專利名稱：多波長發(fā)光二極管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體材料與器件技術領域，尤其涉及多波長發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術：
半導體發(fā)光二極管具有壽命長且節(jié)能綠色環(huán)保等優(yōu)點，在日常生活的各個領域都得到了越來越多的應用且引起半導體研究和產業(yè)領域越來越大的重視。氮化鎵(GaN)具有優(yōu)異的物理和化學特性，與氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)等III族氮化物組成三元、四元合金的禁帶寬度可以在O. 7 eV - 6. 2 eV之間連續(xù)調節(jié)，并且任意組分的InAlGaN四元合金都是直接帶隙，在白光照明、全色顯示、彩色激光打印、高密度光存儲、光探測、水下通信等領 域都有著廣泛的應用前景。目前傳統(tǒng)的白光發(fā)光二極管的設計方法主要有兩種。ー種是將紅、綠和藍光二極管，在平面結構上組合封裝得到白光ニ極管。其優(yōu)勢是三個ニ極管可以通過各自獨立的控制電路來調節(jié)ニ極管的功率以實現(xiàn)顔色的可調性，但是其缺點就是每ー個白光ニ極管需要三個三基色ニ極管，成本較高；同時由于三基色ニ極管的平面排列方式，到時白光ニ極管色度空間方向性差；另外就是每個白光ニ極管需要三個控制電源，驅動電路復雜。另外ー種常見的途徑是采用藍光或紫外發(fā)光二極管激發(fā)熒光粉發(fā)光，實現(xiàn)各色光混合得到白光。其缺點是熒光粉吸收效率低導致其發(fā)射橙黃色或其他顔色的光效率低，從而混合光中熒光粉所發(fā)的光比例小，使得混合白光偏藍色或紫外光，顯色指數低；同時如果熒光粉涂覆不均勻使得產生的光也不均勻，封裝有一定的難度，另外此類白光發(fā)光二極管除考慮ニ極管芯片壽命之外，熒光粉的壽命和可靠性也是ー個必須關注的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供多波長發(fā)光二極管及其制備方法，不依賴熒光粉而實現(xiàn)多波長的混合，提高ニ極管的壽命和可靠性。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了ー種多波長發(fā)光二極管，該多波長發(fā)光二極管的有源區(qū)具有臺階化量子阱柱狀結構，包括第一量子阱層和第二量子阱層，所述第二量子阱層設置于第一量子阱層裸露表面之上，所述第二量子阱層包含多個窗ロ，所述多個窗ロ處顯露出第一量子阱層的表面。所述的多波長發(fā)光二極管進ー步包括
ー襯底；
一緩沖層，設置于所述襯底的裸露表面之上；
一第一氮化鎵層，設置于所述緩沖層的裸露表面之上；
一第二氮化鎵層，設置于所述第一氮化鎵層的裸露表面之上；
ー電子阻擋層，設置于所述有源區(qū)的裸露表面之上，所述有源區(qū)設置于所述第二氮化鎵層的裸露表面之上；一第三氮化鎵層，設置于所述電子阻擋層的裸露表面之上。所述襯底為平面藍寶石襯底、圖形化藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底中任意一種。所述第一、第二和第三氮化鎵層的材質均為氮化鎵材料；所述第二氮化鎵層的摻雜類型為N型；所述第三氮化鎵層的摻雜類型為P型；所述電子阻擋層的材質為AlyGa1J或AlyGa 卜 yN/AlaInbGa 卜 a_bN。所述第一、第二量子講層的材質分別為AlxInyGa1IyN和AlaInbGa1L,所述第一量子阱層的厚度范圍為Inm至30nm，所述第二量子阱層的厚度范圍為6nm至20nm;所述AlxInyGa1^yN中的χ的范圍為O至1，y的范圍為O至O. 5 ;所述AlaInbGa1IbN中a的范圍為O至1，b的范圍為O至O. 5 ;所述第一、第二量子阱層的周期數范圍均為I至100。為解決上述技術問題，本發(fā)明還提供了ー種如上述的多波長發(fā)光二極管的制備方 法，所述制備方法包括步驟
bl)外延生長第一量子阱層；
b2)在所述第一量子阱層的裸露表面外延生長第二量子阱層；b3)圖形化所述第二量子阱層的裸露表面，形成多個圖形窗ロ，且所述圖形窗ロ貫穿第ニ量子阱層直至顯露出所述第一量子阱層。所述步驟b I之前進ー步包括步驟
a)提供一具有多層結構的半導體材料，包括襯底，在所述襯底上依次層疊的緩沖層、第ー氮化鎵層以及第ニ氮化鎵層。所述步驟b3之后進ー步包括步驟
c)在所述臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)的裸露表面上生長電子阻擋層；
d)在所述電子阻擋層的裸露表面上生長第三氮化鎵層；
