CN1595670A - 宽谱白光led的量子点有源区结构及其外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽谱白光LED的量子点有源区结构及其外延生长方法，基于氮化镓III/V族化合物半导体功率型发光二极管、应用全固态照明光源的有源区内含铟镓氮－镓氮或铟镓氮－铟镓氮量子点结构的白光功率型宽谱发光二极管LED材料的金属有机化学气相沉积外延生长方法和相关的有源区结构设计。提供了几种基于InGaN量子点有源区的新型器件结构设计，并给出了外延条件的核心生长参数如反应源流量大小、V/III比、衬底温度等。本发明能实现不含荧光转换、高显色指数、高亮度的GaN基白光LED照明需求。同时，本发明技术也适用于(CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS等II/VI族化合物半导体内含量子点的宽谱功率型发光二极管材料外延生长，其外延生长的主要优化方法与III/V族InGaN量子点外延生长的相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于氮化镓(gallium nitride，GaN)III/V族化合物半导体功率型发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、应用于新型全固态照明光源的有源区内含铟镓氮-镓氮(InGaN/GaN)或铟镓氮-铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点(Quantum Dots，QDs)结构的白光功率型宽谱发光二极管LED材料的金属有机化学气相沉积(Metal-Organic-Chemical-Vapour-Deposition，MOCVD；或Metal-Organic-Vapour-Phase-Epitaxy，MOVPE)外延生长技术和相关的有源区结构设计。同时，本发明技术也适用于(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)等II/VI族化合物半导体((CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS)内含量子点有源区的宽谱型白光发光二极管材料外延生长和器件制作。属于发光二极管材料外延生长技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)基功率型发光二极管(LED)作为新型全固态半导体照明光源的核心发光元件，较之传统照明技术具有能耗低、寿命长、体积小、便携式、易集成、绿色环保、使用安全、可在各种恶劣环境下工作、能被加工成任意款式等诸多优点，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源之首选。
迄今为止其主要技术实现路线有两条：1.蓝色功率型GaN-LED泵浦激发黄色或黄/红色荧光涂敷材料并混合以得到白光；2.紫色、近紫外或蓝紫色功率型GaN-LED泵浦激发红/绿/蓝(R/G/B)三基色荧光涂敷材料并混合以得到白光。
上述两种工作方式下，荧光涂敷材料的使用寿命、泵浦下转换过程中的光子损耗等因素是限制器件性能进一步提高的主要障碍之一。
因此，研究与开发出不使用荧光下转换材料、直接获得可见光波段内宽谱白光的功率型GaN发光二极管技术十分盛行。
采用上述方法，具有如下几方面显著的优点：
其一，不经过荧光下转换过程，通过新型有源区结构的设计和相关外延生长技术的改善，可提高材料发光复合的量子效率及器件的电-光转换效率；
其二，由于避免了使用寿命较短的荧光涂敷材料，功率型LED白光光源的工作寿命可提高约一个量级(由103～104小时增至104～105小时)；
其三，对于直接发白光的LED材料，其器件制作工艺步骤较之基于荧光转换方式的白光LED可极大地减少，从而能有效降低制作成本，有益于其产业化实现和推广；
其四，从器件的显色效果来看，直接发白光的LED在光谱覆盖范围(更接近宽谱的自然白光)、发光的方向性(采用荧光转换方式的白光LED，其混色效果具有较明显的方向性)、色温(采用荧光转换方式的白光LED色温较低，一般为3000～4000K)及显色指数(采用荧光转换方式的白光LED，其显色指数Ra一般＜80)等方面具有突出的优势。
目前，直接发白光的氮化镓基功率型LED材料的结构设计与外延生长技术研发是国内外的研究热点，常用的外延手段是MOCVD技术，已经公开的结果有：
1.采用与传统GaN基功率型单色(蓝/绿/蓝紫)LED类似的外延结构(从衬底向上，外延层的次序依次为：低温/高温缓冲层、n型体材料、n+型欧姆接触层、n型限制层、多量子阱有源区、p型限制层、p+型欧姆接触层)，但有源区采用了不同In组分的InGaN量子阱(参考文献Motokazu Yamada，Yukio Narukawa and Takashi Mukai，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.41(2002)，Part 2，No.3A，pp.L246-L248)，各量子阱(InxGa1-xN、InyGa1-yN、InzGa1-zN)分别发出蓝、绿、黄等各色光，在材料内部充分混合后便可获得白光，这种方式所获得的直接发白光型LED的显色效果较好；
2.直接外延两种颜色(不同In组分)的GaN-LED(参考文献J.Han and A.V.Nurmikko，IEEE，Jour.of Sel.Top.Quan.Elect.，Vol.8(2002)，No.2，pp.289-297)，即从衬底向上的主要外延次序为：缓冲层-n型层(1)-有源区(1)-p型区(1)-隧穿层-n型层(2)-有源区(2)-p型区(2)，制作时采用两步干法刻蚀工艺，分别获得n型层(1)和n型层(2)的刻蚀台面，在p型区(2)的接触层加正向工作电压、n型层(1)台面加反向工作电压、n型层(2)台面接地(0V)后，可同时导通两种颜色的LED，从而发出白光，这种方式下为三端型器件，工艺制作步骤复杂；
