專利名稱：單片式白光發(fā)射器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種白光發(fā)射器件，尤其涉及一種能夠自發(fā)發(fā)射白光的單片式白光發(fā)射器件。
背景技術(shù)：
一般地，白光發(fā)射器件利用半導(dǎo)體發(fā)光和磷光材料(phosphor)發(fā)光產(chǎn)生白光(參見美國專利No.6069440和5998925)。這些發(fā)光器件使用磷光材料吸收半導(dǎo)體發(fā)射的光，從而發(fā)射出接近白色的光。半導(dǎo)體通常發(fā)藍(lán)光，磷光材料吸收半導(dǎo)體所發(fā)的藍(lán)光以產(chǎn)生綠/紅光。因此，該磷光材料是綠色和紅色熒光材料(fluorescent material)的混合物。
根據(jù)具有此類結(jié)構(gòu)的混合式白光發(fā)射器件，不容易實(shí)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝制造的集成電路。從而限制了這種混合式白光發(fā)射器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
T.Mukai曾提出一種沒有磷光材料，使用多能帶發(fā)射(multi-bandemission)的白光發(fā)射器件(LED)(參見JJAP 41(3A)L246 2002)。因此，Mukai的LED具有多個(gè)有源層，以產(chǎn)生不同波長的光。
這種LED通常用于背光裝置中，需要容易地制造且有著高的發(fā)光效率和白度(whiteness)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有能容易制造的簡單結(jié)構(gòu)的單片式白光發(fā)射器件。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種白光發(fā)射器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層、p型氮化物半導(dǎo)體層和具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，該有源層置于n型和p型氮化物半導(dǎo)體層之間。有源層中同時(shí)發(fā)生基于量子能級的光發(fā)射和由摻雜原子形成的基于摻雜能級的光發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種白光發(fā)射器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層、p型氮化物半導(dǎo)體層、置于該n型和p型氮化物半導(dǎo)體層之間、均具有量子阱結(jié)構(gòu)的第一和第二有源層、以及設(shè)于該第一和第二有源層之間的氮化物覆層(cladding layer)。第一有源層中發(fā)生由摻雜原子形成的基于摻雜能級的光發(fā)射，而第二有源層中發(fā)生基于量子能級的光發(fā)射。
該n型和p型氮化物半導(dǎo)體層可以是GaN。該第一和第二有源層的每一層可以包括GaN勢壘層和InGaN量子阱層(well layer)。量子阱層可以摻有摻雜原子。該摻雜原子可以是硅或稀土金屬。
該n型半導(dǎo)體層可以是摻Si的GaN，該p型半導(dǎo)體層可以是摻Mg的GaN。


參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例后，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明白，在附圖中圖1是依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的發(fā)光器件的垂直結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖2是解釋圖1的發(fā)光器件的發(fā)光機(jī)理的能量分布圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的發(fā)光器件的垂直結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖4是解釋圖3的發(fā)光器件的發(fā)光機(jī)理的能量分布圖；圖5是給出依據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件的測量得到的電致發(fā)光(EL)光譜和測量得到的光致發(fā)光(PL)光譜的曲線圖；圖6是示出由圖5獲得的樣品A、B和C獲得的光的色坐標(biāo)的CIE(相干紅外能量)圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述依據(jù)本發(fā)明的一種單片式白光發(fā)射器件，附圖中示出了示范性實(shí)施例。
圖1是依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的發(fā)光器件的垂直結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖2是解釋圖1的發(fā)光器件的發(fā)光機(jī)理的能量分布圖。