e)在所述第二氮化鎵層的裸露表面上和第三氮化鎵層的裸露表面上分別沉積N型電極和P型電極。所述步驟b3中形成的多個圖形窗ロ，是采用金屬粒子或薄膜退火自組裝、反應離子刻蝕、全息曝光、電子束曝光中任意ー種方法實現(xiàn)。所述步驟e中的N型電極和P型電極均采用光刻并蒸鍍、光刻并濺射中任意ー種方法制備。本發(fā)明提供了多波長發(fā)光二極管及其制備方法，拓展發(fā)光二極管發(fā)光譜線范圍，簡化了驅動電路。同時采用金屬粒子或薄膜退火自組裝以及反應離子刻蝕或全息曝光或電子束曝光等方法制備多梯度臺階結構的多量子阱有源區(qū)，有助于提高電子或空穴的注入效率，降低接觸電阻。其疊層多波長多量子阱有源區(qū)的特性決定了發(fā)光二極管的多波長特性，有利于調節(jié)色度和提高顯色性指數。本發(fā)明提供多波長發(fā)光二極管及其制備方法，提出了多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)，其優(yōu)點為
1)、采用多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)結構實現(xiàn)了單芯片多波長的特性，相對于傳統(tǒng)三基色芯片平面組合封裝而言，簡化了驅動電路；
2)、采用多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)結構實現(xiàn)了P型電子阻擋層直接與多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)的直接接觸，有助于提高電子或空穴的注入效率，因此提高了其電光轉換效率；
3)、采用多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)結構降低了熒光粉的選擇難度，多波長特性有助于提高顯色指數。


圖I是本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管實施例一的結構示意 圖2是本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ的步驟流程 圖3 圖7是本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ的步驟圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管及其制備方法的具體實施方式
做詳細說明。實施例一
圖I所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管實施例一的結構示意圖。本實施例提供了ー種多波長發(fā)光二極管，包括
ー襯底100，所述襯底100為平面藍寶石襯底、圖形化藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底中任意ー種；
一緩沖層200，設置于所述襯底100的裸露表面之上；
一第一氮化鎵層300,設置于所述緩沖層200的裸露表面之上,所述第一氮化鎵層300的材質為本征的氮化鎵材料或輕摻雜的氮化鎵材料；
一第二氮化鎵層400,設置于所述第一氮化鎵層300的裸露表面之上,所述第二氮化鎵層400的摻雜類型為N型；
一有源區(qū)110，包括第一量子阱層500、第二量子阱層600，所述第二量子阱層600設置于第一量子阱層500裸露表面之上，所述有源區(qū)110設置于所述第二氮化鎵層400的裸露表面之上，本實施例中所述第一量子阱層500、第二量子阱層600的材質為分別為AlxInyGa1^yN 和 AlaInbGa1^bN ；
ー電子阻擋層700，設置于所述有源區(qū)110的裸露表面之上，所述電子阻擋層700的材質為 AlyGa1J 或 AlyGai_yN/AlaInbGa
1-a-bN
一第三氮化鎵層800，設置于所述電子阻擋層700的裸露表面之上，所述第三氮化鎵層800的摻雜類型為P型。所述有源區(qū)110與所述電子阻擋層700接觸的界面具有臺階化量子阱柱狀結構，與常規(guī)單一波長有源區(qū)結構不同，臺階化量子阱柱狀結構為多梯度的臺階結構，臺階的高度取決于各波長有源區(qū)的厚度。采用多梯度的臺階結構多量子阱有源區(qū)結構實現(xiàn)了單芯片多波長的特性，相對于傳統(tǒng)三基色芯片平面組合封裝而言，簡化了驅動電路，降低了熒光粉的選擇難度，多波長特性有助于顯色指數的提高，實現(xiàn)了電子阻擋層700直接與有源區(qū)110的直接接觸，有助于提聞電子或空穴的注入效率，提聞了其電光轉換效率。作為可選實施例，所述有源區(qū)110中可以具有多層量子阱層，并不僅限于本實施例中的兩層量子阱層。所述多層量子阱層指量子阱層的層數大于兩層，且各層量子阱層采用層層疊加方式生長，在所述多層量子阱層中頂層量子阱的裸露表面具有臺階化量子阱柱狀結構以暴露出與頂層量子阱層直接接觸的下ー層量子阱，從而實現(xiàn)多波長光束的出射和混合。所述臺階化量子阱柱狀結構是采用金屬粒子或薄膜退火自組裝，及反應離子刻蝕或全息曝光或電子束曝光等方法制備。所述第一氮化鎵層300、第二氮化鎵層400的厚度范圍均為3Mm至lOOMm，所述第
