專利名稱：表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管(LED)，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管由于其壽命長(大于10萬小時)，效率高(耗電僅為白熾燈的20％)，體積小，綠色環(huán)保等顯著的特點，被廣泛的應(yīng)用于信息指示，信息顯示和信息傳遞等方面，特別是在白光照明方面，顯示了巨大的市場潛力和應(yīng)用前景。
目前制備白光發(fā)光二極管的方法主要可以分為紅、綠、藍(RGB)多芯片組合白光技術(shù)，芯片上涂覆熒光粉合成白光技術(shù)，以及全固態(tài)發(fā)光。
紅、綠、藍(RGB)多芯片組合白光技術(shù)是分別利用紅、綠、藍三種單色發(fā)光二極管在平面上排列組合在一起成白光的發(fā)光二極管，其優(yōu)點是顯色指數(shù)高、壽命長，由于不需要熒光粉進行波長轉(zhuǎn)換，發(fā)光效率高，靈活性強，可通過改變?nèi)叩膹姸?，得到任意色溫的白光，而且可以使其色度點非常接近黑體輻射的軌跡。但其缺點也較多由于這種在平面上排列組合的白光發(fā)光二極管是由三只獨立的不同材料的發(fā)光二極管組成，各個發(fā)光二極管的光、電特性隨著電流、溫度和時間的變化而表現(xiàn)不同，因此需要復(fù)雜的控制和反饋電路進行動態(tài)控制，加上其光學(xué)方面的設(shè)計，其封裝難度較大，且成本很高，是普通白光發(fā)光二極管的數(shù)倍。
芯片上涂覆熒光粉的技術(shù)是目前白光發(fā)光二極管制備的主流技術(shù)，是指發(fā)光二極管芯片本身發(fā)出的光和表面熒光粉受激發(fā)所發(fā)出的光混合形成白光，其成本較低，色穩(wěn)定性較好，工藝重復(fù)性好。通過改變熒光粉的組分，其輻射光譜的波長還能夠在一定范圍內(nèi)變化，這意味著白光發(fā)光二極管的顏色可控制。這種白光發(fā)光二極管的價格幾乎與單一藍光發(fā)光二極管價格相同。但是由于受到熒光粉的轉(zhuǎn)換效率低和壽命短的限制，使得這種方法制備的發(fā)光二極管效率低，壽命短，不能夠充分體現(xiàn)半導(dǎo)體發(fā)光二極管壽命長的優(yōu)點。
由于上述兩種方法各自在技術(shù)上存在的問題，目前人們的一個主要目標就是實現(xiàn)完全由半導(dǎo)體材料實現(xiàn)白光照明，即全固態(tài)發(fā)光。目前全固態(tài)發(fā)光的方法是用GaN藍光發(fā)光二極管光激發(fā)通過鍵合的方法鍵合在GaN發(fā)光二極管襯底面的AlGaInP系發(fā)光材料發(fā)出的紅黃光混色而形成白光，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，從上至下包括p電極加厚電極1、p電極歐姆接觸層2、紅黃光有源區(qū)31，鍵合界面4、p型層6、藍光有源區(qū)32、n型層7、緩沖層8、襯底9以及n電極10和n電極加厚電極11；這種方法中使用了晶片鍵合的技術(shù)，這使得工藝復(fù)雜，成品率降低，同時由于鍵合界面的影響，降低器件的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過表面隧道結(jié)結(jié)構(gòu)提供一種工藝簡單、成品率高、發(fā)光效率提高而成本降低的白光發(fā)光二極管。
表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)從上至下包括p電極加厚電極1、p電極歐姆接觸層2、p型層6、有源區(qū)一301、n型層7、緩沖層8、襯底9、n電極10和n電極加厚電極11；其特征在于在p電極歐姆接觸層2與p型層6之間夾有一對反向隧道結(jié)5；在反向隧道結(jié)5上面是直接外延生長的有源區(qū)二302，兩個有源區(qū)301，302的材料組分滿足有源區(qū)二302發(fā)出的光與有源區(qū)一301發(fā)出的光以色度學(xué)的配色原理所要求的比例混合最終發(fā)射出白光。
