專利名稱：Ⅲ族氮化物白光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件及其制造方法，具體地涉及白光發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)廣泛地用于光顯示器、交通信號(hào)燈、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 通信、照明以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用。白光LED的當(dāng)前應(yīng)用包括機(jī)動(dòng)車輛的儀表板 及液晶顯示器(LCD)背光。白光LED的重要目標(biāo)是增加亮度級(jí)別，以允 許替換白熾燈，因?yàn)榕c常規(guī)燈泡相比，LED更小，具有更高效率，具有 約50倍的較長(zhǎng)壽命。
常規(guī)白光LED通常根據(jù)兩種方法制造。在一種方法中，在一個(gè)LED 本體中密封三個(gè)分離的LED芯片，其中紅色芯片、藍(lán)綠色芯片和藍(lán)色芯 片結(jié)合發(fā)射得到白光。制造白光LED的另一個(gè)廣泛使用的方法需要使用 一個(gè)高亮度的藍(lán)色或UV GaN-基LED芯片，該LED芯片已經(jīng)涂有熒光材 料，如熒光粉和有機(jī)染料。熒光材料的使用帶來可靠性問題和從UV或 藍(lán)色光子轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色或更長(zhǎng)波長(zhǎng)光子的能量損耗。此外，對(duì)于產(chǎn)生顏 色特性的一致性和LED的質(zhì)量，封裝步驟變得關(guān)鍵。
Chen等人已研究了制造白光發(fā)光二極管的常規(guī)方法(美國(guó)專利 6163038)。該專利描述了白光LED和制造白光LED的方法，通過在LED 的結(jié)構(gòu)中擁有至少兩種能帶隙，該LED本身可以發(fā)射白光。但是，該技 術(shù)僅僅使用多個(gè)量子阱(MQW)得到白光發(fā)射。Chen等人僅僅提及通過 調(diào)整生長(zhǎng)參數(shù)生長(zhǎng)發(fā)射具有不同顏色的光的MQW，而沒有說明怎樣實(shí) 現(xiàn)它。Chen等人未能制造發(fā)射連續(xù)地覆蓋所有可見光范圍的光的 MQW。亦即，Chen等人僅僅使用單個(gè)LED芯片在多個(gè)光譜峰值下產(chǎn)生
光，然后這些光被結(jié)合。因此，有必要使用特定波長(zhǎng)的光(例如， 370-500nm)作為基體。
Chua等人已提出了用于制造增強(qiáng)LED的現(xiàn)有技術(shù)，該技術(shù)涉及形 成通過金屬有機(jī)氣相外延生長(zhǎng)的氮化銦(InN)和氮化銦鎵(InGaN)量子 點(diǎn)(美國(guó)專利6645885)。該專利描述嵌在通過在MOCVD生長(zhǎng)過程中使用 三甲基銦(TMIn)、三乙基銦(TEIn)和乙基二甲基銦(EDMIn)的至少一種 作為抗表面活性劑形成的單個(gè)和多個(gè)InxGaLxN/InyGai-yN量子阱(QW) 中的氮化銦(InN)和富銦氮化銦鎵(InGaN)量子點(diǎn)，以及來自這些點(diǎn)的光 致發(fā)光的波長(zhǎng)范圍為480nm至530nm。在啟動(dòng)無位錯(cuò)量子點(diǎn)(QD)的形成 中，TMIn和/或其他銦前體的受控的量是重要的，這些是氨和TMIn的后 續(xù)流。該方法可以用于生長(zhǎng)藍(lán)光和綠光發(fā)光二極管(LED)的有源層。然 而，該技術(shù)不能制造產(chǎn)生白光的二極管。白光需要400至750nm的范圍。 然而，Chua等人的技術(shù)僅僅覆蓋480nm至530nm的較小波長(zhǎng)范圍，不能 用來產(chǎn)生白光。
由此，現(xiàn)代半導(dǎo)體和顯示技術(shù)需要新的白光發(fā)光二極管，其容易 構(gòu)造，具有高亮度和顯色性(color rendering property),以及具有建立諸 如用于照明的光源和液晶顯示器件的應(yīng)用必需的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明旨在制造一種實(shí)質(zhì)上避免由于現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺 點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)問題的白光發(fā)光二極管(LED)。
本發(fā)明的目的是提供一種引入所有可見光發(fā)射到一個(gè)芯片中的 LED。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種白光發(fā)光二極管包括n型半導(dǎo)體層，