ー氮化鎵層300、第二氮化鎵層400具體厚度均與襯底類型有夫。本實施例中，所述第一量子阱層500的材質AlxInyGa1^N中的χ的范圍為O至1，y的范圍為O至O. 5，所述第一量子阱層500的厚度范圍為Inm至30nm ;所述第二量子阱層600的材質AlaInbGa1IbN中的a的范圍為O至1，b的范圍為O至O. 5，所述第二量子阱層600的厚度范圍為6nm至20nm ;所述第一量子阱層500、第二量子阱層600的周期數范圍均為I至100。 本實施例中，所述電子阻擋層700的材質AlyGa1J或AlyGahNAlaInbGa1IbN中y的范圍均為O至O. 3，a的范圍為O至l，b的范圍為O. I至O. 25，所述電子阻擋層700的材質 AlyGa1J 或 AlyGahNAlaInbGa1IbN 的厚度范圍均為 20 至 50nm。實施例ニ
圖2所示為是本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ的步驟流程圖。本實施例中還提供了ー種多波長發(fā)光二極管的制備方法，包括步驟
步驟201，提供一具有多層結構的半導體材料，包括襯底、緩沖層、第一氮化鎵層、第二氮化鎵層；
步驟202，在所述第二氮化鎵層的裸露表面上形成臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)； 步驟203，在所述有源區(qū)的裸露表面上生長電子阻擋層；
步驟204，在所述電子阻擋層的裸露表面上生長第三氮化鎵層；
步驟205，在所述第二氮化鎵層的裸露表面上和第三氮化鎵層的裸露表面上分別沉積N型電極和P型電極。圖3 圖7所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ的步驟圖。圖3所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ步驟201的部分結構示意圖。所述步驟201中提供的半導體材料中，所述緩沖層20設置于所述襯底10的裸露表面之上；所述第一氮化鎵層30設置于所述緩沖層20的裸露表面之上；所述第二氮化鎵層40設置于所述第一氮化鎵層30的裸露表面之上。圖4所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ步驟202的部分結構示意圖。在第二氮化鎵層40的裸露表面生長具有臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)11。所述有源區(qū)11，包括第一量子阱層50，第二量子阱層60，所述第二量子阱層60設置于第一量子阱層50裸露表面之上，所述有源區(qū)11設置于所述第二氮化鎵層40的裸露表面之上。所述步驟202中，進ー步包括步驟在第二氮化鎵層40的裸露表面外延生長第一量子阱層50 ;在所述第一量子阱層的裸露表面外延生長第二量子阱層60 ;圖形化所述第二量子阱層60的裸露表面，形成多個圖形窗ロ，且所述圖形窗ロ貫穿第二量子阱層60直至顯露出所述第一量子阱層50。作為可選實施例，所述有源區(qū)11中可以具有多層量子阱層，并不僅限于本實施例中的兩層量子阱層。有源區(qū)11的臺階化量子阱狀結構與常規(guī)單一波長有源區(qū)結構不同，為多梯度的臺階化量子阱狀結構，臺階的高度取決于有源區(qū)11的厚度。所述有源區(qū)中的多個圖形窗ロ是采用金屬粒子或薄膜退火自組裝，及反應離子刻蝕或全息曝光或電子束曝光等方法制備。圖5所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ步驟203的部分結構示意圖。在所述具有臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)11的裸露表面上生長電子阻擋層70。所述電子阻擋層70提供額外的勢壘，有效地阻擋電子溢出有源區(qū)11，提高電子或空穴的注入效率，從而提聞了其電光轉換效率。圖6所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ步驟204的部分結構示意圖。在所述電子阻擋層70的裸露表面上生長第三氮化鎵層80。作為可選實施方式，步驟204之后還可采用化學機械拋光(CMP)エ藝對所述第三·氮化鎵層80的裸露表面進行拋光，使得所述第三氮化鎵層80的裸露表面平整。圖7所示為本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管的制備方法實施例ニ步驟205的部分結構示意圖。在所述第二氮化鎵層40的裸露表面上沉積N型電極91，在第三氮化鎵層80的裸露表面上沉積P型電極90。所述步驟205中的N型電極91和P型電極90均采用光刻以及蒸鍍或光刻以及濺射的方法制備。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種多波長發(fā)光二極管，其特征在于，該多波長發(fā)光二極管的有源區(qū)具有臺階化量子阱柱狀結構，包括第一量子阱層和第二量子阱層，所述第二量子阱層設置于第一量子阱層裸露表面之上，所述第二量子阱層包含多個窗口，所述多個窗口處顯露出第一量子阱層的表面。
