專利名稱：面發(fā)射多色發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及發(fā)光二極管，具體涉及一種新型的面發(fā)射多色發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
冃前III族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光器件 一般都是在藍(lán)寶石或6H-SiC襯底基面上外延 生長得到，而在外延生長方向[0001]存在自發(fā)極化和壓電極化，得到的氮化物屬于極性氮 化物。而由自發(fā)極化和壓電極化引起的極化電場對氮化物半導(dǎo)體發(fā)光是有害的。如在量子 阱異質(zhì)界面處的極化不連續(xù)性引起能帶彎曲和引發(fā)量子限制嘶唂克效應(yīng)(Quantum Confined Stark Effect: QCSE)出現(xiàn)，其后果造成了電子空穴波函數(shù)在空間上分離，復(fù)合 發(fā)光效率降低、發(fā)光峰的紅移以及發(fā)光二極管(LED)發(fā)光峰隨著驅(qū)動電流增加而藍(lán)移等 [P. Waltereit, et al, Watore， 406, pp.865， 2000]。
為消除極化內(nèi)電場對量子阱發(fā)光的影響，可將氮化物外延在其它晶向襯底上，以得到 無極性{10化} m面和{1。0} a面氮化物。由于m面和a面都與c面正交，極化矢量將位 于材料生長面內(nèi)，因而沿豎直生長方向的異質(zhì)結(jié)構(gòu)不再受極化電場的影響。當(dāng)?shù)壣L 在藍(lán)寶石r面或6H-SiC Ul—20) a面上時，可獲得無極性(1 1720) a面氮化鎵。若 使用Y -LiAlO2(100)或〔MO) m面4H-SiC或6H-SiC襯底，則可得(10〖0) m面無極性 氮化鎵。對沿這些取向所獲得的a面GaN/AlGaN [M. I). Craven, et al. A〃./. J/^/ A"， 42， pp丄235,2003]、 InGaN/GaN多量子阱[A. Chakraborty， et al， ^;^/.尸A》'丄e"， 86， pp.03〗901, 2005]和m面InGaN/GaN多量子附進(jìn)行PL測量[Y.J.Suri， et al, P/z"./^i'.S， 67, pp.041306， 2003]，結(jié)栗末能觀察到PL發(fā)光峰紅移，證實了這些量子阱內(nèi)沒有內(nèi)電場存在。近來美國 加州大學(xué)Santa Barbara分校的研究小組使用低缺陷密度的m面GaN體襯底(位錯密度<5 Xl(fcm2),得到的LED外量子效率達(dá)到38.9% (峰值波長為407nm)，且當(dāng)注入電流從 1mA增加到20mA時，發(fā)光峰值隨著注入電流增加的紅移量小于lnm [M.C.Schmidt, et al. 々w.J./(/Y7/./^v.v，46，Ll26,2007]，發(fā)光性能已與c面LED相接近。
另一種減小或消除極化內(nèi)電場的方法是生長半極性ni族氮化物，比如取向為{1011}、
{1012}、 {1013}、 {1152}、 {11^}的III族氮化物?；趯?yīng)變誘導(dǎo)極化的計算結(jié)果，沿
這些晶面生長的氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有減弱的內(nèi)電場，且某些晶面取向在某些應(yīng)力條件下其
體內(nèi)的凈內(nèi)電場可以消除[A.E.Romanv， et al. /.^^/.P/!", 100, 023522, 2006]。 2007年， Tyagi等人在半極性"OH) GaN體襯底上實現(xiàn)了在20mA的驅(qū)動電流時的輸出功率和外 量了效率分別為20.58mW和33.91%的高亮度411nm的紫光LED,且發(fā)光峰隨驅(qū)動電流增 加而產(chǎn)生的嶺移很小[A.Tyagi, et al. J^尸/乂/^j^， 46， L129, 2007]，其結(jié)果已可與商業(yè)化 c面LED比擬，顯示半極性氮化物L(fēng).ED性能已達(dá)到實用化程度。