3.直接外延两种颜色(不同In组分)的GaN-LED(参考文献C.H.Chen，S.J.Chang，Y.K.Su，et al，IEEE，Photo.Tech.Lett.，Vol.14(2002)，No.7，pp.908-910以及文献C.H.Chen，S.J.Chang，Y.K.Su，Phys.Stat.Sol.(c)，Vol.0(2003)，No.7，pp.2257-2260)：缓冲层-n型层(1)-有源区(1)-p型区(1)-n型渐变层-n型层(2)-有源区(2)-p型区(2)，但仅刻蚀出n型层(1)台面，在p型区(2)的接触层加正向工作电压、n型层(1)台面接地后(0V)，级联发光，这种方式下的器件工作电压较高；
4.采用高In组分(In％可高达70％)的InGaN量子阱有源区(参考文献C.H.Chen，S.J.Chang，Y.K.Su，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.42(2003)，Part 1，No.4B，pp.2281-2283)，则该LED器件在注入电流由1mA增加至150mA的过程中，所发出的光谱移动较大，人眼视觉感受为：桔黄色(orange)-黄色(yellow)-黄绿色(yellowish green)-黄白色(yellowish white)的变化，这种方式所获得的白光显色指数较差；
5.采用InGaN有源区的Si、Zn共掺杂技术(参考文献J.K.Sheu，C.J.Pan，G.C.Chi，etal，IEEE，Photo.Tech.Lett.，Vol.14(2002)，No.4，pp.450-452)，其发光光谱中，既有短波长侧有源区量子阱近带边发射的成分、又有长波长侧施主-受主对之间发光复合的宽谱成分，从而获得白光效果，这种方式属于杂质发光、效率较低。
上述公开结果中，尚未有采用内含量子点结构的InGaN有源区来获得直接发白光的宽谱功率型白光LED外延材料与相应器件。
本发明的研究结果表明：由于InGaN有源区材料与GaN材料之间存在着较大的应变，在特定的MOCVD外延生长条件下，较易获得准三维的InGaN量子点结构，这种InGaN量子点结构在其所含的In组分、横向及纵向几何尺度等参数方面具有随机性分布，因此当我们把此类量子点作为功率型LED器件的发光复合有源区时，可获得几乎覆盖整个可见光光谱范围的宽谱型直接发白光效果，如图1所示。
此外，本发明的研究结果表明：对不同InGaN量子点掩埋层区域的生长条件(如衬底温度)和生长参数(如反应源的V/III比)进行大范围的调整，可获得不同中心位置的发光宽谱相迭加的效果，此种白光的显色效果较单层量子点发光优异。
进一步研究结果表明：采用InGaN量子阱有源区和InGaN量子点有源区相级联的外延结构，可获得高质量的GaN基功率型直接发白光材料和器件。
最后，本研究对(CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS等II/VI族化合物半导体发光二极管材料进行了有源区内含量子点结构的外延生长研究，结果表明：采用本发明技术，可以直接获得宽谱型白光II/VI发光二极管材料和器件，这是迄今为止文献中尚未有过的报导。
参考文献Y.G.Kim，Y.S.Joh，J.H.Song，K.S.Baek，S.K.Chang，and E.D.Sim Appl.Phys.Lett.Vol.83，2656(2003)、文献F.Tinjod，B.Gilles，S.Moehl，K.Kheng，and H.MarietteAppl.Phys.Lett.Vol.82，4340(2003)以及文献H.S.Lee，K.H.Lee，J.C.Choi，H.L.Park，T.W.Kim，and D.C.Choo Appl.Phys.Lett.81，3750(2002)中有关II/VI化合物半导体量子点的研究工作主要是针对量子点有源区的光学及电学性质进行了评价和研究，均未涉及采用量子点有源区制作出直接发白光而不采用荧光转换的LED材料和器件。
本发明采用直接在有源区掩埋单一类型或多种类型的II/VI量子点结构，进行V/III比、衬底温度、源流流量等各项外延参数的优化设计，首次获得了基于II/VI量子点有源区的直接发白光宽谱功率型LED材料和器件。
发明内容
本发明首先是为了实现不使用荧光转换材料、应用于全固态照明光源、可直接发出宽谱白光的功率型GaN基LED材料和器件而完成的。提供了一种采用MOCVD外延技术、基于InGaN量子点有源区的新型器件结构设计，并给出了MOCVD外延条件的核心生长参数(反应源的V/III比、衬底温度，等)。通过本发明的运用，能实现不含荧光转换、高显色指数、高亮度的GaN基白光LED照明需求。
同时，本发明技术也适用于(CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS等II/VI族化合物半导体有源区内含量子点的宽谱型直接发白光LED材料外延生长和有关器件制作。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单一类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在10％～45％范围内调控，掩埋量子点的底层和盖层为GaN。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单一类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在15％～45％范围内调控，掩埋量子点的底层和盖层为InGaN。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在15％～45％范围内调控，各量子点两侧的包层为GaN。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，所述有源区当中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，各量子点两侧的包层为InGaN，量子点区域的平均In组分在15％～45％范围内调控。