專利名稱：單片多色、多量子阱半導(dǎo)體led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及發(fā)射多種顏色的光的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。更具體地，本公開涉及具有獨特的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的單片(monolithic)白光LED。
背景技術(shù)：
基于氮化鎵(GaN)III-V化合物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管(LED)典型地展示出極佳的光發(fā)射特性。理論上，來自基于GaN的III-V化合物半導(dǎo)體，如InGaN、AlGaN、AlInGaN及GaN的LED發(fā)射可覆蓋從短波長(即UV)到較長波長(即紅光)的整個可見光譜。
基于GaN的藍和綠LED已經(jīng)廣泛地用在工業(yè)應(yīng)用中，而對于顯示和照明應(yīng)用中的使用，目前基于GaN的白光LED正在吸引增加的注意力。當(dāng)前，基于GaN的白光發(fā)射LED可以以幾種不同方式制造。用于制造基于GaN的白光發(fā)射LED的一種途徑是組合基于磷光體(phosphor)的波長轉(zhuǎn)換器與發(fā)射UV或藍光的基于GaN的LED。根據(jù)該途徑，所述LED所發(fā)射的一些或所有UV或藍光由磷光體材料吸收，并重新發(fā)射為較長波長的光。當(dāng)所述磷光體材料重新發(fā)射較低能量(較長波長)的光，且重新發(fā)射的光的一個或多個波長帶組合以形成白光時，產(chǎn)生了白光。在這種應(yīng)用中使用的一種類型的基于磷光體的波長轉(zhuǎn)換器是摻雜鈰(Ce)的釔-鋁石榴石(YAG:Ce)材料。
根據(jù)用于制造基于GaN的白光發(fā)射LED的另一種途徑，形成了如下裝置，其包括一對有源區(qū)，即發(fā)光區(qū)，例如基于InGaN的一次藍光發(fā)射有源區(qū)及基于AlGaInP的二次光轉(zhuǎn)換區(qū)。在操作中，由所述基于InGaN的一次藍光發(fā)射有源區(qū)所發(fā)射的一部分藍光由所述基于AlGaInP的二次光轉(zhuǎn)換區(qū)吸收，并重新發(fā)射為較低能量(較長波長)的光子。當(dāng)所述兩個光源具有適當(dāng)?shù)膹姸缺群筒ㄩL時，白光被感覺為是從所述裝置發(fā)射的。
用于制造白光發(fā)射LED的又一種途徑包含組合兩個或更多不同的LED，例如紅、綠、及藍LED，其中每個LED半導(dǎo)體芯片被提供有其自己的電流供應(yīng)。所述LED以所選擇的不同波長和功率比來發(fā)射光子，從而導(dǎo)致所感覺的白光。該途徑的缺陷是需要用于協(xié)調(diào)地操作所述LED的復(fù)雜驅(qū)動電路，以及大的封裝尺寸。
根據(jù)用于制造基于GaN的白光發(fā)射LED的再一種途徑，兩個波長互補的有源LED結(jié)區(qū)(junction region)串聯(lián)形成于單個基板上，例如包括具有低銦(In)濃度的InGaN/GaN多量子阱(MQW)區(qū)以及具有高銦(In)濃度的InGaN/GaN MQW區(qū)。前者的MQW區(qū)提供藍光的LED發(fā)射，而后者的MQW區(qū)提供綠光的LED發(fā)射，其組合被感覺為白光。
但是，根據(jù)每種上述途徑來制造基于GaN的白光發(fā)射LED必然伴有增加的制造復(fù)雜度、成本、及特定缺陷，如差的裝置可靠性。因此認(rèn)為一種用于制造基于GaN的白光發(fā)射LED的新途徑是理想的，其提供簡單的處理和低制造成本，不需要昂貴的后處理晶片接合及封裝。另外，需要改進的基于GaN的白光發(fā)射LED，其避免對于短壽命的基于磷光體的波長轉(zhuǎn)換器的需求并且因此展示出優(yōu)良的可靠性、改善的功率利用效率、較低的正向工作電壓、及當(dāng)在不同距離和角度觀察所發(fā)射的光時很少或沒有譜移位(spectrum shift)。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及改進的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，其包括用于產(chǎn)生白光或預(yù)選顏色的光的新型單片、多帶隙、多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。
