CN1822404A - 表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电子技术领域。现有二极管或封装难度大且成本高，或工艺复杂，成品率低。本发明结构：p电极加厚电极(1)、p电极欧姆接触层(2)、p型层(6)、有源区一(301)、n型层(7)、缓冲层(8)、衬底(9)、n电极(10)和n电极加厚电极(11)；其特征在于：在p电极欧姆接触层(2)与p型层(6)间夹一反向隧道结(5)；在反向隧道结(5)上是直接外延生长的有源区二(302)，两有源区材料组分满足有源区二(302)发出的光与有源区一(301)发出的光以色度学配色原理所要求比例混合最终发出白光。本发明可适当调整结构以增加器件的发光性能。本发明提供了工艺简单、成品率高、发光效率提高而成本降低的白光发光二极管。

Description

表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管

技术领域

表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管(LED)，属于半导体光电子技术领域，涉及一种发光二极管。

背景技术

发光二极管由于其寿命长(大于10万小时)，效率高(耗电仅为白炽灯的20％)，体积小，绿色环保等显著的特点，被广泛的应用于信息指示，信息显示和信息传递等方面，特别是在白光照明方面，显示了巨大的市场潜力和应用前景。

目前制备白光发光二极管的方法主要可以分为红、绿、蓝(RGB)多芯片组合白光技术，芯片上涂覆荧光粉合成白光技术，以及全固态发光。

红、绿、蓝(RGB)多芯片组合白光技术是分别利用红、绿、蓝三种单色发光二极管在平面上排列组合在一起成白光的发光二极管，其优点是显色指数高、寿命长，由于不需要荧光粉进行波长转换，发光效率高，灵活性强，可通过改变三者的强度，得到任意色温的白光，而且可以使其色度点非常接近黑体辐射的轨迹。但其缺点也较多：由于这种在平面上排列组合的白光发光二极管是由三只独立的不同材料的发光二极管组成，各个发光二极管的光、电特性随着电流、温度和时间的变化而表现不同，因此需要复杂的控制和反馈电路进行动态控制，加上其光学方面的设计，其封装难度较大，且成本很高，是普通白光发光二极管的数倍。

芯片上涂覆荧光粉的技术是目前白光发光二极管制备的主流技术，是指发光二极管芯片本身发出的光和表面荧光粉受激发所发出的光混合形成白光，其成本较低，色稳定性较好，工艺重复性好。通过改变荧光粉的组分，其辐射光谱的波长还能够在一定范围内变化，这意味着白光发光二极管的颜色可控制。这种白光发光二极管的价格几乎与单一蓝光发光二极管价格相同。但是由于受到荧光粉的转换效率低和寿命短的限制，使得这种方法制备的发光二极管效率低，寿命短，不能够充分体现半导体发光二极管寿命长的优点。

由于上述两种方法各自在技术上存在的问题，目前人们的一个主要目标就是实现完全由半导体材料实现白光照明，即全固态发光。目前全固态发光的方法是用GaN蓝光发光二极管光激发通过键合的方法键合在GaN发光二极管衬底面的AlGaInP系发光材料发出的红黄光混色而形成白光，其结构示意图如图1所示，从上至下包括：p电极加厚电极1、p电极欧姆接触层2、红黄光有源区31，键合界面4、p型层6、蓝光有源区32、n型层7、缓冲层8、衬底9以及n电极10和n电极加厚电极11；这种方法中使用了晶片键合的技术，这使得工艺复杂，成品率降低，同时由于键合界面的影响，降低器件的效率。

发明内容

本发明的目的在于通过表面隧道结结构提供一种工艺简单、成品率高、发光效率提高而成本降低的白光发光二极管。

表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其结构从上至下包括：p电极加厚电极1、p电极欧姆接触层2、p型层6、有源区一301、n型层7、缓冲层8、衬底9、n电极10和n电极加厚电极11；其特征在于：在p电极欧姆接触层2与p型层6之间夹有一对反向隧道结5；在反向隧道结5上面是直接外延生长的有源区二302，两个有源区301，302的材料组分满足有源区二302发出的光与有源区一301发出的光以色度学的配色原理所要求的比例混合最终发射出白光。

隧道结5以及有源区二302的材料与有源区一301的材料可一次外延生长获得，降低了工艺复杂度及成本，形成在纵向上集成为一体的结构，而无需复杂的控制反馈电路或者效率和寿命都存在限制的荧光粉，与其他全固态发光二极管结构相比，本发明的结构中电流直接流经两个发光区，不需要引入键合技术，而是通过外延生长直接形成纵向上集成的两个发光区。隧道结5为一反向隧道结，使得从表面有源区二302注入的空穴和n型层7注入的电子在有源区一301的多量子阱结构中复合发出一种颜色的光，该光传播到表面有源区二302时，部分被吸收而发射出另外一种与其匹配形成白光的光。

有源区二302可为体材料，也可为多量子阱结构，其中多量子阱结构可提高载流子的复合率。

反向隧道结5可以为同质结，也可以为异质结。

本发明提出的图4所示的结构为一个基本的特征结构，可以在其基础上适当调整结构，以增加器件的发光性能。

这种调整结构后的表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其结构从上至下包括：p电极加厚电极1、p电极欧姆接触层2、p型层6、有源区一301、n型层7、缓冲层8、衬底9和n电极10和n电极加厚电极11；其特征在于：在p电极欧姆接触层2与p型层6之间结构为：位于上层的隧道结5上面直接生长的有源区四304；在上层的隧道结5下面从上至下依次为p型层6、有源区三303、n型层7，下层隧道结5；

其中有源区三303、有源区四304与有源区一301为可通过一次外延生长的材料，该三个有源区材料的组分调整满足使其发出的光以色度学的配色原理所要求的比例混合最终发射出白光。

有源区一301、有源区三303、有源区四304，与上下两对隧道结结合，使得电流直接流经三个有源区使其发光，从而根据色度学配色理论的比例混色形成白光，这样较之两个有源区的白光发光二极管显色指数可提高20-35％。

有源区四304可为体材料，也可为多量子阱结构，其中多量子阱结构可提高载流子的复合率。

反向隧道结5可以为同质结，也可以为异质结。

上述两种结构其本质上均为通过反向隧道结5使电流顺序流过一次外延生长的各有源区使其发光，各有源区发出的光均满足白光配色原理对光源要求的白光发光二极管。

附图说明

图1：传统全固态发光白光二极管(一)结构示意图

图中：1、p电极加厚电极，2、p电极欧姆接触层，31、红黄光有源区，32、蓝光有源区，4、键合界面，6、p型层，7、n型层，8、缓冲层，9、衬底，10、n电极，11、n电极加厚电极；

图2：本发明白光发光二极管的层结构示意图一

图中：1、p电极加厚电极，2、p电极欧姆接触层，301、有源区一，302、有源区二，5、隧道结，6、p型层，7、n型层，8、缓冲层，9、衬底，10、n电极，11、n电极加厚电极

图3：本发明白光发光二极管的层结构示意图二

图中：1、p电极加厚电极，2、p电极欧姆接触层，301、有源区一，303、有源区三，304、有源区四，5、隧道结，6、p型层，7、n型层，8、缓冲层，9、衬底，10、n电极，11、n电极加厚电极；

图4：本发明实施例1的结构示意图

图5：本发明实施例2的结构示意图

具体实施方式

随着生长技术的不断进步，InN的晶格不断完整，使得目前InN直接带隙材料的禁带宽度可达到0.9eV，根据 $\mathrm{\λ}=\frac{1.24}{E_g}\left(\mathrm{\μm}\right),$ InN材料对应的波长为1.38μm，属红外波段，而直接带隙材料GaN的禁带宽度为3.49eV，对应的波长为0.355μm，因此，合金材料In_xGa_1-xN通过改变In和Ga的相对组分，可获得整个可见光光谱范围的发光。根据色度学原理，可以使用黄色光和蓝色光来实现白色光；或者可以通过红色、绿色、蓝色光来实现白光。因此，可利用不同x值的In_xGa_1-xN和GaN量子阱结构来实现本发明中的红色、蓝色、黄色和绿色有源区。

1、反向隧道结5可采用InGaN/GaN或InGaN/InGaN隧道结，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3，厚度均为15nm。

2、加厚电极1和11的金属为Ti/Au膜系组合，也可是其他金属组合如Ti/Al/Ti/Au。Ti膜作为和N电极10Al膜的连接层，厚度为100-400，较佳厚度为200。Au膜的厚度为3000-10000。Al膜的厚度为为2000-5000。