參考圖1，首先，在絕緣襯底1上形成摻有Si的n型覆層(n-GaN)2作為n型半導(dǎo)體層，襯底1，例如由藍(lán)寶石形成。多量子阱(MQW)有源層3形成在該n型覆層2上，該有源層3是本發(fā)明的一個(gè)特征。在MQW有源層3上形成摻有Mg的p型覆層(p-GaN)4作為p型半導(dǎo)體層。該MQW有源層3中的勢壘層由GaN形成，其中的阱層包括AlGaN。這些層堆疊，例如，約5個(gè)周期以形成MQW有源層3。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，該MQW有源層3摻有硅或者稀土金屬作為雜質(zhì)。此時(shí)，雜質(zhì)可以摻入阱層或勢壘層，優(yōu)選為阱層。雜質(zhì)在整個(gè)或部分MQW有源層3中摻雜。因此，如圖1和2所示，在該MQW有源層3中同時(shí)發(fā)生基于量子能級的帶間發(fā)射(band-to-band emission)和由摻雜原子形成的基于摻雜能級的次能帶發(fā)射，從而能夠獲得白光。根據(jù)本發(fā)明的這種白光發(fā)射不是通過天然缺陷，而是通過因硅或稀土金屬離子(RE離子)的注入引起的雜質(zhì)缺陷實(shí)現(xiàn)的。對于430到480nm的中心波長可以使用Tm作為稀土金屬。對于520到570nm的中心波長可以使用Er、Ho、Tb等作為稀土金屬。對于430到480nm的中心波長可以使用Tm作為稀土金屬。對于540到590nm的中心波長可以使用Si作為稀土金屬。對于430到480nm的中心波長可以使用Tm作為稀土金屬。對于580到630nm的中心波長可以使用Eu、Sm、Pr等作為稀土金屬。
圖3是依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的發(fā)光器件的垂直結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖4是解釋圖3的發(fā)光器件的發(fā)光機(jī)理的能量分布圖。
與第一實(shí)施例不同的是，根據(jù)第二實(shí)施例的發(fā)光器件的MQW有源層3具有第一和第二有源層3a和3b，其由覆層3c相互隔開。
參考圖3，首先，在絕緣襯底1上形成摻有Si的n型覆層(n-GaN)2作為n型半導(dǎo)體層，襯底1例如由藍(lán)寶石形成。在該n覆層2上形成第一和第二有源層3a和3b，每一有源層都具有MQW結(jié)構(gòu)且其間具有覆層(GaN)3c，有源層是本發(fā)明的特征。在MQW有源層3上形成摻有Mg的p型覆層(p-GaN)4作為p型半導(dǎo)體層。該MQW有源層3中的勢壘層由GaN形成，其中的阱層包括AlGaN。這些層堆疊，例如，約5個(gè)周期以形成MQW有源層3。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，第一和第二有源層3a和3b中之一摻有雜質(zhì)而另一個(gè)具有未摻雜質(zhì)的常規(guī)MQW結(jié)構(gòu)。在第二實(shí)施例中，第一有源層3a摻有稀土金屬作為雜質(zhì)，而第二有源層3b未摻雜質(zhì)，也就是說，具有常規(guī)的MQW結(jié)構(gòu)。此時(shí)，雜質(zhì)可以摻在第一有源層3a的阱層或勢壘層中，優(yōu)選為阱層中。更具體地講，在整個(gè)或部分的第一有源層3a中摻入雜質(zhì)。
第二有源層3b具有常規(guī)MQW結(jié)構(gòu)。
因此，如圖3和4所示，在具有MQW結(jié)構(gòu)的第二有源層3b中發(fā)生基于量子能級的帶間發(fā)射，而在摻雜有硅或稀土金屬離子的第一有源層3a中發(fā)生由摻雜離子形成的基于摻雜能級的次能帶發(fā)射。
圖5是給出依據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件的測量得到的電致發(fā)光(EL)光譜和測量得到的光致發(fā)光(PL)光譜的曲線圖。圖5示出了三個(gè)樣品A、B和C中的EL光譜和樣品B中的PL光譜，在這三個(gè)樣品A、B和C中，分別使用0.35sccm、0.3sccm和0.25sccm的硅烷氣體在775℃的溫度下對MQW有源層的GaN勢壘層摻Si。該MQW有源層通過堆疊5個(gè)周期的GaN/AlGaN形成。該EL和PL光譜是在以20mA電流驅(qū)動(dòng)該MQW有源層時(shí)測量的。
從圖5可知，黃光(YL)隨有源層摻雜濃度的變化而變化。通過比較EL和PL波長可知，黃光發(fā)射(YE)的起源不是來自封裝(package)而是來自半導(dǎo)體自身。
圖6為示出圖5所獲樣品A、B和C的YE變化的色坐標(biāo)圖。參考圖6，YE的量按照樣品C、B、然后A的順序增大。另外可以從圖6知道，有可能在YE的中心(0.45，0.55)和能帶發(fā)射(band emission，BE)的中心(0.17，0.02)的連線(L)上改變顏色。CIE圖包括形成該CIE圖的輪廓的光譜軌跡(S)和存在于該CIE圖中的普朗克軌跡(plankian locus)(P)?？紤]到具有在普朗克軌跡(P)上的坐標(biāo)值的光被認(rèn)為是白色的，可以通過控制有源層所含硅或稀土金屬離子的濃度改變發(fā)光的色坐標(biāo)。在圖6中，樣品A的坐標(biāo)代表具有4400K色溫(CCT)的白光。因此，樣品A自身就是白光發(fā)射器件，能夠用于實(shí)際的背光裝置中。