本公開的一個優(yōu)點是一種用于制造具有預(yù)選顏色的光發(fā)射的單片、多帶隙、MQW半導(dǎo)體LED的改進方法。
本公開的另外優(yōu)點及其它特征將在下面的描述中提出，并且其一部分基于對以下的檢查對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將變得明顯或者可從本公開的實踐中習(xí)得。所述優(yōu)點可如在所附權(quán)利要求中所特別指出的那樣實現(xiàn)并獲得。
根據(jù)本公開的一個方面，前述和其它優(yōu)點的一部分通過一種改進的單片、多色半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)而獲得，所述發(fā)光二極管包括多帶隙、多量子阱(MQW)有源發(fā)光區(qū)，其發(fā)射在范圍從UV到紅區(qū)的至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的光。
根據(jù)本公開的實施例，所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括MQW層堆疊，其包括將n-1個量子阱間隔開的n個量子壘(quantum barrier)；所述MQW層堆疊包括至少兩個不同帶隙的量子阱；并且，在所述至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的每個的光發(fā)射強度被調(diào)節(jié)并組合以提供光發(fā)射的合成(即組合)顏色。有利地，所述合成顏色可以是白光的顏色，在該實例中所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括用于在所述藍或綠波長區(qū)和至少一個其它區(qū)發(fā)射光的量子阱。
根據(jù)本公開的實施例，每個所述量子阱包括基于氮化物的III-V化合物半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包括至少氮(N)，且所述LED包括外延地形成于基板表面上的多個堆疊的基于GaN的半導(dǎo)體層。所述多個堆疊層從所述基板表面起按順序包括至少一個成核(nucleation)/緩沖層，包括最上的N-型層；多帶隙、MQW層堆疊；以及，至少一個P-型層。
根據(jù)本公開的一個實施例，所述多帶隙、MQW層堆疊從所述至少一個成核/緩沖層起按疊置順序包括量子壘、深藍量子阱、量子壘、第一綠量子阱、量子壘、第二綠量子阱、量子壘、第三綠量子阱、量子壘、第一藍量子阱、量子壘、第二藍量子阱、及量子壘，其中每個所述量子壘約12nm厚且由GaN組成；所述深藍量子阱約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x約為0.16，并且在約428nm具有很弱的發(fā)射峰；所述第一、第二及第三綠量子阱的每個約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x約為0.32，并且在約533nn具有發(fā)射峰；并且所述第一和第二藍量子阱的每個約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x約為0.19，并且在約445nm具有發(fā)射峰。
本公開的另一個方面是一種制造發(fā)射預(yù)選顏色的光的單片半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的改進方法，所述方法包括在基板上形成裝置的多帶隙、多量子阱(MQW)有源發(fā)光區(qū)，其發(fā)射在至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的光；以及，調(diào)節(jié)在所述至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的每個的光發(fā)射強度，使得它們組合以提供預(yù)選顏色。
在本公開的一個實施例中，所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括MQW層堆疊，其包括將n-1個量子阱間隔開的n個量子壘，所述MQW層堆疊包括至少兩個不同帶隙的量子阱，并且所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括用于發(fā)射在UV到紅波長帶或區(qū)的光的量子阱。