一個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，p型半導(dǎo)體層，第一電極，以及第二電極。每
個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)包括Ii^GaLxN量子阱層和InyGa^N阻擋層，其中xX).3或
xi.3和x〉y，并且包含InzGaLzN量子點(diǎn)，其中x々Sl。量子阱結(jié)構(gòu)形成 在n型半導(dǎo)體層上方。p型半導(dǎo)體層形成在量子阱結(jié)構(gòu)上方。第一電極
形成在p型半導(dǎo)體上方。第二電極形成在n型半導(dǎo)體層的至少部分表面 上方。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種白光發(fā)光二極管包括n型半導(dǎo)體層，
一個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，p型半導(dǎo)體層，第一電極，以及第二電極。每 個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)包括InxGa^N量子阱層和InyGaLyN阻擋層，其中x〉y，以 及包含InzGaLzN量子點(diǎn)，其中x〈z^。該阱層InxGa^N包含p型摻雜劑。 該量子阱結(jié)構(gòu)形成在n型半導(dǎo)體層上方。p型半導(dǎo)體層形成在量子阱結(jié) 構(gòu)上方。第一電極形成在p型半導(dǎo)體上方。第二電極形成在n型半導(dǎo)體 層的至少部分表面上方。
在根據(jù)上述方面的二極管中，IiixGaLxN量子阱層包含p型慘雜劑和 n型摻雜劑，以及xX).3或xi.3。每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)具有420nm至750nm范 圍的連續(xù)發(fā)射光譜。該量子點(diǎn)是通過下列步驟形成的首先以第一流 速和第一時(shí)間流動(dòng)TMIn、 TEIn或EDMIn的至少一種以形成核，然后以 第二流速流動(dòng)TMIn、 TEIn或EDMIn的至少一種以及TMG和氨，以使核 生長(zhǎng)和覆蓋在量子阱層中。量子阱結(jié)構(gòu)的數(shù)目為約1至30。 InxGa^N量 子阱層的厚度為約l至10nm，以及InyGai.yN量子阻擋層的厚度為約5至 30nm。l〉x〉yX)或y:0的關(guān)系可以得到滿足。在襯底上形成n型半導(dǎo)體層， 以及該襯底由藍(lán)寶石、SiC、 GaN和ZnO的一種制成。雙環(huán)戊二烯基鎂 (Cp2Mg)、 二乙基鋅(DEZn)和硅烷的至少一種被用作摻雜劑。發(fā)光二極 管發(fā)射約400nm至750nm范圍的光。對(duì)于延伸至較長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射范圍， 阱層的InN摩爾份數(shù)x是重要的。InxGa^N量子阱層中的x越高，發(fā)射波 長(zhǎng)延伸至越長(zhǎng)的波長(zhǎng)。當(dāng)x等于或大于0.3時(shí)，來自MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)射光 譜的范圍延伸至600nm或更長(zhǎng)。對(duì)于來自MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)射功率的增加， 特別對(duì)于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍，引入Zn或Zn和S倒InxGa^N量子阱層中是 重要的。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，發(fā)射白光的量子阱結(jié)構(gòu)。該量子阱結(jié)構(gòu)
包括InxGaLxN量子阱層；嵌在InxGa^N量子阱層中的富銦InGaN量子 點(diǎn)，其中xX).3或xi.3;以及在該量子點(diǎn)和量子阱層上方的InyGaLyN量 子阻擋層。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，發(fā)射白光的量子阱結(jié)構(gòu)。該量子阱結(jié)構(gòu) 包括InxGat.xN量子阱層，嵌在InxGa^N量子阱層中的富銦InGaN量子 點(diǎn)，以及在該量子點(diǎn)和量子阱層上方的InyGa^N量子阻擋層。富銦 InGaN量子點(diǎn)摻有p型摻雜劑。
