2所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在比该LED的峰波长小的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的峰发射波长位移至较长峰发射波长。
4.根据权利要求3所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在低于该LED的该峰发射波长15nm至80nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移15nm至80nm。
5.根据权利要求3所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在低于该LED的该峰发射波长30nm至50nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移30nm至50nm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该LED是橙光LED且该发光区域在电偏压作用下以在590nm至599nm之间或在592nm至597nm之间的峰波长发光。
7.根据权利要求6所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在540nm至575nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长位移至590nm至599nm。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的LED，其中，该LED是黄光LED且该发光区域在电偏压作用下以在570nm至589nm之间或在580nm至585nm之间的峰波长发光。
9.根据权利要求8所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在520nm至575nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长位移至570nm至589nm。
10.根据权利要求8或9所述的LED，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.25≤x≤0.35，并且其中该LED是黄光LED。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的LED，其中，该LED是绿光LED且该发光区域在电偏压作用下以在500nm至569nm之间、在电偏压作用下以在510nm至555nm之间或在电偏压作用下以在520nm至540nm之间的峰波长发光。
12.根据权利要求11所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在450nm至520nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长位移至500nm至569nm。
13.根据权利要求11或12所述的LED，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.22≤x≤0.30，优选地x＝0.25，并且其中该LED是绿光LED。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的LED，其中，该LED是蓝光LED且该发光区域在电偏压作用下以在450nm至499nm之间或在460nm至490nm之间或在电偏压作用下以在470nm至480nm之间的峰波长发光。
15.根据权利要求14所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在400nm至450nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长位移至450nm至499nm。
16.根据权利要求14或15所述的LED，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.12≤x≤0.22，并且其中该LED是蓝光LED。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的LED，其中，该LED是紫光LED且该发光区域在电偏压作用下以在400nm至449nm之间、在400nm至445nm之间或在410nm至440nm之间的峰波长发光。
18.根据权利要求17所述的LED，其中，该LED发光区域是用于在385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长位移至400nm至449nm。
19.根据权利要求17或18所述的LED，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.05≤x≤0.17，并且其中该LED是紫光LED。
20.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该LED用等于或小于50nm、等于或小于40nm、等于或小于30nm或等于或小于20nm的FWHM发光，优选地其中该LED具有20nm至40nm的FWHM。
21.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该发光层是发光氮化铟镓层。
22.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该多孔区域具有至少1nm，优选地至少10nm，特别优选地至少50nm的厚度。
23.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该LED包括位于该n掺杂部分与该多孔区域之间的III族-氮化物材料的连接层，优选地其中该连接层的厚度为至少100nm。
24.根据权利要求23所述的LED，包括：位于该多孔区域与该连接层之间的III族-氮化物材料的无孔中间层。
25.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该n掺杂部分包括n掺杂III族-氮化物层，优选地其中该n掺杂部分包括n-GaN、或n-InGaN、或n-GaN/n-InGaN交替层的堆叠物、或包含不同铟浓度的n-InGaN/n-InGaN交替层的堆叠物。
26.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该n掺杂部分包括单晶n掺杂III族-氮化物部分，优选地其中该n掺杂部分包括具有平坦顶面的单晶n掺杂III族-氮化物层。
27.根据权利要求26所述的LED，其中，该多孔区域及在该多孔区域与该单晶n掺杂III族-氮化物层间的各层是平坦层，该平坦层具有与该单晶n掺杂III族-氮化物层的该平坦顶面平行的个别顶面及个别底面。
28.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该发光区域包括一个或多个量子井，且优选地包括1个至7个量子井。
29.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该发光层是纳米结构层，该纳米结构层包括例如量子点、片段量子井或不连续量子井的量子结构。
30.根据权利要求28或29所述的LED，其中，该发光层是发光氮化铟镓层，且该发光氮化铟镓层和/或该量子井具有组成InxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.35，优选地0.20≤x≤0.30或0.22≤x≤0.30，特别优选地0.22≤x≤0.27。
31.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该LED包括在该发光层与该p掺杂部分之间的III族-氮化物材料的覆盖层。
32.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该p掺杂部分包括p掺杂III族-氮化物层和位于该p掺杂III族-氮化物层与该发光区域之间的p掺杂氮化铝镓层。
33.根据权利要求32所述的LED，其中，该p掺杂氮化铝镓层是在该覆盖层与p型层之间的电子阻挡层(EBL)，其中该电子阻挡层包括5至25at％的铝，优选地其中该电子阻挡层具有10nm至50nm的厚度。
34.根据前述权利要求中任一项所述的LED，其中，该多孔区域不是分布式布拉格反射器(DBR)的一部分。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的LED，其中，该发光区域具有大于100μm且小于200μm的横向尺寸。
36.根据权利要求1至34中任一项所述的LED，其中，该发光区域具有小于100μm的横向尺寸。
37.一种LED阵列，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的LED。
38.一种制造LED的方法，该LED在电偏压作用下具有在400nm至599nm之间的峰发射波长，该方法包括步骤：在III族-氮化物材料的多孔区域上方增生LED结构，该LED结构包括：
n掺杂部分；
p掺杂部分；及
发光区域，其用于在比该LED的该峰发射波长小的波长发射，其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长红位移至该峰发射波长。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在低于该LED的该峰发射波长15nm至80nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移15nm至80nm。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在低于该LED的该峰发射波长30nm至50nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移30nm至50nm。
41.根据权利要求38、39或40所述的方法，其中，该LED是橙光LED，该橙光LED具有在电偏压作用下在590nm至599nm之间或在电偏压作用下在595nm至599nm之间的峰发射波长。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在520nm至580nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长红位移。
43.根据权利要求38、39或40所述的方法，其中，该LED是黄光LED，该黄光LED具有在电偏压作用下在570nm至589nm之间或在电偏压作用下在575nm至585nm之间的峰发射波长。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在520nm至560nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该发射波长红位移。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.25≤x≤0.35，并且其中该LED是黄光LED。
46.根据权利要求38、39或40所述的方法，其中，该LED是绿光LED，该绿光LED具有在电偏压作用下在500nm至569nm之间、在电偏压作用下在510nm至555nm之间或在电偏压作用下在520nm至540nm之间的峰发射波长。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在450nm至560nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移。
48.根据权利要求46或47所述的方法，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.22≤x≤0.30，优选地x＝0.25，并且其中该LED是绿光LED。
49.根据权利要求38、39或40所述的方法，其中，该LED是蓝光LED且该发光区域在电偏压作用下以在450nm至499nm之间、在电偏压作用下以在455nm至495nm之间或在电偏压作用下以在460nm至480nm之间的峰波长发光。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在400nm至450nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移。
51.根据权利要求49或50所述的方法，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.18≤x≤0.25，并且其中该LED是蓝光LED。
52.根据权利要求38、39或40所述的方法，其中，该LED是紫光LED且该发光区域在电偏压作用下以在400nm至449nm之间或在电偏压作用下以在410nm至435nm之间的峰波长发光。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，该LED发光区域是用于在385nm至425nm的峰波长发射的LED发光区域，并且其中该III族-氮化物材料的多孔区域使该发光区域的该峰发射波长红位移。
54.根据权利要求52或53所述的方法，其中，该发光层具有组成InxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.22，并且其中该LED是紫光LED。
55.根据权利要求38至54中任一项所述的方法，其中，该LED用等于或小于50nm、等于或小于40nm或等于或小于30nm的FWHM发光，优选地其中该LED具有20nm至40nm的FWHM。
56.根据权利要求38至55中任一项所述的方法，包括：使III族-氮化物材料层电化学地孔隙化以形成该III族-氮化物材料的多孔区域的第一步骤。
57.根据权利要求56的所述方法，包括步骤：藉由电化学孔隙化穿过III族-氮化物材料的无孔区域形成该III族-氮化物材料的多孔区域，使得该III族-氮化物材料的无孔层形成无孔中间层。
58.根据权利要求57所述的方法，包括步骤：在增生该n掺杂区域、该LED发光区域及该p掺杂区域前，在该III族-氮化物材料的中间层的表面上沉积一个或多个III族-氮化物材料的连接层。
59.根据权利要求56所述的方法，包括步骤：在该III族-氮化物材料的多孔区域的表面上沉积III族-氮化物材料的连接层。
60.根据权利要求58或59所述的方法，包括步骤：在该连接层上增生该n掺杂区域、该LED发光区域及该p掺杂区域。
61.根据权利要求38至60中任一项所述的方法，其中，该LED是根据权利要求1至37中任一项所述的LED。
CN202180067709.1A 2020-08-04 2021-08-04 Led装置及制造led装置的方法 Pending CN116250091A (zh)