隧道結(jié)5以及有源區(qū)二302的材料與有源區(qū)一301的材料可一次外延生長獲得，降低了工藝復(fù)雜度及成本，形成在縱向上集成為一體的結(jié)構(gòu)，而無需復(fù)雜的控制反饋電路或者效率和壽命都存在限制的熒光粉，與其他全固態(tài)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中電流直接流經(jīng)兩個發(fā)光區(qū)，不需要引入鍵合技術(shù)，而是通過外延生長直接形成縱向上集成的兩個發(fā)光區(qū)。隧道結(jié)5為一反向隧道結(jié)，使得從表面有源區(qū)二302注入的空穴和n型層7注入的電子在有源區(qū)一301的多量子阱結(jié)構(gòu)中復(fù)合發(fā)出一種顏色的光，該光傳播到表面有源區(qū)二302時，部分被吸收而發(fā)射出另外一種與其匹配形成白光的光。
有源區(qū)二302可為體材料，也可為多量子阱結(jié)構(gòu)，其中多量子阱結(jié)構(gòu)可提高載流子的復(fù)合率。
反向隧道結(jié)5可以為同質(zhì)結(jié)，也可以為異質(zhì)結(jié)。
本發(fā)明提出的圖4所示的結(jié)構(gòu)為一個基本的特征結(jié)構(gòu)，可以在其基礎(chǔ)上適當調(diào)整結(jié)構(gòu)，以增加器件的發(fā)光性能。
這種調(diào)整結(jié)構(gòu)后的表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)從上至下包括p電極加厚電極1、p電極歐姆接觸層2、p型層6、有源區(qū)一301、n型層7、緩沖層8、襯底9和n電極10和n電極加厚電極11；其特征在于在p電極歐姆接觸層2與p型層6之間結(jié)構(gòu)為位于上層的隧道結(jié)5上面直接生長的有源區(qū)四304；在上層的隧道結(jié)5下面從上至下依次為p型層6、有源區(qū)三303、n型層7，下層隧道結(jié)5；其中有源區(qū)三303、有源區(qū)四304與有源區(qū)一301為可通過一次外延生長的材料，該三個有源區(qū)材料的組分調(diào)整滿足使其發(fā)出的光以色度學(xué)的配色原理所要求的比例混合最終發(fā)射出白光。
有源區(qū)一301、有源區(qū)三303、有源區(qū)四304，與上下兩對隧道結(jié)結(jié)合，使得電流直接流經(jīng)三個有源區(qū)使其發(fā)光，從而根據(jù)色度學(xué)配色理論的比例混色形成白光，這樣較之兩個有源區(qū)的白光發(fā)光二極管顯色指數(shù)可提高20-35％。
有源區(qū)四304可為體材料，也可為多量子阱結(jié)構(gòu)，其中多量子阱結(jié)構(gòu)可提高載流子的復(fù)合率。
反向隧道結(jié)5可以為同質(zhì)結(jié)，也可以為異質(zhì)結(jié)。
上述兩種結(jié)構(gòu)其本質(zhì)上均為通過反向隧道結(jié)5使電流順序流過一次外延生長的各有源區(qū)使其發(fā)光，各有源區(qū)發(fā)出的光均滿足白光配色原理對光源要求的白光發(fā)光二極管。


圖1傳統(tǒng)全固態(tài)發(fā)光白光二極管(一)結(jié)構(gòu)示意中1、p電極加厚電極，2、p電極歐姆接觸層，31、紅黃光有源區(qū)，32、藍光有源區(qū)，4、鍵合界面，6、p型層，7、n型層，8、緩沖層，9、襯底，10、n電極，11、n電極加厚電極；圖2本發(fā)明白光發(fā)光二極管的層結(jié)構(gòu)示意圖一圖中1、p電極加厚電極，2、p電極歐姆接觸層，301、有源區(qū)一，302、有源區(qū)二，5、隧道結(jié)，6、p型層，7、n型層，8、緩沖層，9、襯底，10、n電極，11、n電極加厚電極圖3本發(fā)明白光發(fā)光二極管的層結(jié)構(gòu)示意圖二圖中1、p電極加厚電極，2、p電極歐姆接觸層，301、有源區(qū)一，303、有源區(qū)三，304、有源區(qū)四，5、隧道結(jié)，6、p型層，7、n型層，8、緩沖層，9、襯底，10、n電極，11、n電極加厚電極；圖4本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