在上述方面中，InGaN量子阱層慘有p型摻雜劑。InGaN量子阱層 摻有p型摻雜劑和n型摻雜劑。該量子阱結(jié)構(gòu)被提供，以連續(xù)地發(fā)射 420nm至750nm范圍的光。量子點(diǎn)是通過下列步驟形成的首先以第一 流速和第一時(shí)間流動(dòng)TMIn、 TEIn或EDMIn的至少一種以形成核，然后 以第二流速流動(dòng)TMIn、 TEIn或EDMIn的至少一種以及TMG和氨，以使 核生長(zhǎng)并覆蓋在量子阱中。InxGaLxN量子阱層的厚度為約l至10nm，以 及l(fā)nyGaLyN量子阻擋層的厚度為約5至30nm。
本發(fā)明的附加特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，以及由該說 明書將部分明顯或可以通過本發(fā)明的實(shí)踐了解。通過撰寫的說明書和 關(guān)于此的權(quán)利要求書以及附圖具體指出的結(jié)構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明 的目的及其他優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)理解，上述概述及隨后的詳細(xì)描述是示例性和解釋性的，以 及用來提供所要求保護(hù)的發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


被包括的提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解以及被引入和構(gòu)成本申請(qǐng)的一 部分的附圖，圖示本發(fā)明的實(shí)施方案以及與該說明部分一起用來解釋 本發(fā)明的原理。
在附圖中
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明在有源層具有被InxGa^N阱層覆蓋的QD的 白光LED的圖，其中xX).3或x^.3;
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明具有由摻有Zn和Si的阱層覆蓋的QD的量子 阱(QW)結(jié)構(gòu)的圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的白光LED的室溫電致發(fā)光光譜；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的具有摻有Zn的阱層的多量子阱結(jié)構(gòu)的室 溫光致發(fā)光光譜；以及
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的具有摻有Zn和Si的阱層的多量子結(jié)構(gòu)的 室溫光致發(fā)光光譜。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，在附圖中圖示了其實(shí)施例。
本發(fā)明使用外延技術(shù)制造二極管。本發(fā)明的二極管利用量子點(diǎn) (QD)由具有至少420nm至750nm的寬連續(xù)峰的PN結(jié)產(chǎn)生電致發(fā)光。
QD可以被定義為如此小以致于電子的添加或去除以某些有用的 方法更改其性能的物質(zhì)顆粒。作為選擇，量子點(diǎn)可以被看作非常小的 器件，g卩，限制少數(shù)，少至一個(gè)自由電子的方格。QD典型地具有納米 級(jí)尺寸。亦即，量子點(diǎn)可以具有l(wèi)nm至200nm的尺寸范圍。在許多應(yīng)用 中，典型的尺寸范圍為20nm至80nm。
使用外延生長(zhǎng)工藝，可以生長(zhǎng)在很多情況下在周圍材料中的所有 三維限制的量子點(diǎn)。在光刻法限定的QD中，量子阱沿生長(zhǎng)方向提供限 制電位，而靜電感應(yīng)的電位阻擋層提供橫向限制。
薄膜或者氮化物或氧化物的QD的外延生長(zhǎng)可以使用金屬有機(jī)化
學(xué)氣相沉積(MOCVD)來完成。MOCVD使用包含金屬有機(jī)前體的稀釋 混合物的載氣流。對(duì)于常規(guī)的III-V族氮化物材料，氣體混合物在襯底 溫度范圍為500。C至1200。C的50托至750托范圍的壓力下流入反應(yīng)器 室。氨(NH3)可以被用作用于形成氮化物層如GaN、 InGaN或InN的氮源。 根據(jù)需要，反應(yīng)氣體分解并沉積幾納米至幾微米厚的III-V族氮化物材 料(例如，GaN、 AlGaN、 InGaN等)的薄外延層。
圖l是示出了根據(jù)本發(fā)明的白光發(fā)光二極管的圖。