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联，所述有源区在靠近外延衬底侧首先是InGaN/GaN多量子阱结构，量子阱区域的平均In组分在5％～25％范围内调节，量子阱厚度在1.5nm～3.5nm范围内调节，量子阱的盖层一般采用GaN，在InGaN/GaN多量子阱结构以上是所级联的单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，其平均In组分为15％～45％。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联，所述有源区在靠近外延衬底侧首先是InGaN/GaN多量子阱结构，量子阱区域的平均In组分在5％～25％范围内调节，量子阱厚度在1.5nm～3.5nm范围内调节，量子阱的盖层一般采用GaN，在InGaN/GaN多量子阱结构以上是所级联的单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，其平均In组分为15％～45％。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点掩埋结构，其中，ZnSe/ZnS底层或盖层的外延参数基本维持不变。
本发明提出的宽谱白光LED的量子点有源区外延生长方法，所述方法采用金属有机化学气相沉积外延生长方法，其特征在于：通过量子点有源区内含氮化镓基III/V族(In，Ga，Al)N/GaN化合物半导体量子点或者(Zn，Cd，Hg)(S，Se，Te)/ZnSe/ZnS基II/VI族化合物半导体量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
在上述外延方法中，通过内含单一或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
在上述外延方法中，通过内含单一或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
在上述外延方法中，通过内含单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋层次结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联的LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
在上述外延方法中，通过内含单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋层次结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联的LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
在上述外延方法中，通过内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点掩埋层次结构有源区((CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS，)LED材料的外延生长，实现宽谱发光。
采用本发明所提出的内含量子点有源区结构的一种LED材料，在外加载流子注入条件下的实际发光光谱如图3所示。可见：在蓝光波段和黄绿光波段分别具有一个宽谱的量子点发光峰，能实现不采用荧光材料、覆盖整个可见光光谱、高显色指数的白光照明需求。
本发明所提供的方法适用于在所有类型的金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备上进行内含量子点有源区结构的GaN基LED材料的异质外延生长。在使用不同的外延装置时，应调节各反应源的流量大小、衬底温度、载气种类和相对流量比例等条件，使外延结构的晶体质量达到最佳。
本发明所提供的V/III比调节等方法经实验验证，适用于内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点有源区LED材料的MOCVD外延生长。
综上所述，本发明所提供的方法适用于III/V族氮化物和II/VI族化合物半导体材料的宽谱型直接发白光材料的外延生长。
附图说明
图1表示内含InGaN量子点有源区的LED材料发光特性示意图。
图2表示外延生长InGaN有源层时V/III比大小和有源区发光光谱半宽的关系。
图3内含高质量InGaN量子点有源区的GaN基功率型LED发光光谱。
图4表示实施例1中LED外延材料的基本结构图。
图5表示实施例1中LED外延材料的发光光谱。
图6表示实施例2中LED外延材料的基本结构图。
图7表示实施例2中LED外延材料的发光光谱。
图8表示实施例3中LED外延材料的基本结构图。
图9表示实施例3中LED外延材料的发光光谱。
图10表示实施例4中LED外延材料的基本结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
本发明通过内含单一类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)量子点掩埋结构有源区LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其有源区当中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，掩埋量子点的底层wetting layer和盖层capping layer为GaN，量子点区域的平均In组分在10％～45％范围内调控。通过调节平均In组分(由TMIn和TEGa流量调控)和其它外延生长参数(反应室压强在400mbar～500mbar范围内调节、衬底温度在650℃～850℃范围内变化、V/III比的调控范围为500～80000、NH3流量在0～20000sccm范围内精确设置)所决定的量子点平均尺寸大小(横向平均径值和外延方向上的纵向高度)来获得不同宽谱形式的白光LED材料及器件。
