專利名稱：一種雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域中GaN基 單芯片白光發(fā)光二極管(LED)器件，具體涉及一種雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
III族氮化物材料是重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有帶隙范圍寬(0.9eV-6.2eV)，擊 穿電場(chǎng)高，熱導(dǎo)率高，電子飽和速率高，抗輻射能力強(qiáng)以及耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，這些優(yōu)良 的光、電學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)良的材料化學(xué)性能使III族氮化物材料在藍(lán)、綠、紫、紫外光及白 光發(fā)光二極管(LED)、短波長(zhǎng)激光二極管(LD)、紫外光探測(cè)器和功率電子器件等光電子器 件和電子器件以及特殊條件下的半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，吸引了人們濃厚 的興趣。目前，國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上主流的GaN基發(fā)光器件產(chǎn)品的主要應(yīng)用之一是采用GaN的基藍(lán) 光、綠光和InGaAsP基紅光LED構(gòu)成三基色完備發(fā)光體系，其制備方法要求把這三種顏色 的LED按一定的比例封裝在一起得到用于照明用途的白光. 一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是制作GaN 基藍(lán)、綠光雙波長(zhǎng)LED，然后與紅光LED鍵合。這就使得雙波長(zhǎng)LED的生長(zhǎng)成為一個(gè)重要 課題。目前生長(zhǎng)雙波長(zhǎng)LED的方法主要是n型層+藍(lán)光有源區(qū)+p型層+隧道結(jié)+ n型層 +綠光有源區(qū)+0型層，如中國(guó)專利03157152. 2采用的就是這種方法。但這種方法的生長(zhǎng) 工藝過(guò)程較為復(fù)雜，而且由于兩個(gè)有源層中實(shí)際存在的P—n結(jié)，影響了載流子的輸運(yùn)， 致使有源區(qū)發(fā)光效率偏低，并且隧道結(jié)的制備本身就是件難事，同樣也有用隧道結(jié)制備雙 波段LED的報(bào)道I. Ozden, a) E. Makarona, and A. V. Nurmikkob) Appl Phy Lett 79, 2532(2001)，還有如Y. D. Qi, H. Liang, W. Tang， et. al, Journal of Crystal Growth 272,333 - 340, 2004文獻(xiàn)上提到的利用多量子阱來(lái)同時(shí)得到雙波段LED,可是問(wèn)題在于它 的雙波段的的強(qiáng)度是隨電流的大小而變化的，大大的減少了其實(shí)用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種共p型或共n型的雙波長(zhǎng)單芯片LED。 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管，其特征在于，包括若干個(gè)n型接觸層、兩個(gè)有源層和若干個(gè)p型接觸層，上述n型接觸層、有源層和p型接觸層為相互疊加結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)有 源層為不同光波段的量子阱，且上述兩個(gè)有源層之間共用一 p型接觸層或一 n型接觸層。如兩個(gè)有源層之間共用一p型接觸層，所述雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件可是，從下至 上依次疊加一n型接觸層、 一量子阱A、 一p型接觸層、 一量子阱B以及一n型接觸層。如兩個(gè)有源層之間共用一n型接觸層，所述雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件可是，從下至 上依次疊加一p型接觸層、 一量子阱A、 一n型接觸層、 一量子阱B以及一p型接觸層。所述n型接觸層或p型接觸層可為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、 InAlGaN層或者上述合金的組合。所述量子阱可為InxGai-xN， AlxGai-xN或AlInGaN。所述量子阱的周期數(shù)可為1 20。 所述量子阱的每個(gè)周期中，阱的厚度可為lnm 5nm之間，壘的厚度可為6nm 20nm 之間。所述兩個(gè)有源層之間共用的p型接觸層或n型接觸層的厚度范圍可為300nm 1500nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明LED的器件，可以通過(guò)控制各個(gè)電極所加的電流、電壓的大小控制兩種不 同光波段的量子阱的發(fā)光強(qiáng)度，即本發(fā)明LED的器件相當(dāng)于兩個(gè)各自獨(dú)立的光源。而且由 于兩個(gè)有源層之間公共p型層或n型層的存在，使有源層的注入效率都得到了相對(duì)提高。 這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)對(duì)制備無(wú)需熒光粉，較高光電轉(zhuǎn)化效率的單芯片白光LED有重要意義。