專(zhuān)利名稱(chēng)：藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)白光發(fā)光二極管及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指氮化物藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管及制作方法。
背景技術(shù)：
化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)作為固體光源起源于20世紀(jì)60年代。1992年，第一只GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管問(wèn)世；1994年，GaN基藍(lán)色LED進(jìn)入實(shí)用化階段。GaN基藍(lán)、綠光LED產(chǎn)品是大屏幕全色顯示不可缺少的關(guān)鍵器件，它們的出現(xiàn)從根本上解決了發(fā)光二極管三基色缺色的問(wèn)題。LED具有體積小、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。高亮度GaN基發(fā)光二極管在大屏幕顯示、車(chē)輛及交通、LCD背光源、燈光裝飾方面都有著巨大的應(yīng)用潛力。在豐富了色彩的同時(shí)，高亮度GaN基發(fā)光二極管最誘人的發(fā)展前景是其有可能用作普通的白光照明。半導(dǎo)體照明一旦實(shí)現(xiàn)，其意義不亞于愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈。但是目前GaN基LED取代常規(guī)照明還存在功率低和價(jià)格高兩大障礙，提高LED功率和降低LED生產(chǎn)成本已成為當(dāng)前的首要任務(wù)。
目前白光LED都是采用LED芯片發(fā)出的短波長(zhǎng)光去激發(fā)各色(或單色)熒光粉后，各色光混合產(chǎn)生白光，或者是采用紅、綠、藍(lán)三只發(fā)光二極管封裝在一起的制作方法。但是采用短波光去激發(fā)熒光粉這種方法熒光粉會(huì)損失一部分能量，并且如果采用紫外光作為激發(fā)光源，假若封裝得不好就會(huì)產(chǎn)生紫外光泄漏，不利于使用者的身體健康。此外，由于這種白光LED要使用熒光粉，使得封裝工藝變得復(fù)雜，增加了白光LED的制作成本。如果采用紅、綠、藍(lán)三種二極管芯片封裝在一起這種方法制作白光LED的話，白光LED制作成本可能會(huì)更高。本發(fā)明設(shè)計(jì)提供了一種比上述兩種方法都便宜的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，并且使用該結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管有可能使白光LED的價(jià)格降到與其同功率藍(lán)光LED的價(jià)格水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管及制作方法，其可能使白光LED的價(jià)格降到與其同功率藍(lán)光LED的價(jià)格水平。
本發(fā)明一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于其中包括一藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；一N型氮化鎵外延層，該N型氮化鎵外延層制作在緩沖層上；一N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金，該四元合金制作在N型氮化鎵外延層上；
一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱層，該InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱生長(zhǎng)制作在N型AlaInbGa1-a-bN層上；一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱層，該InyGa1-y/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱生長(zhǎng)制作在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱上；或在N型AlaInbGa1-a-bN層上先生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱；生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN蓋帽層。
其中藍(lán)光量子阱為一個(gè)或多個(gè)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱；黃光量子阱為一個(gè)或多個(gè)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，藍(lán)光量子阱產(chǎn)生的藍(lán)光與黃光量子阱產(chǎn)生的黃光混合后便產(chǎn)生白光。
其中N型AlaInbGa1-a-bN層的厚度在1μm-3μm之間；其中AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間。
其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱勢(shì)阱InxGa1-xN層中InN的含量x在0.1-0.28之間；勢(shì)阱InxGa1-xN四元合金的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaINbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN層中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InyGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱勢(shì)阱InyGa1-yN層InN的含量y在0.3-0.55之間，勢(shì)阱InyGa1-yN層的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的藍(lán)光波長(zhǎng)范圍在430nm-495nm之間，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的黃光波長(zhǎng)范圍在562nm-585nm之間。
本發(fā)明一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底上先生長(zhǎng)緩沖層和N型氮化鎵外延層；在N型GaN上生長(zhǎng)一層厚度為1μm-3μm的N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金；在N型AlaInbGa1-a-bN上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)；在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱結(jié)構(gòu)；生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN蓋帽層。
其中在AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間，GaN的含量為1-a-b。
其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)藍(lán)光量子阱。
其中InxGa1-xN勢(shì)阱層中的InN含量x在0.1-0.28之間，厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)黃光量子阱。