根據(jù)本公開的實施例，所述預(yù)選顏色是白光，并且所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括用于在所述綠或藍區(qū)和至少一個其它區(qū)發(fā)射光的量子阱。
根據(jù)以下詳細(xì)描述，本公開的另外優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得容易顯而易見，在所述詳細(xì)描述中，僅通過圖解而非限制的方式，僅示出并描述了本公開的優(yōu)選實施例。如將認(rèn)識到的，本公開能夠?qū)崿F(xiàn)其它和不同的實施例，并且其幾個細(xì)節(jié)能夠在各種明顯的方面加以修改，都不脫離本公開的精神。因此，附圖和描述在本質(zhì)上應(yīng)看作示例性的，而不是限制性的。


當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時，對本公開實施例的以下詳細(xì)描述可以得到最好的理解，在所述附圖中始終采用相同的參考數(shù)字來表示相似的特征，所述特征不必按比例畫出，相反被畫出是為了最好地圖解有關(guān)特征，其中圖1是根據(jù)本公開的基于GaN的單片白光發(fā)射MQW LED 10的示例性而非限制性實施例的一部分的簡化示意性橫截面視圖；圖2是指示圖1的LED 10的多帶隙MQW有源區(qū)的銦(In)濃度的SIMS分布的曲線圖；圖3是圖解圖1的單片白光發(fā)射MQW LED 10的電致發(fā)光(EL)譜的曲線圖；并且圖4是根據(jù)本公開的單片多色或白光發(fā)射MQW LED的MQW有源區(qū)的通用化表示的簡化示意性橫截面視圖。
具體實施例方式
為提供避免上述常規(guī)途徑的缺陷和缺點的基于GaN的白光發(fā)射LED及其制造方法而完成了本公開。因此，本公開所提供的用于制造基于GaN的白光發(fā)射LED的新途徑提供了簡單的處理和低制造成本，不需要昂貴的后處理/封裝，同時消除了對于短壽命的基于磷光體的波長轉(zhuǎn)換器的需求，從而使根據(jù)本公開的基于GaN的白光(或其它所需顏色的光)發(fā)射LED展示出優(yōu)良的可靠性、改善的功率利用效率、較低的正向工作電壓、及當(dāng)在不同距離和角度觀察所發(fā)射的光時很少或沒有譜移位。另外，根據(jù)本公開的基于GaN的白光發(fā)射LED可以利用常規(guī)III-V化合物半導(dǎo)體制造方法和技術(shù)來制造。
參考圖1，其中以簡化的示意性橫截面視圖示出了根據(jù)本公開的優(yōu)選的基于GaN的單片白光發(fā)射MQW LED 10的示例性而非限制性的實施例的部分，其可通過常規(guī)外延淀積技術(shù)來形成，包括合適的基板1，例如GaN或GaAs晶片、藍寶石(Al2O3)、及碳化硅(SiC)，圖示為藍寶石，以便于在其上的外延淀積；而成核/緩沖層2形成于其上，包括例如約10nm厚的GaN成核層2A，與基板1的表面接觸；約1μm厚的疊置的未摻雜的GaN緩沖層2B；及疊置的約4μm厚的N-摻雜的GaN緩沖層2C，例如包含作為N-型摻雜物的Si。疊置的N-GaN層2C是多帶隙、多量子阱(MQW)有源區(qū)4，例如由InxGa1-xN和GaN組成。
如圖1中詳細(xì)示出的，多帶隙、多量子阱(MQW)有源區(qū)4包括堆疊的多個量子壘4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N，具有相應(yīng)的介于其間的綠量子阱4D、4F和4H、深藍量子阱4B及藍量子阱4K和4M。所述量子壘4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N的每個約12nm厚并由GaN組成；所述綠量子阱4D、4F和4H的每個約3nm厚并由具有約2.33eV帶隙的InxGa1-xN組成；所述深藍量子阱4B約3nm厚并由具有約2.9eV帶隙的InxGa1-xN組成；而所述藍量子阱4K和4M的每個約3nm厚并由具有約2.79eV帶隙的InxGa1-xN組成。
根據(jù)本公開，若需要，所述基于GaN的量子壘4A、4C、4E、4G、4J、4L和4N的每個可包括少量的銦(In)。所述量子壘用來俘獲相應(yīng)量子阱內(nèi)的所注入的少數(shù)載流子，以增強來自其中的自發(fā)的光發(fā)射。典型地，所述量子壘的帶隙大于相關(guān)聯(lián)的量子阱的帶隙，并且其厚度被選擇成避免可導(dǎo)致性能下降的高正向電壓及過度加熱。
