專利名稱：通過應(yīng)力調(diào)節(jié)led發(fā)光波長的方法及相應(yīng)的白光led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(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，尤其涉 及單芯片發(fā)光二極管(LED)器件發(fā)光波長的調(diào)節(jié)方法，以及一種單芯片白光LED。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)乃至國際上實(shí)現(xiàn)白光LED的主流方法仍然是以下三種。其中之一是采用 GaN基的藍(lán)光、綠光和GaAs基紅光LED構(gòu)成三基色完備發(fā)光體系。把這三種顏色的LED 按一定的比例封裝在一起就可以得到用于照明用途的白光。這種方法封裝的每一個(gè)芯片都 需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，因此控制電路相對復(fù)雜，成本高。另外一種，也是最為常見的是GaN 基藍(lán)光LED利用熒光粉轉(zhuǎn)換方法。這種方法是在高亮度GaN基藍(lán)光LED的表面均勻涂抹 熒光粉和透明樹脂，LED輻射出峰值為470nm左右的藍(lán)光，而部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出峰 值為570nm左右的黃綠光，與另一部分透射出來的藍(lán)光通過微透鏡聚焦組成白光。這種方 法由于熒光粉長時(shí)間處于LED光直射的高溫狀態(tài)引起性能退化，使白光LED的效率下降 和光譜改變。類似于藍(lán)光激發(fā)熒光粉的方法，有人提出了用GaN基紫外光LED輻射的紫 外光去激發(fā)熒光粉得到白光的方法。這種方法存在的主要問題是由于低摻雜效率和低量子 效率，高性能的紫外光LED是很難得到的，另外熒光粉以及抗紫外光退化的封裝材料都有 待深一步研究。
如中國專利說明書CN2681354Y，中國專利申請公開說明書CN1618925A等公開的方 法，都屬于利用上述三種途徑制備白光LED的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過器件制備過程中的工藝手段調(diào)節(jié)LED芯片發(fā)光波長 的方法，并通過此種方法獲得單芯片多波長LED和單芯片多波長白光LED器件。
本發(fā)明調(diào)節(jié)LED發(fā)光波長的方法是，在器件的生長過程中，在緩沖層之上先生長第一 n型歐姆接觸層，再在其上沉積一層Si02薄膜作為掩膜，在掩膜上開出具有一定幾何形狀 和尺寸的生長窗口，然后在生長窗口處繼續(xù)生長第二n型歐姆接觸層、有源層和p型歐姆 接觸層，從而使有源層發(fā)出的光的波長改變。
上述方法中，優(yōu)選Si02薄膜的厚度為100-300nm，利用光刻和腐蝕的方法在Si02掩膜上開出具有如正方形、六邊形和圓形等不同幾何形狀、尺寸的生長窗口。
不同形狀和尺寸的生長窗口對二次外延器件內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)節(jié)可以使同一種生長工藝 條件下制備的器件發(fā)出不同波段的輻射光，例如對于有源層為藍(lán)光多量子阱(MQW)
的GaN基LED器件，通過邊長為lmm的正方形、邊長為180pm的正六邊形、直徑為350|mi 的圓形和邊長為350pm的正方形的生長窗口，分別可發(fā)出紫光、黃綠光、藍(lán)紫光和藍(lán)光。 其中，第一和第二 n型歐姆接觸層均為厚度1000-2000nm的n型GaN;有源層為周期數(shù) 為1 10的藍(lán)光多量子阱，每個(gè)周期中阱的厚度為lnm 10nm，壘的厚度為5nm 20nm; p型歐姆接觸層為厚度100nm 300nm的p型GaN。
基于上述通過應(yīng)力調(diào)節(jié)LED發(fā)光波長的方法，本發(fā)明提出了一種單芯片白光LED， 具體技術(shù)方案如下
一種單芯片白光LED，包括第一n型歐姆接觸層、Si02薄膜、第二n型歐姆接觸層、 有源層和p型歐姆接觸層，所述Si02薄膜位于第一n型歐姆接觸層上，以該Si02薄膜為 掩膜，在掩膜上開有兩種或兩種以上的不同幾何形狀、尺寸和數(shù)量的生長窗口，第二n型 歐姆接觸層、有源層和p型歐姆接觸層依次層疊于生長窗口處，經(jīng)不同生長窗口的應(yīng)力調(diào) 節(jié)發(fā)出兩種或兩種以上不同波段的輻射光，通過預(yù)先設(shè)定不同生長窗口的幾何形狀、尺寸 和數(shù)量，使這兩種或兩種以上的不同波段的光混合后得到白光。