其中InyGa1-yN勢(shì)阱層中InN含量y在0.3-0.55之間，其厚度在1nm-8nm之間，勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN層中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
本發(fā)明是一種能夠使LED產(chǎn)生白光的新方法，其優(yōu)點(diǎn)為(1)在一個(gè)LED芯片中同時(shí)生長(zhǎng)藍(lán)光量子阱和黃光量子阱，在LED導(dǎo)通后，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的一定強(qiáng)度的藍(lán)光與InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的一定強(qiáng)度的黃光混合后便產(chǎn)生白光。
(2)采用AlaInbGa1-a-bN四元合金作為量子阱的勢(shì)壘層，以降低勢(shì)阱層和勢(shì)壘層之間的晶格失配。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的關(guān)鍵在于藍(lán)光與黃光量子阱的堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用AlaInbGa1-a-bN做量子阱的勢(shì)壘層。
具體方法是先在厚度為1μm-3μm的N型AlaInbGa1-a-bN四元合金上生長(zhǎng)一個(gè)或多個(gè)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱。使用AlaInbGa1-a-bN四元合金代替GaN做勢(shì)壘層是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，由于InN的晶格常數(shù)(a＝3.533)大于GaN的晶格常數(shù)(a＝3.187)，所以勢(shì)阱InGaN層受到壓應(yīng)力；InGaN層中InN的組分越高阱InGaN受到的壓應(yīng)力越大，當(dāng)In的組分大于一定值后，就會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放，產(chǎn)生晶體缺陷，進(jìn)而使LED的發(fā)光效率降低。另外，在傳統(tǒng)的InGaN/GaN量子阱中，由于勢(shì)阱InGaN層與勢(shì)壘GaN層的晶格常數(shù)差異會(huì)產(chǎn)生壓電極化效應(yīng)，壓電極化產(chǎn)生的壓電場(chǎng)會(huì)使量子阱的發(fā)光效率降低，所以我們使用禁帶寬度和晶格常數(shù)獨(dú)立可調(diào)的AlInGaN四元合金代替GaN做勢(shì)壘層，以減少勢(shì)壘層和勢(shì)阱層因晶格常數(shù)差異所導(dǎo)致的種種問(wèn)題。
在生長(zhǎng)了InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱后，再在其上生長(zhǎng)一個(gè)或多個(gè)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，最后生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N層和P型GaN蓋帽層。
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其中包括一藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底10；一緩沖層20，該緩沖層20制作在襯底10上；一N型氮化鎵外延層30，該N型氮化鎵外延層30制作在緩沖層20上；一N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金40，該四元合金40制作在N型氮化鎵外延層30上；其中N型AlaInbGa1-a-bN層40的厚度在1μm-3μm之間；其中AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間。
一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱層50，該InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱50生長(zhǎng)制作在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上；
一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱層60，該InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱60生長(zhǎng)制作在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱50上；或在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上先生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱60，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱60上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱50；其中藍(lán)光量子阱50層為一個(gè)或多個(gè)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱；黃光量子阱60為一個(gè)或多個(gè)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，藍(lán)光量子阱50產(chǎn)生的藍(lán)光與黃光量子阱60產(chǎn)生的黃光混合后便產(chǎn)生白光；其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱50勢(shì)阱InxGa1-xN層中InN的含量x在0.1-0.28之間。勢(shì)阱InxGa1-xN層的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N70和P型GaN蓋帽層80。
其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱勢(shì)阱InyGa1-yN層InN的含量y在0.3-0.55之間，勢(shì)阱InyGa1-yN層的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的藍(lán)光波長(zhǎng)范圍在430nm-495nm之間，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的黃光波長(zhǎng)范圍在562nm-585nm之間。
本發(fā)明一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底10上先生長(zhǎng)緩沖層20和N型氮化鎵外延層30；在N型GaN30上生長(zhǎng)一層厚度為1μm-3μm的N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金40；在N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)50；在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)50上生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱結(jié)構(gòu)60；生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N70和P型GaN蓋帽層80。