本发明通过内含单一类型铟镓氮/铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点掩埋结构有源区LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其有源区当中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，掩埋量子点的底层wetting layer和盖层capping layer为InGaN，量子点区域的平均In组分在15％～45％范围内调控。通过调节平均In组分(由TMIn和TEGa流量调控)和其它外延生长参数(反应室压强在400mbar～500mbar范围内调节、衬底温度在650℃～850℃范围内变化、V/III比的调控范围为500～80000、NH3流量在0～20000sccm范围内精确设置)所决定的量子点平均尺寸大小(横向平均径值和外延方向上的纵向高度)来获得不同宽谱形式的白光LED材料及器件。
本发明通过内含多种类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)量子点掩埋结构有源区LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其有源区当中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，各量子点两侧的包层cladding layer为GaN，量子点区域的平均In组分在15％～45％范围内调控。由衬底向上的主要外延次序为：衬底-缓冲层-体材料-包层1-量子点掩埋结构1-盖层1-过度层-包层2-量子点掩埋层次结构2-盖层2-体材料，等等。通过调节各掩埋量子点层的平均In组分(由TMIn和TEGa流量调控)和其它外延生长参数(反应室压强在400mbar～500mbar范围内调节、衬底温度在650℃～850℃范围内变化、V/III比的调控范围为500～80000、NH3流量在0～20000sccm范围内精确设置)决定的量子点平均尺寸大小(横向平均径值和外延方向上的纵向高度)来获得不同宽谱形式的白光LED材料及器件。
本发明通过内含多种类型铟镓氮/铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点掩埋结构有源区LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其有源区当中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，各量子点两侧的包层cladding layer为InGaN，量子点区域的平均In组分在15％～45％范围内调控。通过调节各掩埋量子点层的平均In组分(由TMIn和TEGa流量调控)和其它外延生长参数(反应室压强在400mbar～500mbar范围内调节、衬底温度在650℃～850℃范围内变化、V/III比的调控范围为500～80000、NH3流量在0～20000sccm范围内精确设置)决定的量子点平均尺寸大小(横向平均径值和外延方向上的纵向高度)来获得不同宽谱形式的白光LED材料及器件。
本发明的特征在于，通过内含单种或多种类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)或铟镓氮/铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点掩埋结构有源区与铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)多量子阱结构有源区相级联的LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其有源区在靠近外延衬底侧首先是InGaN/GaN多量子阱结构，量子阱区域的平均In组分(主要由TMIn和TEGa流量调控)在5％～25％范围内调节，量子阱厚度在1.5nm～3.5nm范围内调节，量子阱的盖层一般采用GaN。在InGaN/GaN多量子阱结构以上是所级联的单种或多种类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)或铟镓氮/铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点掩埋结构，其平均In组分为15％～45％。可调控的各外延参数包括：反应室压强、衬底温度、V/III比、总反应气量，等等。
本发明通过内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点掩埋结构有源区((CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS，等)LED材料的外延生长，实现宽谱发光。其中，ZnSe/ZnS底层或盖层的外延参数基本维持不变，调节(CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)掩埋量子点区域的平均合金组分及其它外延参数可获得宽谱型的白光LED材料与器件。
本发明采用商用的金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备进行内含InGaN量子点有源区结构的GaN功率型LED材料以及内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点有源区LED材料的外延生长。
同时，本发明中的量子点掩埋有源区结构也适用于InGaN/GaN、InGaN/InGaN等III/V化合物以及(CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS等II/VI化合物半导体宽谱白光功率型LED材料的其它外延生长方法。
下面将以内含InGaN量子点的LED材料外延生长来具体说明实施方式，除有源区以外的外延结构采用已公开的GaN-LED结构。