以一種藍(lán)光有源層的GaN基白光LED為例，其第一 n型歐姆接觸層為n型GaN，厚 度1000-2000nm; Si02薄膜的厚度為100-300nm;將&02薄膜分為兩個(gè)區(qū)域，利用光刻和 腐蝕的方法在不同區(qū)域上分別開出邊長為lmm的正方形和邊長為180|am的六邊形的生長 窗口，正方形和六邊形生長窗口的數(shù)量比例為1 : 4;第二 n型歐姆接觸層為n型GaN,厚 度1000-2000nm;有源層為周期數(shù)為1 10的藍(lán)光多量子阱(MQW)，每個(gè)周期中阱的厚 度為lnm 10nm，壘的厚度為5nm 20nm; p型歐姆接觸層為p型GaN,厚度100nm 300nm。上述結(jié)構(gòu)的LED的不同區(qū)域受到不同形狀生長窗口對二次外延器件內(nèi)部應(yīng)力的調(diào) 節(jié)，發(fā)出紫色和黃綠色兩種波段的輻射光，這兩種光混合后得到白光。
上述第一和第二 n型歐姆接觸層可為摻雜Si的GaN層，其中Si的摻雜濃度為"1018 cm-3 lxl019cm-3。
上述p型歐姆接觸層可為摻雜Mg的GaN層，其中Mg的摻雜濃度為lxl019cm-3。 本發(fā)明通過不同形狀、尺寸生長窗口對二次外延器件內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)節(jié)，使同一種生長
5工藝條件下制備的器件發(fā)出不同波段的輻射光。采用這一特殊方法在LED器件的不同區(qū)域 根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)開設(shè)不同形狀、尺寸和數(shù)量的生長窗口，就可以從一個(gè)器件發(fā)出不同波段的 輻射光，而這些不同波段的輻射光混合后得到白光。本發(fā)明的LED器件只需單一芯片即可 發(fā)出白色光，而且器件的制備方法簡便，電路簡單，無需熒光粉，受命長，具有較高光的 電轉(zhuǎn)化效率，是一種理想的替代現(xiàn)有的白熾燈和熒光燈等照明光源的新產(chǎn)品。


圖1是本發(fā)明的通過生長窗口應(yīng)力調(diào)節(jié)發(fā)光波長的GaN基LED的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中生長窗口的基本單元圖形。 圖3是本發(fā)明實(shí)施例二中生長窗口的基本單元圖形。 圖4是本發(fā)明實(shí)施例三中生長窗口的基本單元圖形。 圖5是本發(fā)明實(shí)施例四中生長窗口的基本單元圖形。
圖6是本發(fā)明的通過生長窗口應(yīng)力調(diào)節(jié)發(fā)光波長的LED器件的電致熒光光譜圖，其 中a)、 b)、 c)、 d)分別對應(yīng)實(shí)施例一、二、三、四所制備的LED。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例五通過應(yīng)力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)單芯片白光LED的生長窗口的基本單元圖形。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例一
本發(fā)明的GaN基LED器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在藍(lán)寶石襯底1之上依次是GaN成核 層2、非摻GaN層3、第一n型GaN層4和Si02掩膜5，在掩膜5上開有生長窗口，在 生長窗口處再繼續(xù)依次生長有第二 n型GaN層6、藍(lán)光有源層7和p型GaN層8。通過生 長窗口的應(yīng)力調(diào)節(jié)，可使該LED發(fā)射紫光，具體制備過程如下
1. 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1100'C 115(TC下高溫烘烤襯底5 15分鐘，降溫至450°C 550°C, 并以三甲基鎵和氨氣為源低溫生長25nrn厚的GaN成核層2，然后升溫到1050。C生長 2000nm厚的非摻GaN層3;
2. 在步驟1的基礎(chǔ)上，再向反應(yīng)室通入硅垸(SiH4)，以每小時(shí)1800nm的生長速度生長 摻雜濃度為1X 1019cm'3的n型GaN層4，厚度為lOOOnm;3. 將生長完第1、2兩步的樣品置入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，進(jìn)行Si02 掩膜5的生長，掩膜厚度約為250nm;