其中在AlaInbGa1-a-bN四元合金40中，AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間，GaN的含量為1-a-b。
其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)藍(lán)光量子阱50。
其中InxGa1-xN勢(shì)阱層中的InN含量x在0.1-0.28之間，厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)黃光量子阱60。
其中InyGa1-yN勢(shì)阱層中InN含量y在0.3-0.55之間，其厚度在1nm-8nm之間，勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金40中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
權(quán)利要求
1.一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于其中包括一藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；一N型氮化鎵外延層，該N型氮化鎵外延層制作在緩沖層上；一N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金，該四元合金制作在N型氮化鎵外延層上；一InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱層，該InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱生長(zhǎng)制作在N型AlaInbGa1-a-bN層上；一InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱層，該InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱生長(zhǎng)制作在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱上；或在N型AlaInbGa1-a-bN層上先生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，然后再在InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱；生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN蓋帽層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于，其中藍(lán)光量子阱為一個(gè)或多個(gè)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱；黃光量子阱為一個(gè)或多個(gè)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱，藍(lán)光量子阱產(chǎn)生的藍(lán)光與黃光量子阱產(chǎn)生的黃光混合后便產(chǎn)生白光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于，其中N型AlaInbGa1-a-bN層的厚度在1μm-3μm之間；其中AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于，其中InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱勢(shì)阱InxGa1-xN層中InN的含量x在0.1-0.28之間；勢(shì)阱InxGa1-xN層的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN層中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于，其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱勢(shì)阱InyGa1-yN層InN的含量y在0.3-0.55之間，勢(shì)阱InyGa1-yN層的厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN層中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，其特征在于，其中在這種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光LED中，InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的藍(lán)光波長(zhǎng)范圍在430nm-495nm之間，InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN量子阱發(fā)出的黃光波長(zhǎng)范圍在562nm-585nm之間。
7.一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底上先生長(zhǎng)緩沖層和N型氮化鎵外延層；在N型GaN上生長(zhǎng)一層厚度為1μm-3μm的N型摻雜的AlaInbGa1-a-bN四元合金；在N型AlaInbGa1-a-bN上生長(zhǎng)InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)；在InxGa1-xN/AlaInbGa1-a-bN藍(lán)光量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)InyGa1-yN/AlaInbGa1-a-bN黃光量子阱結(jié)構(gòu)；生長(zhǎng)P型Al0.1Ga0.9N和P型GaN蓋帽層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中在AlaInbGa1-a-bN四元合金中，AlN的含量a在0.2-0.3之間，InN的含量b在0.1-0.25之間，GaN的含量為1-a-b。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)藍(lán)光量子阱。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中InxGa1-xN勢(shì)阱層中的InN含量x在0.1-0.28之間，厚度在1nm-8nm之間；勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN四元合金中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中該結(jié)構(gòu)中含一個(gè)或多個(gè)黃光量子阱。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中InyGa1-yN勢(shì)阱層中InN含量y在0.3-0.55之間，其厚度在1nm-8nm之間，勢(shì)壘AlaInbGa1-a-bN層中各組分比例與N型AlaInbGa1-a-bN層中的各組分比例一樣，其厚度在3-12nm之間。
全文摘要
一種藍(lán)光、黃光量子阱堆疊結(jié)構(gòu)的白光發(fā)光二極管，包括一藍(lán)寶石襯底、或氮化鎵襯底、或碳化硅襯底、或硅襯底；一緩沖層制作在襯底上；一N型氮化鎵外延層制作在緩沖層上；一N型摻雜的Al
文檔編號(hào)H01L33/08GK1741290SQ200410057150
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者郭倫春, 王曉亮, 王軍喜, 肖紅領(lǐng), 曾一平, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所