還 可以通過(guò)調(diào)整三基色光強(qiáng)度比，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色度分布圖，調(diào)控白光LED的色度。本發(fā)明LED 器件具有器件的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率。將在白光照明,全色顯 示和光調(diào)節(jié)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例共p型接觸層的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例共n型接觸層的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 實(shí)施例一1)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，用正常生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)一層非摻GaN薄膜和一層n 型摻雜的GaN薄膜；4具體為如圖1所示，用普通的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底1采用(0001)面的藍(lán)寶石襯底，氫氣(H2)氛下，在110(TC 1150。C下高溫烘烤襯底5 15分鐘，降 溫至450。C 55(TC氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長(zhǎng)低溫GaN成核層25nm，然后升溫 到1050。C生長(zhǎng)1000nm厚的非摻GaN;在上述基礎(chǔ)上，再向反應(yīng)室通入硅烷(SiH4)，以每小時(shí)1800nrn的生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)n 型摻雜GaN，厚度為1000nm。2) 在n型摻雜的GaN薄膜3上降溫到70(TC左右生長(zhǎng)綠光波段的多量子阱4;即繼續(xù) 生長(zhǎng)5個(gè)InxGai-xN/GaN多量子阱作為綠光波段的有源層，用三甲基銦(TMIn)作為In 源，其中乂=0.35左右。3) 在綠光波段的多量子阱4上升高溫度到1000°C，用二茂鎂(Cp2Mg)作為Mg源， 生長(zhǎng)高質(zhì)量的p型GaN層5，厚度為450nm左右，并在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)降溫至80(TC對(duì)p 型GaN進(jìn)行退火激活。4) 在p型GaN層5保持溫度為80(TC繼續(xù)生長(zhǎng)藍(lán)光波段的5個(gè)多量子阱6，這一有源 層中的x值比步驟2中的要低一些，約為0.2，以得到藍(lán)光；5) 繼續(xù)生長(zhǎng)n型摻雜GaN層作為L(zhǎng)ED的n型電極的接觸層，此步驟中需要提高SiH4 流量以提高n型層的摻雜濃度以便于制作n型歐姆接觸電極，厚度約為lOOOnm;6) 用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方法在n型摻雜的GaN薄膜3上和p型GaN層5刻蝕出 臺(tái)階用于制作接觸電極(如圖1)，在刻蝕出的臺(tái)階上制作金屬歐姆接觸電極，刻蝕氣體可 用氯氣、氬氣、三氯化硼等；7) 在外延片的最上面的n型層和刻蝕出的n型層臺(tái)階上濺射Ti/Al/Ni/Au,在p型層 臺(tái)階上濺射Ni/Au金屬制備歐姆接觸電極。實(shí)施例二1)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，用正常生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)一層非摻GaN薄膜和一層n 型摻雜的GaN薄膜；具體為如圖2所示，用普通的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底l采用 (OOOl)面的藍(lán)寶石襯底，氫氣(H2)氛下，在1100'C 115(TC下高溫烘烤襯底5 15分鐘，降 溫至450。C 550。C氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長(zhǎng)低溫GaN成核層25nm，然后升溫 到1050'C生長(zhǎng)1000nm厚的非摻GaN;在非摻GaN層2基礎(chǔ)上，降低溫度至1000。C，再向反應(yīng)室通入二茂鎂(Cp2Mg)作 為Mg源，生長(zhǎng)p型摻雜GaN，厚度為800nm，并在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)降溫至80(TC對(duì)p型GaN進(jìn)行退火激活。2) 在p型摻雜的GaN薄膜3上降低溫度至72(TC生長(zhǎng)綠光波段的多量子阱4;即繼續(xù) 生長(zhǎng)5個(gè)InxGa卜xN/GaN量子阱作為綠光波段的有源層，用三甲基銦(TMIn)作為In源，乂=0.30左右；3) 在綠光波段的多量子阱4上升溫至110(TC以硅烷SiH4為n型摻雜劑生長(zhǎng)n型GaN 層5，厚度為1000nm;4) 在n型GaN層5上降溫至780。C繼續(xù)生長(zhǎng)藍(lán)光波段的多量子阱6，這一有源層中的 x值比步驟2中的要低一些，乂=0.15以得到藍(lán)光；5) 再升溫至IOO(TC繼續(xù)生長(zhǎng)p型摻雜GaN層作為L(zhǎng)ED的p型電極的接觸層，此步驟 中需要提高二茂鎂(Cp2Mg) SiH4流量以提高p型層的摻雜濃度以便于制作p型歐姆接觸 電極；厚度為400nm左右。