4. 在步驟3生長的SiCh掩膜5上光刻出生長窗口 ，生長窗口的基本單元圖形如圖2所示， 正方形的邊長為lmm，相鄰正方形之間的距離為0.05mm，重復(fù)光刻此基本單元，直 至整個(gè)樣品表面布滿生長窗口，然后用氫氟酸水=1 : 10 (體積)的混合溶液腐蝕掉 暴露的Si02薄膜，得到光刻的圖形；
5. 將樣品放入MOCVD反應(yīng)室中進(jìn)行第二次生長摻雜濃度為1 X 1(Tcn^的n型GaN層6， 生長條件和步驟2相同，厚度為1000nm;
6. 生長InxGa卜xN/GaN多量子阱作為藍(lán)光有源層7，周期數(shù)為1 10,每個(gè)周期中阱的厚 度可為lnm 10nm，壘的厚度可為5nm 20nm;
7. 生長摻雜濃度為1X 1019Cm—3的Mg摻雜p型GaN層8，厚度為200nm。
由以上實(shí)施步驟生長得到的LED器件樣品在室溫下電注入測量電致熒光光譜，CETC ST-103A型手動(dòng)電學(xué)探針臺對樣品進(jìn)行電注入，光譜信號采集設(shè)備為Ocean Optics S2000 型光纖光譜儀，光譜儀的積分時(shí)間為50ms，樣品器件的電致熒光光譜圖如圖6(a)所示，發(fā) 出紫色熒光。。
實(shí)施例二
制備步驟同實(shí)施例一，其中在步驟4中生長窗口的基本單元圖形為如圖3所示，生長 窗口為邊長180pm的正六邊形，相鄰正六邊形之間的最短距離為0.05mm。所得樣品的電 致熒光光譜圖如圖6b)所示(測量條件同實(shí)施例一)，發(fā)出黃綠色熒光
實(shí)施例三
制備步驟同實(shí)施例一，其中在步驟4中生長窗口的基本單元圖形為如圖4所示，生 長窗口為直徑35(Him圓形，相鄰圓形之間的最短距離為0.05mm。所得樣品的電致熒光 光譜圖如圖6c)所示(測量條件同實(shí)施例一)，發(fā)出藍(lán)紫色熒光
實(shí)施例四
制備步驟同實(shí)施例一，其中在步驟4中生長窗口的基本單元圖形為如圖5所示，生 長窗口為邊長350iam的正方形，相鄰正方形之間的距離為0.05mm。所得樣品的電致熒 光光譜圖如圖6d)所示(測量條件同實(shí)施例一)，發(fā)出藍(lán)色熒光實(shí)施例五
一種單芯片白光LED的具體制備過程如下
1. 用普通的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底采用(0001)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低溫生長25nm厚的GaN成核層，然后升溫到1050°C 生長2000nrn厚的非摻GaN;
2. 在步驟1的基礎(chǔ)上，再向反應(yīng)室通入硅垸(SiH4)，以每小時(shí)1800nm的生長速度生長 摻雜濃度為1X 1019cm'3的n型摻雜GaN，厚度為1000nm;
3. 將生長完第1、2兩步的樣品置入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，進(jìn)行Si02 掩膜的生長，SiO2掩膜厚度約為250nm;
4. 在步驟3生長的Si02掩膜光刻出生長窗口，生長窗口的基本單元圖形如圖7所示，可 分為兩個(gè)區(qū)域， 一邊是一個(gè)邊長為lmm正方形，另一邊是四個(gè)邊長為180pm的六邊 形，排列方式見圖7;用氫氟酸水=1 : 10 (體積)的混合溶液腐蝕掉暴露的Si02薄 膜，得到光刻的圖形；
5. 將前面得到的樣品放入MOCVD反應(yīng)室中進(jìn)行第二次生長，生長條件和步驟2相同， 厚度為1000nm;
6. 生長InxGa卜xN/GaN多量子阱作為藍(lán)光有源層7，周期數(shù)為1 10，每個(gè)周期中阱的厚 度可為lnm 10nm，壘的厚度可為5nm 20nm;
7. 摻雜濃度為1X 1019cm-3的Mg摻雜p型GaN層，厚度為200nm。 樣品的不同區(qū)域受到不同形狀生長窗口對二次外延器件內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)節(jié)，使同一種生
長工藝條件下制備的器件發(fā)出紫色和黃綠色兩種波段的輻射光，兩種光混合后得到白光。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)節(jié)發(fā)光二極管發(fā)光波長的方法，在發(fā)光二極管的生長過程中，在緩沖層之上先生長第一n型歐姆接觸層，再在其上沉積一層SiO2薄膜作為掩膜，在掩膜上開出具有一定幾何形狀和尺寸的生長窗口，然后在生長窗口處繼續(xù)生長第二n型歐姆接觸層、有源層和p型歐姆接觸層，從而使有源層發(fā)出的光的波長改變。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述Si02薄膜的厚度為100-300nm。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于用光刻和腐蝕的方法在Si02薄膜上開出生長 窗口。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述生長窗口為正方形、圓形或正六邊形。