圖l示出了襯底l，其可以是藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、 自立的GaN或其他襯底。緩沖層2是在600。C左右的低溫下生長(zhǎng)的GaN緩 沖層。n型GaN層3在1000。C左右的高溫下生長(zhǎng)。層3可以摻有Si，以得 到良好的n型導(dǎo)電。當(dāng)襯底l是自立的GaN時(shí)，不需要緩沖層2。層4是 GaN或InGaN阻擋層。在阻擋層4生長(zhǎng)之后，使銦前體如TMIn流動(dòng)，以 形成用于形成富銦QD 5的"籽晶"。該工藝被稱為銦猝生(Indiumburst)。 層6是具有高銦摩爾份數(shù)的InxGa"N量子阱層，其中xX).3或f0.3。在 層6上方生長(zhǎng)另一GaN或InGaN阻擋層7，層6可以摻有p型摻雜劑如Zn， 以得到長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍的較高發(fā)射。為了得到更高的發(fā)射，層6可以既摻有 p型摻雜劑又摻有n型摻雜劑摻雜。p型摻雜劑可以是Zn， n型摻雜劑可 以是Si。層8是在1000。C左右下生長(zhǎng)的掾有Mg的p型GaN層。層8可以 是在650。C至850。C的溫度范圍下生長(zhǎng)的p型InGaN層。在MQW結(jié)構(gòu)的發(fā) 射強(qiáng)度對(duì)形成MQW結(jié)構(gòu)之后的受熱歷程敏感的情況下，該低溫生長(zhǎng)的 p-InGaN層是優(yōu)選的。在層8的頂上形成第一電極9a。在層3上方形成第 二電極9b。
在圖1中，p型層8和n型層3可以轉(zhuǎn)換，同時(shí)電極9a和9b轉(zhuǎn)換。
低溫(LT)GaN或InGaN阻擋層(圖l中的層4)的較粗糙表面可以幫助 保持來自TMIn前體的裂解(分解)的碰撞銦原子，在表面上停留較長(zhǎng)時(shí) 間，由此增加銦引入，這還將導(dǎo)致發(fā)射的紅移。盡管三甲基銦(TMIn)被頻繁地用作前體，但是可以使用其他銦有 機(jī)金屬化合物，如三乙基銦(TEIn)和乙基二甲基銦(EDMIn)。這些有機(jī) 金屬化合物可以單獨(dú)使用或以混合物使用。
在本發(fā)明中，在通常發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)光(黃色和紅色)的InxGa"N/GaN 或I Ga^N/InyGaLyN單個(gè)或多個(gè)量子阱中形成和覆蓋富銦QD。通過流 動(dòng)TMIn(三甲基銦)或用作核的其他銦前體引入QD。白光發(fā)射可以通過 改變發(fā)射分布的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來獲得。這可以通過調(diào)整QD引入步驟的條 件，如溫度、反應(yīng)器壓力、TMIn分壓以及銦猝生過程中TMIn流動(dòng)的持 續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。這也可以通過調(diào)整阱層的外延生長(zhǎng)參數(shù)，如溫度、反 應(yīng)器壓力、NH3分壓、In有機(jī)金屬前體(TMIn、 TEIn或EDMIn)的分壓以 及InGaN量子阱生長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。通過改變?cè)搮?shù)，可以形成變 化的銦含量和尺寸的QD。
當(dāng)形成富銦QD時(shí)，關(guān)注兩個(gè)考慮。首先，用作核的TMIn的量以及 TMIn流動(dòng)的持續(xù)時(shí)間是重要的。太多流動(dòng)將產(chǎn)生銦液滴，其與富銦QD 的形成競(jìng)爭(zhēng)。QD的量子限制效果是在室溫下QD具有非常高的發(fā)光效率 的原因。其次，對(duì)于QD和覆蓋有QD的量子阱的形成，TMIn、 TMGa 和氨的后續(xù)流動(dòng)也是非常重要的。通常，應(yīng)該利用氨的高分壓進(jìn)行量 子阱生長(zhǎng)。
對(duì)于發(fā)射的控制，用于量子阱的生長(zhǎng)的In有機(jī)金屬前體如TMIn的 分壓是重要的，該有機(jī)金屬前體用于覆蓋富InQD。在量子阱的生長(zhǎng)過 程中，TMIn的分壓越高使來自具有QD的量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)射功率越高。 阱層的In組成x可以通過XRD(X射線衍射)、SIMS(次級(jí)離子質(zhì)譜)或電子 能量損耗光譜(EELS)來測(cè)量。當(dāng)QD覆蓋有在使InxGa^N量子阱的In組 成x等于0.3或大于0.3的這種TMIn分壓下生長(zhǎng)的量子阱時(shí)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)下 的發(fā)射被顯著地增強(qiáng)，特別在500nm至750nm的范圍內(nèi)。在QD的覆蓋 過程中TMIn分壓越高，使得所得的QD的In組成越高。圖3示出了來自
圖1中示意性地示出的白光LED的電致發(fā)光光譜。在此情況下，有源層
采用多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的三個(gè)周期。在量子阱的生長(zhǎng)過程中，TMIn 和TMGa的分壓分別是1.9Pa和l.lPa。EL光譜連續(xù)地覆蓋420nm至750nm 的寬范圍。也嘗試了在量子阱的生長(zhǎng)過程中的另一種生長(zhǎng)條件，即l.lPa 的TMIn分壓和l.lPa的TMGa分壓。在此情況下，光譜范圍為450nm至 580nm。對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射增強(qiáng)，量子阱生長(zhǎng)過程中較高的TMIn分 壓是有效的。