仍參考圖1，LED 10的疊置MQW有源區(qū)4是一對P-摻雜層，其具有約0.3μm的組合厚度，分別由Mg-摻雜的P-AlGaN層5和Mg-摻雜的P-GaN層6組成。最后，提供歐姆接觸3和7用于分別電接觸層2和6。
參考圖2，在其中示出一曲線圖，其指示根據(jù)本公開的LED的多帶隙MQW有源區(qū)，如圖1的包括6個量子阱的LED 10的MQW有源區(qū)4中的銦(In)濃度的SIMS分布。如從圖2中顯而易見的，所述第二、第三和第四量子阱，即所述綠阱，具有相同的約32at.％的In濃度，即Ga.68In.32N；所述第一量子阱，深藍量子阱，具有約16at.％的In濃度，即Ga.84In.16N；而所述第五和第六量子阱，即所述藍阱，具有相同的約19at.％的In濃度，即Ga.81In.19N。
圖3是圖解圖1的單片白光發(fā)射MQW LED 10的電致發(fā)光(EL)譜的曲線圖。在較短波長區(qū)(445nm)的強度峰由所述第一、第五和第六量子阱，即所述藍阱產(chǎn)生，而在較長波長區(qū)(533nm)的強度峰由所述第二、第三和第四量子阱，即所述綠阱產(chǎn)生。
參考圖4，在其中以簡化的示意性橫截面視圖示出了根據(jù)本公開的單片多色或白光發(fā)射MQW LED，例如圖1的LED 10的MQW有源區(qū)4的通用化表示。如所示，所述MQW有源區(qū)4可包括n個量子壘和n-1個量子阱(如從區(qū)4的最上到最下層編號)，其中n是整數(shù)，具有最小值3(即最少2個量子阱)，Eg(Bn)表示第n個壘的帶隙能量，而Eg(Wn-1)表示第n-1個阱的帶隙能量。
要強調(diào)的是，根據(jù)本公開，MQW有源區(qū)4的量子壘和阱的數(shù)目n和n-1不限于在上述示例性實施例中所示的那些；所述帶隙和厚度也不限于在所述示例性實施例中所示的那些。相反，量子阱和壘的數(shù)目及其帶隙和厚度可以不同于所述示例性實施例。更具體地，根據(jù)本公開，量子阱和壘的數(shù)目及其厚度可以調(diào)節(jié)成可控制地改變不同能量(波長)的所發(fā)射光子的強度比。每個量子阱的帶隙，由此每個量子阱所發(fā)射的光的顏色，通過對所述阱的In濃度的適當(dāng)調(diào)節(jié)來控制，并且因此范圍可從UV區(qū)到紅區(qū)。結(jié)果，根據(jù)本公開的MQWLED可以定制成發(fā)射多個波長帶的光，其可組合以產(chǎn)生白光或所需顏色的光。而且，本公開的構(gòu)思不限于所示實施例的基于氮化物的III-V化合物半導(dǎo)體系統(tǒng)，而相反可通用于其它和不同的半導(dǎo)體系統(tǒng)。
如以上所示，可借助于用于III-V化合物半導(dǎo)體外延淀積的常規(guī)方法和技術(shù)來容易地制造根據(jù)本公開的單片、多色或白光發(fā)射MQW LED。用于在實踐本公開中使用的合適外延淀積技術(shù)包括，但不限于氫化物氣相外延(HVPE)、有機金屬氣相外延(OMVPE)和分子束外延(MBE)。例如，所述基于GaN的III-V半導(dǎo)體層可由AlxGayIn1-x-yN組成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1；Ga源可以是TMGa或TEGa；Al源可以是TMAl或TEAl；銦源可以是TMIn或TEIn；N源可以是NH3；P型摻雜物可以從Zn、Cd、Be、Mg、Ca和Ba中選擇；N型摻雜物可以從Si、Ge和Sn中選擇；而載氣可以從H2、N2、其它惰性氣體、及前述氣體的組合中選擇。
本公開提供了改進的基于GaN的單片、多色或白光發(fā)射MQW LED，同時能提供相對于常規(guī)的基于GaN的多色和白光發(fā)射LED的許多優(yōu)點，尤其包括優(yōu)良的可靠性、改善的功率利用效率、較低的正向工作電壓、及當(dāng)在不同距離和角度觀察所發(fā)射的光時很少或沒有譜移位，并且不需要額外的晶片接合及后封裝處理。另外，根據(jù)本公開的基于GaN的單片、多色和白光發(fā)射MQW LED可利用常規(guī)III-V化合物半導(dǎo)體制造方法和技術(shù)來容易地制造。
在以上描述中提出了許多特定細(xì)節(jié)，如特定材料、結(jié)構(gòu)、過程等，以便提供對本公開的較好理解。但是，本公開可以無需所具體提出的細(xì)節(jié)而得以實踐。在其它實例中，眾所周知的處理材料和技術(shù)未詳細(xì)描述，從而不致于不必要地模糊本公開。
在本公開中僅示出并描述了本公開的優(yōu)選實施例以及其通用性的僅幾個示例。應(yīng)理解的是，本公開能用于各種其它組合及環(huán)境，并且易于在如本文所述的所公開的構(gòu)思的范圍之內(nèi)加以改變和/或修改。