5. 如權(quán)利要求1 4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述發(fā)光二極管為GaN基 發(fā)光二極管，第一和第二 n型歐姆接觸層均為厚度1000-2000nm的n型GaN;有源層 為周期數(shù)為1 10的藍(lán)光多量子阱，每個(gè)周期中阱的厚度為lnm 10nm，壘的厚度為 5nm 20nm; p型歐姆接觸層為厚度100nm 300nm的p型GaN。
6. —種單芯片白光發(fā)光二極管，包括第一n型歐姆接觸層、Si02薄膜、第二n型歐姆接 觸層、有源層和p型歐姆接觸層，所述Si02薄膜位于第一 n型歐姆接觸層上，以該Si02 薄膜為掩膜，在掩膜上開有兩種或兩種以上的不同幾何形狀、尺寸和數(shù)量的生長窗口， 第二n型歐姆接觸層、有源層和p型歐姆接觸層依次層疊于生長窗口處，經(jīng)不同生長 窗口的應(yīng)力調(diào)節(jié)發(fā)出兩種或兩種以上不同波段的輻射光，通過預(yù)先設(shè)定不同生長窗口 的幾何形狀、尺寸和數(shù)量，使這兩種或兩種以上的不同波段的光混合后得到白光。
7. 如權(quán)利要求6所述的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于所述Si02薄膜的厚度為 100-300nm。
8. 如權(quán)利要求7所述的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于所述發(fā)光二極管為GaN基 發(fā)光二極管；所述Si02薄膜分為兩個(gè)區(qū)域，分別開有邊長為lmm的正方形和邊長為 180pm的六邊形的生長窗口，正方形和六邊形生長窗口的數(shù)量比例為1 :4;所述有源 層為藍(lán)光多量子阱。
9. 如權(quán)利要求8所述的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于所述第一和第二n型歐姆 接觸層均為厚度1000-2000nm的n型GaN;所述有源層為周期數(shù)為1 10的藍(lán)光多量 子阱，每個(gè)周期中阱的厚度為lnm 10nm，壘的厚度為5nm 20nm;所述p型歐姆接 觸層為厚度100nm 300nm的p型GaN。
10. 如權(quán)利要求9所述的單芯片白光發(fā)光二極管，其特征在于所述第一和第二n型歐姆 接觸層為摻雜Si的GaN層，其中Si的摻雜濃度為lxl018cnT3 lxl019cm'3; p型歐姆接觸層為摻雜Mg的GaN層，其中Mg的摻雜濃度為lxl019cm—3。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)LED發(fā)光波長的方法，是在緩沖層上先生長第一n型歐姆接觸層，再沉積一層SiO₂薄膜作為掩膜，在掩膜上開出具有一定幾何形狀和尺寸的生長窗口，然后在生長窗口處繼續(xù)生長第二n型歐姆接觸層、有源層和p型歐姆接觸層。不同形狀和尺寸的生長窗口對二次外延器件內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)節(jié)可以使同一種生長工藝條件下制備的器件發(fā)出不同波段的輻射光。采用這一特殊方法可制備白光LED，即在掩膜的不同區(qū)域根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)開設(shè)不同形狀、尺寸和數(shù)量的生長窗口，可從一個(gè)器件發(fā)出不同波段的輻射光，它們混合后得到白光。該LED器件只需單一芯片即可發(fā)出白色光，而且制備簡便，電路簡單，無需熒光粉，受命長，具有較高光的電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號H01L33/00GK101582473SQ20081010641
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者張國義, 浩 方, 丁 李, 楊志堅(jiān), 桑立雯, 陶岳彬 申請人:北京大學(xué)