在生长n型体材料、n型欧姆接触层和p型欧姆接触帽层时，三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别用作Ga源和N源，同时，硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别用作n型和p型掺杂剂；衬底温度为990℃～1050℃；反应室压强为200/300mbar。
在生长n型AlGaN阻挡层时，三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别用作Ga源、Al源和N源，同时，硅烷(SiH4)用作n型掺杂剂；衬底温度为1040℃～1120℃；反应室压强为80/100mbar。
在生长p型AlGaN阻挡层时，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别用作Ga源、Al源和N源，同时，用二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂剂；衬底温度为990℃～1080℃；反应室压强为80/100mbar。
上述各外延层采用氢气(H2)和氮气(N2)的混合气体作金属有机源的载气，调节其流量大小可改变局部V/III比，从而改变材料的外延生长状况。
本发明的核心技术是生长InGaN量子点有源区。三甲基铟(TMIn)和三乙基镓(TEGa)分别用作In源和Ga源，NH3作为N源采用；采用氮气(N2)作金属有机源的载气；在一定的条件下有效控制掩埋量子点区域的平均In组分及量子点成核/团聚的速率；并调节NH3和氮气(N2)载气的相对流量大小，进行外延生长时V/III比的大范围优化，获得高质量的量子点有源区，结果表明：低V/III比条件有利于有源区三维量子点的形成，如图2所示。
本发明技术中掩埋量子点的平均In组分调节是根据各反应参数来实现的：
1.反应室压强调节范围：400～500mbar；
2.三甲基铟(TMIn)和三乙基镓(TEGa)的流量可改变生长速率，均在0～500sccm范围内精确控制(由高质量的质量流量计控制)；
3.衬底温度在650～850℃范围内变化；
4.NH3流量在0～20000sccm范围内精确调控。
本发明技术中V/III比的调控范围为：500～80000。
实施例1
进行有源区内含单一类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)量子点掩埋结构的LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其外延次序如图4所示：蓝宝石基板1，上面依次生长GaN缓冲层2(厚度约80nm～100nm)，n型GaN体材料及欧姆接触层3(厚度约4000nm)，n型AlGaN阻挡层及GaN隔离层4(厚度约50nm)，InGaN量子点有源区5(厚度为20nm～70nm)，GaN隔离层及p型AlGaN阻挡层6(厚度约40nm)，p型GaN欧姆接触层7(厚度为150nm～250nm)。
其中：n型和p型AlGaN阻挡层的Al％为8％～12％；量子点有源区的平均In组分及量子点成核/团聚速率由TEGa、TMIn流量和衬底温度共同控制，当TEGa流量为87sccm(1000mbar)、TMIn流量为450sccm(800mbar)、NH3流量为14slm、V/III比约为10100、量子点有源区总厚度约50nm、平均In组分约70％时，材料与器件的实际发光光谱如图5所示。
实施例2
进行有源区内含单一类型铟镓氮/铟镓氮(InGaN/InGaN)量子点掩埋结构的LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其外延次序如图6所示：蓝宝石基板1，上面依次生长GaN缓冲层2(厚度约80nm～100nm)，n型GaN体材料及欧姆接触层3(厚度约4000nm)，n型AlGaN阻挡层及GaN隔离层4(厚度约50nm)，InGaN垒区5(In％～10％，厚度为10nm～15nm)，InGaN量子点有源区6(厚度约20nm～70nm)，GaN垒区和隔离层7(厚度约10nm～15nm)，p型AlGaN阻挡层8(厚度约40nm)，p型GaN欧姆接触层9(厚度为150nm～250nm)。
其中：n型和p型AlGaN阻挡层的Al％为8％～12％；量子点有源区的平均In组分及量子点成核/团聚速率由TEGa、TMIn流量和衬底温度共同控制，当TEGa流量为87sccm(1000mbar)、TMIn流量为480sccm(800mbar)、NH3流量为12slm、V/III比约为8500、量子点有源区总厚度约40nm、平均In组分约60％时，材料与器件的实际发光光谱如图7所示。
实施例3
进行有源区内含多种类型铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)量子点掩埋结构和铟镓氮/镓氮(InGaN/GaN)量子阱层相级联的LED材料的MOCVD外延生长，实现宽谱白光。其外延次序如图8所示：蓝宝石基板1，上面依次生长GaN缓冲层2(厚度约80nm～100nm)，n型GaN体材料及欧姆接触层3(厚度约4000nm)，n型AlGaN阻挡层及GaN隔离层4(厚度约50nm)，InGaN/GaN多量子阱有源区5(重复周期为3个，InGaN量子阱厚度约2nm，GaN垒区厚度约10nm)，InGaN量子点发光区6(厚度约20nm～70nm)，GaN隔离层7(厚度约10nm～15nm)，p型AlGaN阻挡层8(厚度约40nm)，p型GaN欧姆接触层9(厚度为150nm～250nm)。
其中：n型和p型AlGaN阻挡层的Al％为8％～12％；生长多量子阱区时NH3流量为14slm，TEGa流量为66sccm，TMIn流量为160sccm～240sccm，生长温度为750℃～810℃，阱区In组分约15％～18％；量子点有源区的平均In组分及量子点成核/团聚速率由TEGa、TMIn流量和衬底温度共同控制，当TEGa流量为87sccm(1000mbar)、TMIn流量为480sccm(800mbar)、NH3流量为12slm、V/III比约为8500、量子点有源区总厚度约25nm、平均In组分约65％时，材料与器件的实际发光光谱如图9所示，其光谱中既有多量子阱有源区的发光峰、也有量子点有源区的发光峰，已几乎覆盖整个可见光波段的光谱范围。