此外，利用c面取向圖形GaN模板進(jìn)行選擇性再生長也可以獲得半極性小面 InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)LK.Nishizuka， et al. /l一.P力K、Zert， 85， 3122， 2004; B.Neubert, et al.々少Z.P/j"丄eW, 87, 182111,2005]或(H()l)藍(lán)光LED,研究發(fā)現(xiàn)因為量子阱內(nèi)的部分壓 電場得到抑制和具有較少的位錯密度的緣故，(1122)取向量子阱結(jié)構(gòu)與(0001)、 (1150) 小而量了阱相比，其室溫PL強(qiáng)度最強(qiáng)，內(nèi)量了效率可達(dá)40%，復(fù)合發(fā)光壽命也比c面取 向的平面InGaN量子阱要短3倍。小面InGaN量子阱結(jié)構(gòu)不僅可以提高發(fā)光強(qiáng)度，而且 可對發(fā)光波長進(jìn)行剪哉，SrinWasan利用使量子阱中銦組分起伏變化的方法來剪裁InGaN 量子阱發(fā)光，同一量子阱結(jié)構(gòu)可以發(fā)出不同波長的光，由于波長覆蓋了可見光譜區(qū)的大部 分，若生長條件優(yōu)化就可以發(fā)出真正的白光，實現(xiàn)單片集成的白光二極管，而無需波長轉(zhuǎn) 換材料。Funato等將InGaN量子結(jié)構(gòu)生長在GaN微小面上來實現(xiàn)多色光合成，實現(xiàn)了視 覺上的二元補(bǔ)色白光[M.Funato,etal.4pp/.P/^丄e"， 88, 261920, 2006]，但是，上述方法存 在的問題是發(fā)光譜的色域不夠?qū)?，且波長(即對應(yīng)的顏色)不具有調(diào)節(jié)性。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有新型結(jié)構(gòu)的面發(fā)射多色發(fā)光二極 管，它是-一種氮化物小面發(fā)射多色光發(fā)光二極管，可以實現(xiàn)發(fā)光波長剪裁和多色光合成， 以及多種顏色的發(fā)光，且所發(fā)射的光具有線偏振特性。
本實用新型解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案包括襯底、n型氮化鎵模板層、介
質(zhì)圖案層、有源層和電極。在介質(zhì)圖案層窗口方向暴露出的n型氮化鎵模板層的上面設(shè)有 凸起的n型氮化鎵脊形條紋，在所述脊形條紋的小面上自下往上依次設(shè)置有源層、小向.p 型氮化鎵層及p型歐姆接觸層，由此構(gòu)成具有表面為凸起的條紋圖案狀結(jié)構(gòu)的氮化物而發(fā) 射多色發(fā)光二極管。
本實用新型與傳統(tǒng)發(fā)光二極管相比具有以下主要的優(yōu)點
其一.結(jié)構(gòu)新穎與傳統(tǒng)發(fā)光二極管表面結(jié)構(gòu)不同，具有凸起的條紋圖案結(jié)構(gòu)，降低 GaN材料與外界接觸界面上向GaN材料內(nèi)的反射，有利于GaN內(nèi)的光進(jìn)入外界，不需增 設(shè)布拉格反射鏡，且具有更高的光提取效率。
其二.發(fā)光效率高在小面卜.設(shè)置,極性小面InxGa! —xN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，使量子 阱中由自發(fā)極化和壓電極化導(dǎo)致的內(nèi)電場得以消除或減弱，量子限制嘶嗒克效應(yīng)得到抑 制，使小面多量子阱具有更高的發(fā)光效率。
三.功能多基于這種小面多量子阱的發(fā)光二極管，還可利用阱寬和銦組分在小面上 的起伏變化和不同組分的小面多量子阱結(jié)構(gòu)的重疊兩種方式，實現(xiàn)發(fā)光波長剪裁和多色光 合成，從而可以獲得包括白光在內(nèi)的發(fā)多種顏色光的發(fā)光二極管。同時，山于(11^2〕取 向的IllxGai—xN/GaN量子阱發(fā)射的光具有沿[1T00]偏振特性，因此這種發(fā)光二極管還pJ以 提供很好的線偏振多色光發(fā)射。
其四.實用性強(qiáng)基于高發(fā)光效率和多色合成特性，因此在照明、顯示和交通等領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。而作為高效的線偏振光源，也將會是液晶顯示背光源很好的選擇。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi).襯底；2.n型氮化鎵模板層；3.介質(zhì)圖案層；4.n型氮化鎵脊形條紋； 5.有源層；6.小面p型氮化鎵層；7.p型歐姆接觸層；S.n型電極；9.p型電極。
具體實施方式

本實用新型提供的新型氮化物面發(fā)射多色發(fā)光二極管具有較高的發(fā)光效率，可以實現(xiàn) 發(fā)光波長剪裁，多色光合成和線偏振光發(fā)射。下面將結(jié)合附圖對這種氮化物面發(fā)射多色發(fā) 光二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地說明，以使對本實用新型有更細(xì)致的了解。下面的介紹僅用來 闡述說明本實用新型，非據(jù)此以對本實用新型做任何形式的限制，故凡是以本實用新型所 述形狀，結(jié)構(gòu)，特征及基本思想為基礎(chǔ)，而對本實用新型作仟何形式的修飾或修改，都應(yīng) 歸屬本實用新型意圖保護(hù)的知識產(chǎn)權(quán)范疇。