Applications Claiming Priority (21)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB2012098.6A GB202012098D0 (en) 2020-08-04 2020-08-04 Semiconductor structure
GBGB2012110.9A GB202012110D0 (en) 2020-08-04 2020-08-04 Semiconductor structure
GB2012098.6 2020-08-04
GB2012108.3 2020-08-04
GB2012110.9 2020-08-04
GBGB2012103.4A GB202012103D0 (en) 2020-08-04 2020-08-04 Semiconductor structure
GBGB2012108.3A GB202012108D0 (en) 2020-08-04 2020-08-04 Semiconductor structure
GB2012103.4 2020-08-04
GB2012105.9 2020-08-04
GBGB2012105.9A GB202012105D0 (en) 2020-08-04 2020-08-04 Semiconductor structure
GB2018016.2 2020-11-16
GBGB2018016.2A GB202018016D0 (en) 2020-11-16 2020-11-16 Red led and method of manufacture
GBPCT/GB2021/050158 2021-01-22
PCT/GB2021/050158 WO2021148813A1 (en) 2020-01-22 2021-01-22 Semiconductor structure and method of manufacture
PCT/GB2021/050147 WO2021148803A1 (en) 2020-01-22 2021-01-22 Micro-led and manufacturing method thereof
GBPCT/GB2021/050147 2021-01-22
PCT/GB2021/050152 WO2021148808A1 (en) 2020-01-22 2021-01-22 Red led and method of manufacture
GBPCT/GB2021/050152 2021-01-22
GBGB2110882.4A GB202110882D0 (en) 2020-08-04 2021-07-28 LED and method of manufacture
GB2110882.4 2021-07-28
PCT/GB2021/052020 WO2022029434A1 (en) 2020-08-04 2021-08-04 Led device and method of manufacturing an led device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116250091A true CN116250091A (zh) 2023-06-09