实施例4
有源区内含(Zn，Cd)SeS/ZnSe量子点掩埋结构LED材料的外延生长，其外延次序如图10所示：(100)晶面的GaAs或GaP基板1，上面依次生长ZnS缓冲层2(厚度约40nm～80nm)，n型ZnS体材料及欧姆接触层3(厚度为1000nm～4000nm)，n型ZnSe隔离层4(厚度约20nm～50nm)，(CdSe)ZnS量子点发光区5(厚度约20nm～70nm)，p型ZnSe隔离层6(厚度约20nm～50nm)，p型ZnS体材料及欧姆接触层7。
Claims (13)
1、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单一类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在10％～45％范围内调控，掩埋量子点的底层和盖层为GaN。
2、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单一类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中仅具有单一平均In组分的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在15％～45％范围内调控，掩埋量子点的底层和盖层为InGaN。
3、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，所述量子点有源区中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，量子点有源区域的平均In组分在15％～45％范围内调控，各量子点两侧的包层为GaN。
4、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，所述有源区当中具有两层或两层以上的平均In组分不同的掩埋量子点结构，各量子点两侧的包层为InGaN，量子点区域的平均In组分在15％～45％范围内调控。
5、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联，所述有源区在靠近外延衬底侧首先是InGaN/GaN多量子阱结构，量子阱区域的平均In组分在5％～25％范围内调节，量子阱厚度在1.5nm～3.5nm范围内调节，量子阱的盖层一般采用GaN，在InGaN/GaN多量子阱结构以上是所级联的单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋结构，其平均In组分为15％～45％。
6、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联，所述有源区在靠近外延衬底侧首先是InGaN/GaN多量子阱结构，量子阱区域的平均In组分在5％～25％范围内调节，量子阱厚度在1.5nm～3.5nm范围内调节，量子阱的盖层一般采用GaN，在InGaN/GaN多量子阱结构以上是所级联的单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋结构，其平均In组分为15％～45％。
7、宽谱白光LED的量子点有源区结构，其特征在于：所述有源区结构为内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点掩埋结构，其中，ZnSe/ZnS底层或盖层的外延参数基本维持不变。
8、宽谱白光LED的量子点有源区外延生长方法，所述方法采用金属有机化学气相沉积外延生长方法，其特征在于：通过量子点有源区内含氮化镓基III/V族(In，Ga，Al)N/GaN化合物半导体量子点或者(Zn，Cd，Hg)(S，Se，Te)/ZnSe/ZnS基II/VI族化合物半导体量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
9、根据权利要求8所述的外延方法，其特征在于：通过内含单一或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
10、根据权利要求8所述的外延方法，其特征在于：通过内含单一或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋层次结构有源区LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
11、根据权利要求8所述的外延方法，其特征在于：通过内含单种或多种类型铟镓氮/镓氮量子点掩埋层次结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联的LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
12、根据权利要求8所述的外延方法，其特征在于：通过内含单种或多种类型铟镓氮/铟镓氮量子点掩埋层次结构有源区与铟镓氮/镓氮多量子阱结构有源区相级联的LED材料的外延生长，实现宽谱白光。
13、根据权利要求8所述的外延方法，其特征在于：通过内含单种或多种类型的(锌/镉/汞)/(硫/硒/碲)量子点掩埋层次结构有源区((CdSe)ZnS/ZnSe、(Zn，Cd)Se/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnSe、(Zn，Cd，Hg)(Se，Te)/ZnS，)LED材料的外延生长，实现宽谱发光。
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Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008035447A1 (en) * | 2006-09-22 | 2008-03-27 | Agency For Science, Technology And Research | Group iii nitride white light emitting diode |