隨著生長技術(shù)的不斷進步，InN的晶格不斷完整，使得目前InN直接帶隙材料的禁帶寬度可達到0.9eV，根據(jù)λ=1.24Eg(μm),]]>InN材料對應(yīng)的波長為1.38μm，屬紅外波段，而直接帶隙材料GaN的禁帶寬度為3.49eV，對應(yīng)的波長為0.355μm，因此，合金材料InxGa1-xN通過改變In和Ga的相對組分，可獲得整個可見光光譜范圍的發(fā)光。根據(jù)色度學(xué)原理，可以使用黃色光和藍色光來實現(xiàn)白色光；或者可以通過紅色、綠色、藍色光來實現(xiàn)白光。因此，可利用不同x值的InxGa1-xN和GaN量子阱結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明中的紅色、藍色、黃色和綠色有源區(qū)。
1、反向隧道結(jié)5可采用InGaN/GaN或InGaN/InGaN隧道結(jié)，摻雜濃度約為1019cm-3，厚度均為15nm。
2、加厚電極1和11的金屬為Ti/Au膜系組合，也可是其他金屬組合如Ti/Al/Ti/Au。Ti膜作為和N電極10Al膜的連接層，厚度為100-400，較佳厚度為200。Au膜的厚度為3000-10000。Al膜的厚度為為2000-5000。
3、N電極10為Ti/Al金屬膜系組合。Ti膜作為N型層7與Al膜的連接層，厚度為100-400。Al膜的厚度為2000-5000。
4、p電極歐姆接觸層2可以是金屬Ni/Au，也可以是其他金屬組合或者為透明導(dǎo)電膜如銦錫氧化物ITO膜等。Ni/Au金屬或其他金屬組合構(gòu)成的透明導(dǎo)電層的總厚度為50-200；透明導(dǎo)電膜厚度為1000-4000。
5、襯底9可以是藍寶石，SiC，或者ZnO。
6、N型半導(dǎo)體7是N型GaN，P型半導(dǎo)體6是P型GaN。
實施例1如圖4所示，其制備過程和方法如下1、用普通金屬有機化學(xué)汽相淀積(MOCVD)方法在藍寶石襯底9上依次外延生長緩沖層8、n-GaN層7、有源區(qū)一301為InGaN/GaN量子阱、p-GaN層6、p+-InGaN/n+-InGaN隧道結(jié)5、有源區(qū)二302為InGaN材料；2、采用卡爾休斯(Karl Suss)光刻機，光刻出掩膜圖形，用于干法刻蝕；3、采用牛津(Oxford)ICP-100將樣品刻蝕出臺面結(jié)構(gòu)至n-GaN層7處，刻蝕氣體為氯氣和氬氣，刻蝕時間4.25分鐘，刻蝕深度為250納米；4、光刻，獲得上、下歐姆接觸電極的形狀；5、采用蒸發(fā)或濺射的方法，制備出p型歐姆接觸層2Ni/Au(50/50)、n電極10Ti/Al(200/2000)以及p電極加厚電極1和n電極加厚電極11Ti/Au(200/3000)；6、合金，氮氣保護，800℃，40秒；實施例2如圖5所示，其制備過程和方法如下1、普通金屬有機化學(xué)汽相淀積(MOCVD)方法在藍寶石襯底9上依次外延生長緩沖層8、n-GaN層7、有源區(qū)一301為InGaN/GaN量子阱、p-GaN層6、p+-InGaN/n+-GaN隧道結(jié)5、n-GaN層7、有源區(qū)三303為InGaN/GaN量子阱、p-GaN層6；p+-InGaN/n+-InGaN隧道結(jié)5、有源區(qū)四為InGaN材料；2、采用卡爾休斯(Karl Suss)光刻機，光刻出掩膜圖形，用于干法刻蝕；3、采用牛津(Oxford)ICP-100將樣品刻蝕出臺面結(jié)構(gòu)至最下層n-GaN層7處，刻蝕氣體為氯氣和氬氣，刻蝕時間46分鐘，刻蝕深度為27650納米；4、光刻，獲得上、下歐姆接觸電極的形狀；5、采用蒸發(fā)或濺射的方法，制備出p型歐姆接觸層2Ni/Au(50/50)、n電極10Ti/Al(200/2000)以及p電極加厚電極1和n電極加厚電極11Ti/Au(200/3000)；6、合金，氮氣保護，800℃，40秒；實施例2電流直接流經(jīng)三個有源區(qū)使其發(fā)光，從而根據(jù)色度學(xué)配色理論的比例混色形成白光，這樣較之兩個有源區(qū)的白光發(fā)光二極管實施例1顯色指數(shù)可提高20-35％。