圖2示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案。
該圖示出了量子阱層周圍的示意性結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖l所示的結(jié)構(gòu)，為 了完成LED，至少一些電極將是需要的。
在圖2中，層10是襯底，其優(yōu)選是藍(lán)寶石、SiC、自立的GaN或ZnO。 層20是在低溫下，典型地在450。C至600。C的范圍內(nèi)生長(zhǎng)的緩沖層。層 30是在1030。C左右下生長(zhǎng)的n型GaN層。層30的典型摻雜劑是Si。層40 是GaN或InGaN層。層50是在約700。C至800。C下生長(zhǎng)的ItiyGaLyN阻擋 層，其中y優(yōu)選范圍為O.Ol至O.l。在層5的生長(zhǎng)之后，使用阱層生長(zhǎng)之 前的銦前體流動(dòng)形成富銦QD 60。在QD上方形成層70， InxGa^N量子 阱，其中x大于y，優(yōu)選大于0.3。層70被Zn摻雜，以增強(qiáng)長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射。 層80是典型地類似于層50的其它InyGa!.yN阻擋層。層卯是在700。C和 1100。C之間的范圍內(nèi)的溫度下生長(zhǎng)的p-GaN或p-InGaN覆蓋層。
在圖2中，襯底10可以是適合于GaN生長(zhǎng)的具有約200/mi(微米)至 500/xm的厚度的任意材料，如藍(lán)寶石、SiC、自立的GaN、 ZnO及其他 代用品。層20，為約20nm至100nm厚的低溫緩沖層，也可以是多層 AlGaN/GaN緩沖層。層30可以是未摻雜的GaN、 Si摻雜的GaN或Mg摻 雜的GaN。層的Si濃度范圍為2xl0"cm—s至9xl0iScm—3。 Mg濃度范圍為 5xl0卩cm-3至3xl02Gcm—3。其厚度范圍為lMm至10Mm。層40可以是具有 約5nm至30nm的厚度的GaN、 InGaN或AlGaN。層50和80可以是GaN，
代替InGaN。層90， 10nm至1000nm厚的覆蓋層，也可以是AlGaN。
對(duì)延長(zhǎng)發(fā)光范圍來說，Zn摻雜到層70是重要的。圖4示出了來自圖 2中所示的在量子阱層的生長(zhǎng)過程中具有不同DEZn分壓的MQW結(jié)構(gòu)的 光致發(fā)光光譜。在此情況下，該發(fā)射層由MQW的四個(gè)周期構(gòu)成以及對(duì) 于所有阱層生長(zhǎng)，TMGa和TMIn的分壓分別保持0.27Pa和l.lPa。 DEZn 分壓越高，導(dǎo)致量子阱中的Zn摻雜濃度越高，因此導(dǎo)致550nm至750nm 的更高發(fā)射范圍。
對(duì)于發(fā)射的增強(qiáng)，Zn和Si同時(shí)摻雜到層70是有效的。圖5示出了來 自圖2中所示的具有不同硅烷分壓的MQW結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光光譜。在此 情況下，該發(fā)射層由MQW的四個(gè)周期構(gòu)成以及對(duì)于所有阱層生長(zhǎng)， TMGa、 TMIn和DEZn的分壓分別保持0.27Pa、 1.1Pa和6.7xl()-4pa。硅烷 分壓越高，導(dǎo)致量子阱中的Si摻雜越高，因此導(dǎo)致更高的發(fā)射功率。
對(duì)于延長(zhǎng)發(fā)光范圍，圖2中的層40的插入是重要的。不被本發(fā)明的 任何理論約束，可以認(rèn)為低溫GaN層(圖2中的層40)部分地松弛InGaN阱 和阻擋層之間的壓縮應(yīng)變。壓縮應(yīng)變的這些松弛可以導(dǎo)致發(fā)光的相移。 根據(jù)Kaprov的(MRS Internet J Nitride Semicond. Res. 3， 16(1998))理論， 壓縮應(yīng)變的松弛也可以增強(qiáng)InGaN相分離，在該理論中，壓縮應(yīng)變可以 抑制InGaN相分離。
低溫(LT)GaN層(圖2中的層4)的較粗糙表面可以幫助較長(zhǎng)時(shí)間保 持來自TMIn前體的裂解(分解)的碰撞銦原子在表面上，由此增加銦引 入，這也將導(dǎo)致發(fā)光的相移。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案生長(zhǎng)發(fā)白光的LED的方法。
首先，在藍(lán)寶石襯底上方生長(zhǎng)低溫緩沖層，然后生長(zhǎng)高溫n型GaN 層，后者通常在約1000。C下進(jìn)行。接下來將溫度降低到約700。C至