2.根據權利要求I所述的多波長發(fā)光二極管，其特征在于，所述的多波長發(fā)光二極管進一步包括一襯底；一緩沖層，設置于所述襯底的裸露表面之上；一第一氮化鎵層，設置于所述緩沖層的裸露表面之上；一第二氮化鎵層，設置于所述第一氮化鎵層的裸露表面之上；一電子阻擋層，設置于所述有源區(qū)的裸露表面之上，所述有源區(qū)設置于所述第二氮化鎵層的裸露表面之上；一第三氮化鎵層，設置于所述電子阻擋層的裸露表面之上。
3.根據權利要求2所述的多波長發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底為平面藍寶石襯底、圖形化藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底中任意一種。
4.根據權利要求2所述的多波長發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一、第二和第三氮化鎵層的材質均為氮化鎵材料；所述第二氮化鎵層的摻雜類型為N型；所述第三氮化鎵層的摻雜類型為P型；所述電子阻擋層的材質包括為AlyGa1J或AlyGahNAlaInbGa1IbN15
5.根據權利要求4所述的多波長發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一、第二量子阱層的材質分別為AlxInyGanyN和AlaInbGai_a_bN，所述第一量子阱層的厚度范圍為Inm至30nm，所述第二量子阱層的厚度范圍為6nm至20nm Jy^iAlxInyGa1TyN中的x的范圍為O至l，y的范圍為O至O. 5 Jy^iAlaInbGa1IbN中a的范圍為O至1，b的范圍為O至O. 5 ;所述第一、第二量子阱層的周期數范圍均為I至100。
6.—種如權利要求I所述的多波長發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟bl)外延生長第一量子阱層；b2)在所述第一量子阱層的裸露表面外延生長第二量子阱層；b3)圖形化所述第二量子阱層的裸露表面，形成多個圖形窗口，且所述圖形窗口貫穿第二量子阱層直至顯露出所述第一量子阱層。
7.根據權利要求6所述的多波長發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟bl之前進一步包括步驟a)提供一具有多層結構的半導體材料，包括襯底，在所述襯底上依次層疊的緩沖層、第一氮化鎵層以及第二氮化鎵層。
8.根據權利要求6所述的多波長發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟b3之后進一步包括步驟c)在所述臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)的裸露表面上生長電子阻擋層；d)在所述電子阻擋層的裸露表面上生長第三氮化鎵層；e)在所述第二氮化鎵層的裸露表面上和第三氮化鎵層的裸露表面上分別沉積N型電極和P型電極。
9.根據權利要求6所述的多波長發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟b3中形成的多個圖形窗口，是采用金屬粒子或薄膜退火自組裝、反應離子刻蝕、全息曝光、電子束曝光中任意一種方法實現(xiàn)。
10.根據權利要求8所述的多波長發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟e中的N型電極和P型電極均米用光刻并蒸鍍、光刻并派射中任意一種方法制備。
全文摘要
本發(fā)明提供多波長發(fā)光二極管及其制備方法，涉及半導體材料與器件技術領域。本發(fā)明提供的多波長發(fā)光二極管包括一襯底、一緩沖層、一第一氮化鎵層、一第二氮化鎵層、一具有臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)、一電子阻擋層、一第三氮化鎵層；本發(fā)明還提供所述多波長發(fā)光二極管的制備方法，包括生長形成一具有多層結構的半導體結構；形成具有臺階化量子阱柱狀結構的有源區(qū)；生長第三氮化鎵層；沉積N型電極和P型電極。本發(fā)明提供多波長發(fā)光二極管及其制備方法，優(yōu)點在于拓展發(fā)光二極管發(fā)光譜線范圍，簡化驅動電路的復雜性，提高電子或空穴的注入效率，降低接觸電阻，提高了色度的調節(jié)和顯色性指數。
文檔編號H01L33/00GK102856452SQ20121032690
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權日2012年9月6日
發(fā)明者金朝, 范亞明, 朱建軍, 邊歷峰 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所