本發(fā)明提出了一種白光發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)，通過在氮化物半導(dǎo)體有源層中引入因雜質(zhì)引起的次能帶發(fā)射，該結(jié)構(gòu)可以被用作白光光源。在該白光發(fā)射器件中，構(gòu)成有源層的阱層和勢壘層中的任何一種被摻入摻雜劑，例如，Si或者稀土金屬。
如上所述，本發(fā)明提供了一種在半導(dǎo)體層中發(fā)生白光發(fā)射的單片式白光發(fā)射器件。這種單片式白光發(fā)射器件不需要常規(guī)白光發(fā)射器件所需的磷光材料的任何幫助即可發(fā)出白光，因此這種單片式白光發(fā)射器件的制造變得更加容易。特別地，由于這種單片式白光發(fā)射器件具有單片式結(jié)構(gòu)，其可應(yīng)用于很寬范圍的領(lǐng)域中且其制造成本低廉。
盡管已經(jīng)參考其示范性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了特定的展示和描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，在不背離權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以在其中做出多種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種白光發(fā)射器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；以及具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，其置于所述n型和p型氮化物半導(dǎo)體層之間，其中在所述有源層中同時(shí)發(fā)生基于量子能級的光發(fā)射和由摻雜原子形成的基于摻雜能級的光發(fā)射。
2.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)射器件，其中所述氮化物半導(dǎo)體層為GaN。
3.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)射器件，其中所述有源層包括GaN勢壘層和InGaN阱層。
4.如權(quán)利要求3所述的白光發(fā)射器件，其中所述阱層包括所述摻雜原子。
5.如權(quán)利要求4所述的白光發(fā)射器件，其中所述摻雜原子為硅和稀土金屬之一。
6.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)射器件，其中所述n型半導(dǎo)體層為摻Si的GaN，且所述p型半導(dǎo)體層為摻Mg的GaN。
7.一種白光發(fā)射器件，其包括n型氮化物半導(dǎo)體層；p型氮化物半導(dǎo)體層；均具有量子阱結(jié)構(gòu)的第一和第二有源層，其置于所述n型和p型氮化物半導(dǎo)體層之間；以及設(shè)于所述第一和第二有源層之間的氮化物覆層，其中在所述第一有源層中發(fā)生由摻雜原子形成的基于摻雜能級的光發(fā)射，且在所述第二有源層中發(fā)生基于量子能級的光發(fā)射。
8.如權(quán)利要求7所述的白光發(fā)射器件，其中所述n型和p型氮化物半導(dǎo)體層為GaN。
9.如權(quán)利要求7所述的白光發(fā)射器件，其中所述第一和第二有源層中的每一個(gè)包括GaN勢壘層和InGaN阱層。
10.如權(quán)利要求9所述的白光發(fā)射器件，其中所述阱層包括所述摻雜原子。
11.如權(quán)利要求10所述的白光發(fā)射器件，其中所述摻雜原子為硅和稀土金屬之一。
12.如權(quán)利要求7所述的白光發(fā)射器件，其中所述n型半導(dǎo)體層為摻Si的GaN，且所述p型半導(dǎo)體層為摻Mg的GaN。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種單片式白光發(fā)射器件。該單片式白光發(fā)射器件中的有源層摻有形成次能帶的硅或稀土金屬。該單片式白光發(fā)射器件中包括的有源層數(shù)量為一或二個(gè)。當(dāng)該白光發(fā)射器件中包括兩個(gè)有源層時(shí)，在該兩個(gè)有源層之間插入一覆層。根據(jù)這種白光發(fā)射結(jié)構(gòu)，可以由半導(dǎo)體發(fā)射白光，因此就不需要磷光材料了。傳統(tǒng)的白光發(fā)射器件需要磷光材料的幫助，與之相比，這種單片式白光發(fā)射器件可以低成本簡單地制造且可應(yīng)用到很寬范圍的領(lǐng)域中。
文檔編號H01L29/02GK1667850SQ200510054450
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月11日
發(fā)明者趙濟(jì)熙, 尹皙胡, 李庭旭 申請人:三星電機(jī)株式會(huì)社