800°C，以生長(zhǎng)GaN或InGaN阻擋層。當(dāng)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN或 InGaN阻擋層時(shí)，需要低溫生長(zhǎng)的緩沖層。
在阻擋層的生長(zhǎng)之后，在存在氨的情況下，使合適數(shù)量的TMIn或 其他銦有機(jī)金屬前體流入反應(yīng)室中。來自TMIn的銦原子聚集在InGaN 阻擋層的原子表面上，以形成用于QD的后續(xù)生長(zhǎng)的"籽晶"。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過MOCVD在(0001)藍(lán)寶石襯底上 生長(zhǎng)一個(gè)白光LED。使用三甲基鎵(TMG)、三甲基銦(TMIn)和氨(NH3) 作為前體進(jìn)行MOCVD。對(duì)于該白光LED，首先在25nm厚的GaN緩沖層 上生長(zhǎng)2/xm厚的未摻雜的大塊(bulk)GaN。對(duì)于GaN緩沖層和高溫GaN 層，生長(zhǎng)溫度分別為500。C至560。C和1000。C至1100。C。在GaN層的生 長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)溫度被降低到約700。C(650。C至750。C的范圍內(nèi))，用于沉 積GaN或InGaN阻擋層和InGaN阱。InGaN阻擋層中的銦組成小于阱中 的銦組成。在GaN或InGaN阻擋層的生長(zhǎng)之后，以及在高銦含量阱的生 長(zhǎng)之前，TMIn短時(shí)流動(dòng)2至5秒，TMGa流動(dòng)切斷。該工藝被稱為銦猝生。 這種猝生將產(chǎn)生具有變化尺寸和銦組成的用于生長(zhǎng)InGaNQD的籽晶。 對(duì)于在每層中形成籽晶，猝生持續(xù)時(shí)間可以變化。阱厚度為約3nm。 GaN阻擋層的生長(zhǎng)、銦猝生和InGaN阱被重復(fù)四次。
銦猝生可以進(jìn)行任意合適的時(shí)間，從0.5秒至1分鐘或更長(zhǎng)。然而， 對(duì)于銦猝生時(shí)間優(yōu)選2至5秒。在銦猝生過程中，有機(jī)金屬銦化合物的 優(yōu)選流速小于100umol/分鐘(微摩爾/分鐘)。阱厚度可以是約0.5-10nm、 優(yōu)選2-4nm和最優(yōu)選約3nm。
然后，在lnxGa^N/GaNMQW的四個(gè)周期的頂上生長(zhǎng)高溫Mg摻雜 的GaN層。對(duì)于GaN和InGaN的生長(zhǎng)，載體氣體分別是H2和N2。最后， 在p型半導(dǎo)體上形成第一電極，在Si摻雜的GaN層的部分上形成第二電 極。
不同的有機(jī)金屬材料可以用于摻雜本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。在例如圖l
中的層3或?qū)?中，可以使用雙環(huán)戊二烯基鎂(CP2Mg)制造Mg摻雜的 GaN。也可以使用二乙基鋅(DEZn)提供，例如，層8中的p摻雜。硅烷 也可以用作摻雜劑，例如，以在層3中形成Si摻雜的GaN。
優(yōu)選實(shí)施方案的實(shí)施例使用四個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)。然而，可以使用任 意合適數(shù)目的量子阱結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，可以使用1至60個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)。優(yōu) 選使用1至30個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，InxGaLxN量子阱層的厚度在0.5至20nm的范圍之內(nèi)， 優(yōu)選為l至10nm。 InyGa!-yN阻擋層的厚度可以在2至60nm的范圍之內(nèi)， 優(yōu)選為5至30nm。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，InxGa^N量子阱層具有 大于InyGaLyN阻擋層的組成，以便l〉x〉y〉0或y-0。 InxGa^N量子阱層 的組成也優(yōu)選大于0.3(xX).3)。 InxGa^N量子阱層優(yōu)選是Zn摻雜的。 IrixGa^N量子阱層中同時(shí)的Si摻雜是更優(yōu)選的。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案形成的白光LED的電致發(fā) 光光譜。圖3示出了420nm至750nm的發(fā)射波長(zhǎng)范圍，其覆蓋藍(lán)色、綠 色和紅色的基色。結(jié)果，二極管產(chǎn)生白光。