| CN101208810B (zh) * | 2005-03-24 | 2010-05-12 | 科技研究局 | Ⅲ族氮化物白光发光二极管 |
| CN101920184A (zh) * | 2010-08-06 | 2010-12-22 | 清华大学 | 基于氮化物发光二极管的光催化生化器件及其制备方法 |
| CN102231422A (zh) * | 2011-06-16 | 2011-11-02 | 清华大学 | 一种无荧光粉单芯片GaN基发光二极管及其制备方法 |
| WO2013044490A1 (zh) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | 北京宇极科技发展有限公司 | 一种氮化合物发光材料及其制法以及由其制成的照明光源 |
| CN103325895A (zh) * | 2013-07-04 | 2013-09-25 | 江苏中谷光电股份有限公司 | 氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法 |
| US8747801B2 (en) | 2005-12-02 | 2014-06-10 | Vanderbilt University | Broad-emission nanocrystals and methods of making and using same |
| US8835965B2 (en) | 2012-01-18 | 2014-09-16 | The Penn State Research Foundation | Application of semiconductor quantum dot phosphors in nanopillar light emitting diodes |
| CN104617200A (zh) * | 2014-11-07 | 2015-05-13 | 南京大学 | 一种微纳米GaN衬底及发光二极管制备方法 |
| WO2015109677A1 (zh) * | 2014-01-27 | 2015-07-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 发光器件及其制作方法和显示面板 |
| CN105228696A (zh) * | 2013-03-15 | 2016-01-06 | 纳米技术有限公司 | 用于光疗法的量子点发光二极管 |
| CN107170862A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-09-15 | 中国科学院半导体研究所 | 一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法 |
| US10287493B2 (en) | 2013-10-21 | 2019-05-14 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Composite film and fabrication method thereof, photoelectric element and photoelectric apparatus |
| CN113921666A (zh) * | 2021-11-01 | 2022-01-11 | 西北工业大学 | 一种InGaN量子点的外延结构及生长方法 |
| CN115050860A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-13 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 基于iii族氮化物量子点的半导体发光结构制备方法及器件 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010068216A (ko) * | 2000-01-03 | 2001-07-23 | 조장연 | 질화물 반도체 백색 발광소자 |
| US6645885B2 (en) * | 2001-09-27 | 2003-11-11 | The National University Of Singapore | Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD) |
| KR100568701B1 (ko) * | 2002-06-19 | 2006-04-07 | 니폰덴신뎅와 가부시키가이샤 | 반도체 발광 소자 |
| CN1219333C (zh) * | 2002-08-09 | 2005-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 一种制作白光发光二极管的方法 |
-
2004
- 2004-06-25 CN CN2004100092673A patent/CN1595670B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101208810B (zh) * | 2005-03-24 | 2010-05-12 | 科技研究局 | Ⅲ族氮化物白光发光二极管 |
| US8747801B2 (en) | 2005-12-02 | 2014-06-10 | Vanderbilt University | Broad-emission nanocrystals and methods of making and using same |
| CN101346827B (zh) * | 2006-09-22 | 2010-10-06 | 新加坡科技研究局 | Ⅲ族氮化物白光发光二极管 |