本實用新型提供的具有表面為凸起的條紋圖案狀結(jié)構(gòu)的氮化物面發(fā)射多色發(fā)光二極
管，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示包括襯底l、 n型氮化鎵模板層2、介質(zhì)圖案層3、有源層 5和電極。在介質(zhì)圖案層3窗口方向暴露出的n型氮化鎵模板層2的上面設(shè)有凸起的n型 氮化鎵脊形條紋4，在所述脊形條紋的小面上自下往上依次設(shè)置有源層5、小面p型氮化 鎵層6及p型歐姆接觸層7。
所述的襯底1可以從藍(lán)寶石，碳化硅(6H-SiC)， (111)面硅、絕緣體硅SOI，氧化 鋅(ZnO)、尖晶石(MgAl204)、鋁酸鋰(LiA102)、氧化鎂(MgO)、硼化鋯(Zr3B4)、 砷化鎵(GaAs)、氧化鎵(Ga203)等材料中選擇。
所述的介質(zhì)閣形層3，其采用的介質(zhì)材料可以是氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(Si02) 等。該介質(zhì)圖形層的圖形窗口方向必須沿GaN品體的<1 IOO方向。介質(zhì)圖案層3窗口方 向是指沿氮化鎵晶體的<1〖00>的方向。其中，窗口寬度為1 10um，介質(zhì)條紋寬度為4 16 mn。介質(zhì)薄膜的材料可采用氮化硅或二氧化硅。
在介質(zhì)圖案層3窗口方向暴露出的n型氮化鎵模板層2的上面設(shè)置凸起的n型氮化鎵 脊形條紋4，其方法是先經(jīng)過小面控制外延側(cè)向過度生長獲得(1125)小面取向的呈凸 起的n型氮化鎵脊形條紋4,該條紋沿氮化鎵品體的<-1100>的方向，然后在所述條紋的小 面上先生長小面多量—P阱的有源層5，再往上生長小面p型氮化鎵層6。艽中，小面多量 子阱是指InxGa|—xN/GaN小面多量子阱，X=0.01』.6。小面多量子阱具有5至6個周期， 各個量子阱的阱層寬度為2至5nm， GaN壘層寬度為5至25nm。
所述的有源層5，可以為半極性小面KGa,—xN/GaN多量了阱結(jié)構(gòu)的有源層。
所述的電極為n型電極8和p型電極9，具體是在n型氮化鎵模板層2上面，沉積 n型電極8。在p型歐姆接觸層7上面沉積p型電極9。
權(quán)利要求1.一種面發(fā)射多色發(fā)光二極管，包括襯底(1)、n型氮化鎵模板層(2)、介質(zhì)圖案層(3)、有源層(5)和電極，其特征是在介質(zhì)圖案層(3)窗口方向暴露出的n型氮化鎵模板層(2)的上面設(shè)有凸起的n型氮化鎵脊形條紋(4)，在所述脊形條紋的小面上自下往上依次設(shè)置有源層(5)、小面p型氮化鎵層(6)及p型歐姆接觸層(7)，由此構(gòu)成具有表面為凸起的條紋圖案狀結(jié)構(gòu)的氮化物面發(fā)射多色發(fā)光二極管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面發(fā)射多色發(fā)光二極管，其特征是介質(zhì)圖案層(3)窗口 方向是指沿氮化鎵晶體的<1100>的方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面發(fā)射多色發(fā)光二極管，其特征是有源層(5)為半極性 小面InxGa,—xN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，其中，x=0.01~0.6。
專利摘要本實用新型是具有表面為凸起的條紋圖案狀結(jié)構(gòu)的氮化物面發(fā)射多色發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)是包括襯底(1)、n型氮化鎵模板層(2)、介質(zhì)圖案層(3)、有源層(5)和電極，在介質(zhì)圖案層窗口方向暴露出的n型氮化鎵模板層的上面設(shè)有凸起的n型氮化鎵脊形條紋(4)，在所述脊形條紋的小面上自下往上依次設(shè)置有源層、小面p型氮化鎵層及p型歐姆接觸層。本實用新型提供的面發(fā)射多色發(fā)光二極管，具有較高的發(fā)光效率和光提取效率，可以實現(xiàn)波長剪裁、多色光合成、線偏振光發(fā)射和包括白光在內(nèi)的各種顏色的發(fā)光二極管線偏振光源。
文檔編號H01L33/00GK201374347SQ20082023032
公開日2009年12月30日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者戴科輝, 汪連山 申請人:華中科技大學(xué)