亦即，通過調(diào)整銦猝生參數(shù)如In前體的量、猝生持續(xù)時(shí)間和溫度， 本發(fā)明的二極管可以發(fā)射約420nm至750nm范圍的白光。較高的量子阱 的In組成和層中的Zn和Si摻雜顯著地增強(qiáng)發(fā)射，特別是紅色光譜范圍。 阱層中的In組成、Zn濃度和Si濃度的控制分別可以通過調(diào)整In前體(如 TMIn)、 Zn前體(如DEZn)和Si前體(如硅垸)的分壓來進(jìn)行。這些生長(zhǎng)參 數(shù)調(diào)整的結(jié)合允許發(fā)射的寬范圍顏色指數(shù)控制以及發(fā)射的功率控制。 白光LED本身發(fā)射白光，并且不需要結(jié)合單獨(dú)的LED，或者作為選擇， 不需要使用白光發(fā)光熒光材料。本發(fā)明的LED因此是更便宜的，更方便 制造，更穩(wěn)定和具有更長(zhǎng)壽命。結(jié)果，本發(fā)明提供優(yōu)于常規(guī)技術(shù)發(fā)光器件的清楚的優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)技 術(shù)發(fā)光器件具有單個(gè)發(fā)射中心使得僅通過結(jié)合幾個(gè)器件或通過用熒光 粉的顏色轉(zhuǎn)換才能獲得白光。相反，本發(fā)明利用不同尺寸的QD得到結(jié) 合在一個(gè)芯片上的不同顏色的光，而得到白光。因此本發(fā)明提供緊湊、 高效、亮度和低成本。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的條 件下，在使用本發(fā)明的雙光單元的液晶顯示器件中，顯然可以進(jìn)行各 種限制和改變。因此，本發(fā)明意在覆蓋本發(fā)明的限制和改變，只要它 們落在所附的權(quán)利要求書及它們的等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種白光發(fā)光二極管，包括n型半導(dǎo)體層；一個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)包括InxGa1-xN量子阱層和InyGa1-yN阻擋層，其中x＞0.3或x＝0.3，以及該量子阱結(jié)構(gòu)包含InzGa1-zN量子點(diǎn)，其中x＜y＜z≤1，該量子阱結(jié)構(gòu)形成在n型半導(dǎo)體層上方；在該量子阱結(jié)構(gòu)上方形成的p型半導(dǎo)體層；在該p型半導(dǎo)體上方形成的第一電極；以及在該n型半導(dǎo)體層的第二部分的至少部分表面上方形成的第二電極。
2. —種白光發(fā)光二極管，包括 n型半導(dǎo)體層；一個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)包括InxGa1-xN量子阱層和InyGa1-yN 阻擋層，其中x〉y，該量子阱結(jié)構(gòu)包含InzGa1-zN量子點(diǎn)，其中x〈z≤d，該 阱層InxGa1-xN包含p型摻雜劑，以及該量子阱結(jié)構(gòu)形成在n型半導(dǎo)體層上 方；在該量子阱結(jié)構(gòu)上方形成的p型半導(dǎo)體層； 在該p型半導(dǎo)體上方形成的第一電極；以及 在該n型半導(dǎo)體層的至少部分表面上方形成的第二電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的二極管，其中該InxGa1-xN量子阱層既包含p型 摻雜劑又包含n型摻雜劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的二極管，其中該InxGa1-xN量子阱層包含p型摻 雜劑，并且x>0.3或x=0.3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的二極管，其中該InxGa1-xN量子阱層既包含p型 摻雜劑又包含n型慘雜劑，并且x>0.3或x=0.3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的二極管，其中該量子阱結(jié)構(gòu)具有420nm至 750nm的連續(xù)發(fā)射光譜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l、權(quán)利要求2和權(quán)利要求6中任一項(xiàng)的二極管， 其中該量子點(diǎn)是通過下列步驟形成的首先以第一流速和第一時(shí)間流 動(dòng)TMIn、 TEIn或EDMIn中的至少一種以形成核，然后以第二流速流動(dòng) TMIn、 TEIn或EDMIn中的至少一種以及TMG和氨，以使該核生長(zhǎng)并覆 蓋在量子阱層中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的二極管，其中該量子阱結(jié)構(gòu)的數(shù)目為約1至30。