6) 用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方法在n型摻雜的GaN薄膜3上和p型GaN層5刻蝕出 臺(tái)階用于制作接觸電極(如圖2)，在刻蝕出的臺(tái)階上制作金屬歐姆接觸電極，刻蝕氣體可 用氯氣、氬氣、三氯化硼等；7) 在外延片的最上面的p型層和刻蝕出的p型層臺(tái)階上濺射Ni/Au，在p型層臺(tái)階上 濺射Ti/Al/Ni/Au金屬制備歐姆接觸電極。上述兩個(gè)實(shí)施例中，所涉及的接觸層和有源層不局限于本例說(shuō)明，不但可以是A1N、 InN、 GaN等二元系氮化物，而且可以是AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，甚至是 AlInGaN等四元系氮化物。另外，量子阱的周期數(shù)可為1 20，所述量子阱的每個(gè)周期厚度為，阱的厚度為lnm—5nm之間，壘的厚度可為6nm—20nm之間。所述兩個(gè)有源層之間共用的p型接觸層或n型接觸層的厚度范圍是300nm—1500nm。 此外，有源層除藍(lán)光波段、綠光波段量子阱外，還可以是其它材料所對(duì)應(yīng)光波段的量子阱。以上通過(guò)詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其 制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1. 一種雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管，其特征在于，包括若干個(gè)n型接觸層、兩個(gè)有源層和若干個(gè)p型接觸層，上述n型接觸層、有源層和p型接觸層為相互疊加結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)有源層為不同光波段的量子阱，且上述兩個(gè)有源層之間共用一p型接觸層或一n型接觸層。
2、 如權(quán)利要求1所述的雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管，其特征在于，如兩個(gè)有源層之間 共用一p型接觸層，所述雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件為，從下至上依次疊加一n型接 觸層、 一量子阱A、 一p型接觸層、 一量子阱B以及一n型接觸層。
3、 如權(quán)利要求1所述的雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管，其特征在于，如兩個(gè)有源層之間 共用一n型接觸層，所述雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件為，從下至上依次疊加一p型接 觸層、 一量子阱A、 一n型接觸層、 一量子阱B以及一p型接觸層。
4、 如權(quán)利要求1、 2或3所述的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，其特征在于，所述n 型接觸層或p型接觸層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層 或者上述合金的組合。
5、 如權(quán)利要求l、 2或3所述的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，其特征在于，所述量子 阱為InxGa!.xN， AlxGa"N或AlInGaN。
6、 如權(quán)利要求5所述的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，其特征在于，所述量子阱的周 期數(shù)為1 20。
7、 如權(quán)利要求6所述的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，其特征在于，所述量子阱的每 個(gè)周期中，阱的厚度為lnm—5nm之間，壘的厚度為6nm 20nm之間。
8、 如權(quán)利要求l、 2或3所述的雙波長(zhǎng)單芯片LED結(jié)構(gòu)器件，其特征在于，所述兩個(gè) 有源層之間共用的p型接觸層或n型接觸層的厚度范圍為300nm 1500nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙波長(zhǎng)單芯片發(fā)光二極管，屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域。該器件包括若干個(gè)n型接觸層、兩個(gè)有源層和若干個(gè)p型接觸層，上述n型接觸層、有源層和p型接觸層為相互疊加結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)有源層為不同光波段的量子阱，且上述兩個(gè)有源層之間共用一p型接觸層或一n型接觸層。本發(fā)明LED器件可以通過(guò)控制各個(gè)電極所加的電流、電壓的大小，控制兩種不同光波段的量子阱的發(fā)光強(qiáng)度，且具有器件電路簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，光電轉(zhuǎn)化效率高的特點(diǎn)。本發(fā)明對(duì)制備無(wú)需熒光粉，較高光電轉(zhuǎn)化效率的單芯片白光LED具有重要意義，并且將在白光照明，全色顯示和光調(diào)節(jié)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101257081SQ20081010333
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者張國(guó)義, 浩 方, 丁 李, 楊志堅(jiān), 桑立雯, 陶岳彬 申請(qǐng)人:北京大學(xué)