Family

ID=80120107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180067709.1A Pending CN116250091A (zh) 2020-08-04 2021-08-04 Led装置及制造led装置的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230290903A1 (zh)
EP (1) EP4193392A1 (zh)
JP (1) JP2023536361A (zh)
KR (1) KR20230058638A (zh)
CN (1) CN116250091A (zh)
TW (1) TW202221938A (zh)
WO (1) WO2022029434A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4378003A1 (en) * 2021-07-28 2024-06-05 Poro Technologies Ltd Led display device, method of controlling the same, and method of manufacturing a led display device
GB202213149D0 (en) 2022-09-08 2022-10-26 Poro Tech Ltd Method of separating a semiconductor device from a substrate
GB202213939D0 (en) 2022-09-23 2022-11-09 Poro Tech Ltd Monolithic array of semiconductor devices, display device, template wafer and method of manufacture
GB202216889D0 (en) 2022-11-11 2022-12-28 Poro Tech Ltd Opto-electronic device and method of manufacturing

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7928448B2 (en) * 2007-12-04 2011-04-19 Philips Lumileds Lighting Company, Llc III-nitride light emitting device including porous semiconductor layer
KR20130066870A (ko) * 2011-12-13 2013-06-21 삼성전자주식회사 반도체 발광소자
CN111052418A (zh) * 2017-07-31 2020-04-21 耶鲁大学 纳米多孔微led器件及其制造方法
WO2019063957A1 (en) 2017-09-27 2019-04-04 Cambridge Enterprise Ltd METHOD FOR MAKING POROUS MATERIAL AND SEMICONDUCTOR STRUCTURE
GB201801337D0 (en) 2018-01-26 2018-03-14 Cambridge Entpr Ltd Method for etching a semiconductor structure

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023536361A (ja) 2023-08-24
TW202221938A (zh) 2022-06-01
KR20230058638A (ko) 2023-05-03
US20230290903A1 (en) 2023-09-14
WO2022029434A1 (en) 2022-02-10
EP4193392A1 (en) 2023-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5130433B2 (ja) 窒化物半導体発光素子及びその製造方法
TWI536599B (zh) 半導體發光裝置配置以發射多波長的光
EP2843714B1 (en) Semiconductor light emitting device including hole injection layer and method of fabricating the same.
CN115210885A (zh) 红色led和制造方法
CN116250091A (zh) Led装置及制造led装置的方法
EP3360168B1 (en) Iii-nitride semiconductor light emitting device having amber-to-red light emission (&gt;600 nm) and a method for making same
KR101964890B1 (ko) 나노구조의 발광소자
CN105103309A (zh) 紫外发光器件
US20090057694A1 (en) Light optoelectronic device and forming method thereof
TW202221937A (zh) Led裝置及製造方法
KR100818269B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
JP7447151B2 (ja) パッシベーション層を含む発光ダイオード前駆体
JP2006295057A (ja) 半導体発光素子およびその製法
CN112802869A (zh) 单片集成氮化物发光波长可调节的白光led及制备方法
TW202226617A (zh) 紅led及製造方法
JP6750342B2 (ja) 発光素子の製造方法及び発光素子
TWI420696B (zh) 發光元件及其製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination