氮化镓基宽光谱发光二极管及其制备方法
【专利摘要】一种氮化镓基宽光谱发光二极管及其制备方法，其中该氮化镓基宽光谱发光二极管包括：一衬底；一缓冲层，其制作在衬底上；一n型III族氮化物层，其制作在缓冲层上，该n型III族氮化物层上面的一侧有一台面，该台面的厚度小于n型III族氮化物层的厚度；一量子点有源区，其制作在远离台面一侧的n型III族氮化物层上，该量子点有源区为发光区；一p型III族氮化物层，其制作在量子点有源区上；一n型金属电极，其淀积在n型III族氮化物层一侧的台面上；一p型金属电极，其淀积在p型III族氮化物层上。本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管具有宽光谱及光谱范围可调的优点。
【专利说明】氮化镓基宽光谱发光二极管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，特别是指一种氮化镓基宽光谱发光二极管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]采用红、绿、蓝三基色发光二极管混光组成白光LED (简称RGB白光LED)是制造白光LED的一种基本技术方案，其中LED发光有源区一般采用量子阱(QW)。然而，采用量子阱作为发光有源区制造的三基色LED的发光光谱很窄，只有20-30nm，如此窄光谱三基色LED组成的白光LED不能很好的覆盖整个可见光谱区，显色性很差。
[0003]为了解决RGB白光LED显色性差的问题，可以用更多具有不同颜色的单色LED合成白光LED，例如加入黄色LED。但这将大大增加成本。而且，长波长如黄色LED必需高In组分InGaN薄膜材料作为有源区，高In组分InGaN薄膜生长很困难，较差的材料质量限制了其发光强度。
[0004]有人通过特定的荧光粉展宽单色LED的发光光谱再合成白光LED，但荧光粉容易老化，会降低LED的使用寿命。
[0005]有人在LED有源区中引入InGaN量子点(QD)直接制造单芯片白光LED (参考专利US2009/0206320)，这个方案看似简单，但其发光有源区必须是具有很高In组分的InGaN量子点层，由于高In组分InGaN材料本身材料质量差，必然限制其发光效率。此外，要获得能够全部覆盖可见光范围的如此宽的发光光谱，且光谱强度分布类似太阳光谱，对InGaN量子点和浸润层的结构参数有严格的要求，在材料生长上也是很困难的。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种氮化镓基宽光谱发光二极管及其制备方法，该氮化镓基宽光谱发光二极管具有宽光谱及光谱范围可调的优点。
[0007]本发明提供一种氮化镓基宽光谱发光二极管，包括:
[0008]一衬底；
[0009]一缓冲层，其制作在衬底上；
[0010]一 η型III族氮化物层，其制作在缓冲层上，该η型III族氮化物层上面的一侧有一台面，该台面的厚度小于η型III族氮化物层的厚度；
[0011]一量子点有源区，其制作在远离台面一侧的η型III族氮化物层上，该量子点有源区为发光区；
[0012]一 P型III族氮化物层，其制作在量子点有源区上；
[0013]— η型金属电极,其淀积在η型III族氮化物层一侧的台面上；
[0014]— P型金属电极,其淀积在P型III族氮化物层上。
[0015]本发明还提供一种氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，包括如下步骤:
[0016]步骤1:取一衬底；[0017]步骤2:在衬底上依次生长缓冲层、η型III族氮化物层、量子点有源区和P型III族氮化物层；
[0018]步骤3:采用刻蚀的方法，在P型III族氮化物层14的表面向下刻蚀，刻蚀深度达到n型III族氮化物层内，该η型III族氮化物层的一侧形成台面；
[0019]步骤4:在η型III族氮化物层一侧的台面上淀积一 η型金属电极；
[0020]步骤5:在P型III族氮化物层上淀积一 P型金属电极，完成制备。
[0021]本发明的有益效果是，该氮化镓基宽光谱发光二极管可代替传统的基于量子阱有源区的单色LED，用于混光合成覆盖较宽光谱范围的具有较高显色指数的RGB白光LED，获得高品质照明光源；该氮化镓基宽光谱发光二极管还可以用于制造具有特定光谱范围的光源，如植物生长中叶绿素只对特定光谱范围的光吸收较强，制造具有相应光谱范围的LED光源可以增强植物吸收，这有利于促进植物生长，同时也可有效地降低能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为进一步说明其结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例作详细描述，其中:
[0023]图1是本发明的结构示意图；
[0024]图2是本发明的制备方法流程图；
[0025]图3是本发明中InGaN量子点层的表面原子力显微镜图像；
[0026]图4是本发明中InGaN量子点层的截面透射电镜图像；
[0027]图5是本发明中InGaN量子点层的InGaN量子点区域的能谱图；
[0028]图6是本发明中InGaN量子点层的InGaN连续薄膜区域的能谱图；
[0029]图7是本发明中InGaN量子点样品的微区光致发光光谱图；
[0030]图8是本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管与普通氮化镓基发光二极管的发光光谱对比图；
[0031]图9是本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管的发光光谱对InGaN量子点高度的依赖关系图。
【具体实施方式】
[0032]请参阅图1所示，本发明提供一种氮化镓基宽光谱发光二极管，包括:
[0033]一衬底10，该衬底10是氧化铝单晶、6&队6!1^(:、4!1^(:、5丨3故或2110 ；
[0034]一缓冲层11，其制作在衬底10上，该缓冲层11的材料为GaN或AlN ；
[0035]一 η型III族氮化物层12，其制作在缓冲层11上，该η型III族氮化物层12上面的一侧有一台面121，该台面121的厚度小于η型III族氮化物层12的厚度；
[0036]一量子点有源区13，其制作在远离台面121 —侧的η型III族氮化物层12上，该量子点有源区13为发光区；该量子点有源区13为多周期结构，周期数为1-20，每一周期包括量子垒层132和InGaN量子点层131 ;该InGaN量子点层131由InyGalyN连续薄膜和位于其上的高密度InxGa1J量子点组成，其中，O≤x ≤ I, O ≤y ≤ I, y≤χ ;该高密度InxGa1^xN量子点的高度为0.5-5nm，直径为5_50nm，密度为I X IO7CnT2-1 X IO12CnT2 ;该量子垒层132的材料为 GaN、InGaN、AlGaN 或 Al InGaN。[0037]在发光二极管的有源区中引入InxGal-xN量子点层(O≤x≤I)，由于三维限制效应，量子点呈现类似单原子的分立的多个子能级，各子能级态密度很低，当注入较高的载流子密度时，由于能级填充效应，载流子会填充到量子点的多个激发态能级上，多个激发态发光会导致发光光谱的展宽。相比采用量子阱层作为有源区的普通LED，引入量子点可以展宽LED的发光光谱。而且，通过调节外延生长参数调节量子点的组分、高度和直径，以及浸润层的组分和厚度，可调节能级位置和态密度分布，从而调节发光二极管的发光光谱范围，实现发光光谱范围在很大范围内的可调谐。例如，增加量子点组分或高度可以使光谱范围向长波长方向展宽，降低浸润层组分或厚度可以使光谱范围向短波长方向展宽。
[0038]一 P型III族氮化物层14，其制作在量子点有源区13上；
[0039]— η型金属电极15,其淀积在η型III族氮化物层12 —侧的台面121上；
[0040]一 P型金属电极16,其淀积在P型III族氮化物层14上。
[0041]请参阅图2，并结合参阅图1，本发明还提供一种氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，包括如下步骤:
[0042]步骤1:取一衬底10 ;该衬底10是氧化铝单晶、GaN、6H-SiC、4H_SiC、S1、AlN或ZnO。
[0043]步骤2:在衬底10上依次生长缓冲层11、η型III族氮化物层12、量子点有源区13和P型III族氮化物层14。其中η型III族氮化物层12生长温度是950-1150°C，掺杂剂是硅烷，硅烷流量是0.2-2.0纳摩尔/分钟；其中缓冲层11的材料为GaN或AlN;其中量子点有源区13为多周期结构，周期数为1-20，每一周期包括量子垒层132和InGaN量子点层131 ;该InGaN量子点层131由InyGa^N连续薄膜和位于其上的高密度InxGa^N量子点组成，其中，O≤l,0^y^ Ly^x ;该高密度InxGahN量子点的高度为0.55nm，直径为5-50nm，密度为IX IO7CnT2-1X IO12CnT2 ;该InGaN量子点层131是通过调节温度、流量、压力、生长时间、中断时间等生长参数以Stransk1-Krastanow自组织生长模式形成，即在应力驱动下，自发地先形成一层两维InyGai_yN连续薄膜，称为浸润层，再在浸润层之上形成一层高密度InxGa^N量子点；该InGaN量子点层131的生长条件为:生长温度500°C -700°C,压力100-400Torr，三乙基镓流量10-100毫升/分钟，三甲基铟流量50-300毫升/分钟，氨气流量2-5升/分钟，生长时间30-120秒，之后在氨气气氛下中断III族源0_60秒；其中量子垒层132的材料为GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN ;该量子垒层132的生长条件为:生长温度600-900°C，压力100-400Torr，三乙基镓流量10-100毫升/分钟，氨气流量2_10升/分钟，生长时间1-10分钟，生长厚度5-20nm ;其中p型III族氮化物层14生长温度是900-1100°C，掺杂剂是二茂镁，二茂镁掺杂量是0.5-5微摩尔/分钟。
[0044]步骤3:采用刻蚀的方法，在P型III族氮化物层14的表面向下刻蚀，刻蚀深度达到η型III族氮化物层12内，在该η型III族氮化物层12的一侧形成台面121 ;其中刻蚀工艺是感应耦合等离子体刻蚀(ICP)。
[0045]步骤4:在η型III族氮化物层12 —侧的台面121上淀积一 η型金属电极15 ;该η型金属电极15是铬钼金或钛铝钛金；淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射。
[0046]步骤5:在P型III族氮化物层14上淀积一 ρ型金属电极16，完成制备；该ρ型金属电极15是铬钼金；淀积方式是电子束蒸发或磁控溅射。
[0047]为展示本发明的效果，图3-图7给出了本发明中InGaN量子点样品的测试结果。该InGaN量子点样品，是在步骤2完成第一层InGaN量子点层131的淀积后，停止生长，降温取出晶片，切成小片作为实验样品。图3所示为其表面原子力显微镜图像，显示形成了高密度的量子点，量子点密度为5.5Χ101;图4所示为其截面透射电镜图像，显示形成“浸润层+量子点”结构，量子点高度约1.5nm，直径约10nm，浸润层是一层两维连续薄膜，厚度约2.0nm ;在此需要说明的是，本发明中所述量子点高度仅指高密度InGaN量子点的高度，不含下面浸润层的厚度，不可混淆为InGaN量子点层131的厚度；图5所示为图4中InGaN量子点区域的能谱图，据此可算出该区域In组分为0.4 ;图6所示为图4中InGaN连续薄膜区域(即浸润层)的能谱图，据此可算出该区域In组分为0.19。比较图5，图6可知，量子点区域In组分比周围区域高一些，由此形成对载流子的三维限制。图7所示为其微区(直径200nm)光致发光光谱。显示具有多个发光峰组成的很宽的发光光谱(覆盖光谱范围从440nm 到 580nm)。
[0048]为展示本发明的效果，图8给出了本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管与普通氮化镓基发光二极管(基于量子阱有源区)的发光光谱对比。其中普通氮化镓基发光二极管具有与该氮化镓基宽光谱发光二极管相同的结构参数，只是通过调节生长温度、流量等条件将InGaN量子点层131改成了 InGaN量子阱层。该InGaN量子阱层是一层连续的组分均匀的InGaN薄膜。由图可见，相比普通氮化镓基发光二极管，本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管具有较宽的发光光谱；图9给出了本发明的氮化镓基宽光谱发光二极管的发光光谱对InGaN量子点高度的依赖关系。图中显示了 InGaN量子点高度分别是1.0nm(QD LED#2)，1.5nm(QD LED#1)，和2.0nm(QD LED#3)时的发光光谱。可见，增加InGaN量子点高度，光谱宽度向长波长方向展宽，显示了光谱宽度在一定范围内的可调谐。
[0049] 以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种氮化镓基宽光谱发光二极管，包括: 一衬底； 一缓冲层，其制作在衬底上； 一 η型III族氮化物层，其制作在缓冲层上，该η型III族氮化物层上面的一侧有一台面，该台面的厚度小于η型III族氮化物层的厚度； 一量子点有源区，其制作在远离台面一侧的η型III族氮化物层上，该量子点有源区为发光区； 一 P型III族氮化物层，其制作在量子点有源区上； 一 η型金属电极,其淀积在η型III族氮化物层一侧的台面上； 一 P型金属电极，其淀积在P型III族氮化物层上。
2.如权利要求1所述的氮化镓基宽光谱发光二极管，其中所述的衬底是氧化铝单晶、GaN、6H-SiC、4H-SiC、S1、AlN 或 ZnO。
3.如权利要求1所述的氮化镓基宽光谱发光二极管，其中缓冲层的材料为GaN或A1N。
4.如权利要求1所述的氮化镓基宽光谱发光二极管，其中所述的量子点有源区为多周期结构，周期数为1-20，每一周期包括量子垒层和InGaN量子点层；该InGaN量子点层由InyGai_yN连续薄膜和位于其上的高密度InxGahN量子点组成，其中，0≤x≤1，0≤y≤l,y≤x ;该高密度InxGa≤xN量子点的高度为0.5-5nm，直径为5-50nm，密度为I X 107cm 2-1 X 1012cm 2。
5.如权利要求4所述的氮化镓基宽光谱发光二极管，其中所述的量子垒层的材料为GaN, InGaN, AlGaN, Al InN 或 Al InGaN。
6.一种氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:取一衬底； 步骤2:在衬底上依次生长缓冲层、η型III族氮化物层、量子点有源区和P型III族氮化物层； 步骤3:采用刻蚀的方法，在P型III族氮化物层14的表面向下刻蚀，刻蚀深度达到η型III族氮化物层内，该η型III族氮化物层的一侧形成台面； 步骤4:在η型III族氮化物层一侧的台面上淀积一 η型金属电极； 步骤5:在P型III族氮化物层上淀积一 P型金属电极，完成制备。
7.如权利要求6所述的氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，其中所述的衬底是氧化铝单晶、6&队6!1^(:、4!1^(:、51、六故或2110。
8.如权利要求6所述的氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，其中缓冲层的材料为GaN 或 Α1Ν。
9.如权利要求6所述的氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，其中所述的量子点有源区为多周期结构，周期数为1-20，每一周期包括量子垒层和InGaN量子点层；该InGaN量子点层由InyGai_yN连续薄膜和位于其上的高密度InxGai_xN量子点组成，其中，O≤x≤1，0≤y≤l,y≤x ;该高密度InxGa≤xN量子点的高度为0.5-5nm，直径为5-50nm，密度为I X 107cm 2-1 X 1012cm 2。
10.如权利要求9所述的氮化镓基宽光谱发光二极管的制备方法，其中所述的量子垒层的材料为 GaN、InGaN、AlGaN、AlInN 或 Al InGaN。
【文档编号】H01L33/00GK103474536SQ201310396219
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】姬小利, 郭金霞, 马平, 马骏, 魏同波, 伊晓燕, 王军喜, 杨富华, 曾一平, 王国宏, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所