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的二極管，其中，該Ii^Ga"N量子阱層的厚度為 約l至10nm，以及該InyGai.yN量子阻擋層的厚度為約5至30nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的二極管，其中l(wèi)h〉yX)或y^。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7的二極管，其中該n型半導(dǎo)體層形成在襯底上， 以及該襯底由藍(lán)寶石、SiC、 GaN和ZnO中的一種制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7的二極管，其中在該量子阱層的生長(zhǎng)過程中， 雙環(huán)戊二烯基鎂、二乙基鋅和硅烷中的至少一種被用作摻雜劑。
13. —種發(fā)射白光的量子阱結(jié)構(gòu)，其包括 InxGa^N量子阱層；嵌在該InxGa^N量子阱層中的富銦的InGaN量子點(diǎn)，其中x>0.3;以及在該量子點(diǎn)和該量子阱層上方的InyGai-yN量子阻擋層。
14. 一種發(fā)射白光的量子阱結(jié)構(gòu)，其包括摻有p型摻雜劑的InxGa^N量子阱層； 嵌在該InxGa^N量子阱層中的富銦的InGaN量子點(diǎn)；以及 在該量子點(diǎn)和該量子阱層上方的InyGaLyN量子阻擋層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的量子阱結(jié)構(gòu)，其中該InGaN量子阱層包含n型慘雜劑。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13的量子阱結(jié)構(gòu)，其中該InGaN量子阱層包含p型摻雜劑。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的量子阱結(jié)構(gòu)，其中該InGaN量子阱層既包含 p型摻雜劑又包含n型摻雜劑。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14中任一項(xiàng)的量子阱結(jié)構(gòu)，其中 該量子阱結(jié)構(gòu)被提供用以發(fā)射420nm至750nm的光，以及該光具有 420nm至750nm的連續(xù)發(fā)射光譜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14中任一項(xiàng)的量子阱結(jié)構(gòu)，其中 該量子點(diǎn)是通過下列步驟形成的首先以第一流速和第一時(shí)間流動(dòng) TMIn、 TEIn或EDMIn中的至少一種以形成核，然后以第二流速流動(dòng) TMIn、 TEIn或EDMIn中的至少一種以及TMG和氨，以使該核生長(zhǎng)并覆 蓋在量子阱中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14中任一項(xiàng)的量子阱結(jié)構(gòu)，其中 該InxGaLxN量子阱層的厚度為約l至lOnm，以及該IiiyGaLyN量子阻擋層 的厚度為約5至30nm。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14中任一項(xiàng)的量子阱結(jié)構(gòu)，其中 1〉x〉yX)或y二0。
22.根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14中任一項(xiàng)的量子阱結(jié)構(gòu)，其 中在該量子阱層的生長(zhǎng)過程中，雙環(huán)戊二烯基鎂、二乙基鋅和硅烷中 的至少一種被用作摻雜劑。
全文摘要
一種白光發(fā)光二極管，包括n型半導(dǎo)體層，在該n型半導(dǎo)體層上方形成的一個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，在該量子阱結(jié)構(gòu)上形成的p型半導(dǎo)體層，在該p型半導(dǎo)體上形成的第一電極，以及在該n型半導(dǎo)體層的至少部分上形成的第二電極。每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)包括In_xGa_1-xN量子阱層、In_yGa_1-yN阻擋層(x＞0.3或x＝0.3)以及In_zGa_1-zN量子點(diǎn)，其中x＜y＜z≤1。
文檔編號(hào)H01L33/32GK101346827SQ20068004921
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者蔡樹仁, 振 陳, 鵬 陳, 高須賀英良 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局;住友電氣工業(yè)株式會(huì)社