| US8120012B2 (en) | 2006-09-22 | 2012-02-21 | Agency For Science, Technology And Research | Group III nitride white light emitting diode |
| WO2008035447A1 (en) * | 2006-09-22 | 2008-03-27 | Agency For Science, Technology And Research | Group iii nitride white light emitting diode |
| CN101920184A (zh) * | 2010-08-06 | 2010-12-22 | 清华大学 | 基于氮化物发光二极管的光催化生化器件及其制备方法 |
| CN101920184B (zh) * | 2010-08-06 | 2012-06-06 | 清华大学 | 基于氮化物发光二极管的光催化生化器件及其制备方法 |
| CN102231422A (zh) * | 2011-06-16 | 2011-11-02 | 清华大学 | 一种无荧光粉单芯片GaN基发光二极管及其制备方法 |
| WO2013044490A1 (zh) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | 北京宇极科技发展有限公司 | 一种氮化合物发光材料及其制法以及由其制成的照明光源 |
| US8796722B2 (en) | 2011-09-29 | 2014-08-05 | Beijing Yuji Science And Technology Co. Ltd | Light-emitting material of nitrogen compound, preparation process thereof and illumination source manufactured therefrom |
| US8835965B2 (en) | 2012-01-18 | 2014-09-16 | The Penn State Research Foundation | Application of semiconductor quantum dot phosphors in nanopillar light emitting diodes |
| CN105228696B (zh) * | 2013-03-15 | 2018-04-10 | 纳米技术有限公司 | 用于波长特定的光疗法的医用装置 |
| CN105228696A (zh) * | 2013-03-15 | 2016-01-06 | 纳米技术有限公司 | 用于光疗法的量子点发光二极管 |
| CN103325895B (zh) * | 2013-07-04 | 2016-04-20 | 江苏中谷光电股份有限公司 | 氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法 |
| CN103325895A (zh) * | 2013-07-04 | 2013-09-25 | 江苏中谷光电股份有限公司 | 氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法 |
| US10287493B2 (en) | 2013-10-21 | 2019-05-14 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Composite film and fabrication method thereof, photoelectric element and photoelectric apparatus |
| WO2015109677A1 (zh) * | 2014-01-27 | 2015-07-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 发光器件及其制作方法和显示面板 |
| US9716230B2 (en) | 2014-01-27 | 2017-07-25 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Light emitting device, production method thereof, and display panel |
| CN104617200A (zh) * | 2014-11-07 | 2015-05-13 | 南京大学 | 一种微纳米GaN衬底及发光二极管制备方法 |
| CN107170862A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-09-15 | 中国科学院半导体研究所 | 一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法 |
| CN107170862B (zh) * | 2017-06-08 | 2019-03-22 | 中国科学院半导体研究所 | 一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法 |
| CN113921666A (zh) * | 2021-11-01 | 2022-01-11 | 西北工业大学 | 一种InGaN量子点的外延结构及生长方法 |
| CN115050860A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-13 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 基于iii族氮化物量子点的半导体发光结构制备方法及器件 |
| CN115050860B (zh) * | 2022-06-15 | 2023-09-22 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 基于iii族氮化物量子点的半导体发光结构制备方法及器件 |
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