權(quán)利要求
1.表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)從上至下包括p電極加厚電極(1)、p電極歐姆接觸層(2)、p型層(6)、有源區(qū)一(301)、n型層(7)、緩沖層(8)、襯底(9)、n電極(10)和n電極加厚電極(11)；其特征在于在p電極歐姆接觸層(2)與p型層(6)之間夾有一對反向隧道結(jié)(5)；在反向隧道結(jié)(5)上面是直接外延生長的有源區(qū)二(302)，兩個有源區(qū)(301)，(302)的材料組分滿足有源區(qū)二(302)發(fā)出的光與有源區(qū)一(301)發(fā)出的光以色度學(xué)的配色原理所要求的比例混合最終發(fā)射出白光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于，有源區(qū)二(302)可為體材料，也可為多量子阱結(jié)構(gòu)。
3.表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)從上至下包括p電極加厚電極(1)、p電極歐姆接觸層(2)、p型層(6)、有源區(qū)一(301)、n型層(7)、緩沖層(8)、襯底(9)和n電極(10)和n電極加厚電極(11)；其特征在于在p電極歐姆接觸層(2)與p型層(6)之間結(jié)構(gòu)為位于上層的隧道結(jié)(5)上面直接生長的有源區(qū)四(304)；在上層的隧道結(jié)(5)下面從上至下依次為p型層(6)、有源區(qū)三(303)、n型層(7)、下層隧道結(jié)(5)；其中有源區(qū)三(303)、有源區(qū)四(304)與有源區(qū)一(301)為可通過一次外延生長的材料，該三個有源區(qū)材料的組分調(diào)整滿足使其發(fā)出的光以色度學(xué)的配色原理所要求的比例混合最終發(fā)射出白光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于，有源區(qū)四(304)可為體材料，也可為多量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的表面為隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于，反向隧道結(jié)(5)可以為同質(zhì)結(jié)，也可以為異質(zhì)結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有二極管或封裝難度大且成本高，或工藝復(fù)雜，成品率低。本發(fā)明結(jié)構(gòu)p電極加厚電極(1)、p電極歐姆接觸層(2)、p型層(6)、有源區(qū)一(301)、n型層(7)、緩沖層(8)、襯底(9)、n電極(10)和n電極加厚電極(11)；其特征在于在p電極歐姆接觸層(2)與p型層(6)間夾一反向隧道結(jié)(5)；在反向隧道結(jié)(5)上是直接外延生長的有源區(qū)二(302)，兩有源區(qū)材料組分滿足有源區(qū)二(302)發(fā)出的光與有源區(qū)一(301)發(fā)出的光以色度學(xué)配色原理所要求比例混合最終發(fā)出白光。本發(fā)明可適當調(diào)整結(jié)構(gòu)以增加器件的發(fā)光性能。本發(fā)明提供了工藝簡單、成品率高、發(fā)光效率提高而成本降低的白光發(fā)光二極管。
文檔編號H01L33/00GK1822404SQ20061000106
公開日2006年8月23日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者郭霞, 郭晶, 沈光地, 董立閔, 劉瑩, 鄧軍 申請人:北京工業(yè)大學(xué)