3、N电极10为Ti/Al金属膜系组合。Ti膜作为N型层7与Al膜的连接层，厚度为100-400。Al膜的厚度为2000-5000。

4、p电极欧姆接触层2可以是金属Ni/Au，也可以是其他金属组合或者为透明导电膜如铟锡氧化物ITO膜等。Ni/Au金属或其他金属组合构成的透明导电层的总厚度为50-200；透明导电膜厚度为1000-4000。

5、衬底9可以是蓝宝石，SiC，或者ZnO。

6、N型半导体7是N型GaN，P型半导体6是P型GaN。

实施例1：

如图4所示，其制备过程和方法如下：

1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底9上依次外延生长缓冲层8、n-GaN层7、有源区一301为InGaN/GaN量子阱、p-GaN层6、p⁺-InGaN/n⁺-InGaN隧道结5、有源区二302为InGaN材料；

2、采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形，用于干法刻蚀；

3、采用牛津(Oxford)ICP-100将样品刻蚀出台面结构至n-GaN层7处，刻蚀气体为氯气和氩气，刻蚀时间4.25分钟，刻蚀深度为250纳米；

4、光刻，获得上、下欧姆接触电极的形状；

5、采用蒸发或溅射的方法，制备出p型欧姆接触层2Ni/Au(50/50)、n电极10Ti/Al(200/2000)以及p电极加厚电极1和n电极加厚电极11Ti/Au(200/3000)；

6、合金，氮气保护，800℃，40秒；

实施例2：

如图5所示，其制备过程和方法如下：

1、普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底9上依次外延生长缓冲层8、n-GaN层7、有源区一301为InGaN/GaN量子阱、p-GaN层6、p⁺-InGaN/n⁺-GaN隧道结5、n-GaN层7、有源区三303为InGaN/GaN量子阱、p-GaN层6；p⁺-InGaN/n⁺-InGaN隧道结5、有源区四为InGaN材料；

2、采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形，用于干法刻蚀；

3、采用牛津(Oxford)ICP-100将样品刻蚀出台面结构至最下层n-GaN层7处，刻蚀气体为氯气和氩气，刻蚀时间46分钟，刻蚀深度为27650纳米；

4、光刻，获得上、下欧姆接触电极的形状；

5、采用蒸发或溅射的方法，制备出p型欧姆接触层2Ni/Au(50/50)、n电极10Ti/Al(200/2000)以及p电极加厚电极1和n电极加厚电极11Ti/Au(200/3000)；

6、合金，氮气保护，800℃，40秒；

实施例2电流直接流经三个有源区使其发光，从而根据色度学配色理论的比例混色形成白光，这样较之两个有源区的白光发光二极管实施例1显色指数可提高20-35％。

Claims (5)

1、表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其结构从上至下包括：p电极加厚电极(1)、p电极欧姆接触层(2)、p型层(6)、有源区一(301)、n型层(7)、缓冲层(8)、衬底(9)、n电极(10)和n电极加厚电极(11)；其特征在于：在p电极欧姆接触层(2)与p型层(6)之间夹有一对反向隧道结(5)；在反向隧道结(5)上面是直接外延生长的有源区二(302)，两个有源区(301)，(302)的材料组分满足有源区二(302)发出的光与有源区一(301)发出的光以色度学的配色原理所要求的比例混合最终发射出白光。

2、根据权利要求1所述的表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其特征在于，有源区二(302)可为体材料，也可为多量子阱结构。

3、表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其结构从上至下包括：p电极加厚电极(1)、p电极欧姆接触层(2)、p型层(6)、有源区一(301)、n型层(7)、缓冲层(8)、衬底(9)和n电极(10)和n电极加厚电极(11)；其特征在于：在p电极欧姆接触层(2)与p型层(6)之间结构为：位于上层的隧道结(5)上面直接生长的有源区四(304)；在上层的隧道结(5)下面从上至下依次为p型层(6)、有源区三(303)、n型层(7)、下层隧道结(5)；

其中有源区三(303)、有源区四(304)与有源区一(301)为可通过一次外延生长的材料，该三个有源区材料的组分调整满足使其发出的光以色度学的配色原理所要求的比例混合最终发射出白光。

4、根据权利要求3所述的表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其特征在于，有源区四(304)可为体材料，也可为多量子阱结构。

5、根据权利要求1或3所述的表面为隧道结结构的单芯片白光发光二极管，其特征在于，反向隧道结(5)可以为同质结，也可以为异质结。

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