權(quán)利要求
1.一種單片、多色半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，包括多帶隙、多量子阱(MQW)有源發(fā)光區(qū)，其發(fā)射在范圍從UV到紅帶或區(qū)的至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的光。
2.如權(quán)利要求1的LED，其中所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括MQW層堆疊，該MQW層堆疊包括將n-1個量子阱間隔開的n個量子壘。
3.如權(quán)利要求2的LED，其中所述MQW層堆疊包括至少兩個不同帶隙的量子阱。
4.如權(quán)利要求3的LED，其中在所述至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的每個的光發(fā)射強度被調(diào)節(jié)并組合以提供光發(fā)射的合成顏色。
5.如權(quán)利要求4的LED，其中所述合成顏色是白光；并且所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括用于在所述綠或藍區(qū)和至少一個其它區(qū)發(fā)射光的量子阱。
6.如權(quán)利要求5的LED，其中每個所述量子阱包括基于氮化物的III-V化合物半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包括至少氮(N)；并且所述裝置包括多個堆疊的基于GaN的半導(dǎo)體層，其外延地形成在基板的表面上。
7.如權(quán)利要求6的LED，其中所述多個堆疊層從所述基板表面起按順序包括至少一個成核/緩沖層，包括最上的N-型層；所述多帶隙、MQW層堆疊；以及，至少一個P-型層；并且所述多帶隙、MQW層堆疊從所述至少一個成核/緩沖層起按疊置順序包括量子壘、深藍量子阱、量子壘、第一綠量子阱、量子壘、第二綠量子阱、量子壘、第三綠量子阱、量子壘、第一藍量子阱、量子壘、第二藍量子阱、及量子壘。
8.如權(quán)利要求7的LED，其中每個所述量子壘約12nm厚且由GaN組成；所述深藍量子阱大約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x等于約0.16，并且在大約428nm具有發(fā)射峰；所述第一、第二及第三綠量子阱的每個大約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x等于大約0.32，并且在大約533nm具有發(fā)射峰；并且，所述第一和第二藍量子阱的每個大約3nm厚，由InxGa1-xN組成，其中x等于大約0.19，并且在大約445nm具有發(fā)射峰。
9.一種制造發(fā)射預(yù)選顏色的光的單片半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的方法，所述方法包括在基板上形成所述裝置的多帶隙、多量子阱(MQW)有源發(fā)光區(qū)，其發(fā)射在至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的光；以及，調(diào)節(jié)在所述至少兩個間隔開的波長帶或區(qū)的每個的光發(fā)射強度，使得它們組合以提供所述預(yù)選顏色，其中所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括MQW層堆疊，該MQW層堆疊包括將n-1個量子阱間隔開的n個量子壘，并且所述MQW層堆疊包括至少兩個不同帶隙的量子阱，用于發(fā)射在范圍從UV到紅的波長帶或區(qū)的光。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中所述預(yù)選顏色是白光；并且所述多帶隙、MQW有源發(fā)光區(qū)包括用于在所述綠或藍區(qū)和至少一個其它區(qū)發(fā)射光的量子阱。
全文摘要
一種單片、多色半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，形成有多帶隙、多量子阱(MQW)有源發(fā)光區(qū)，其發(fā)射在范圍從UV到紅的間隔開的波長帶或區(qū)的光。所述MQW有源發(fā)光區(qū)包括MQW層堆疊，該MQW層堆疊包括將n－1個量子阱間隔開的n個量子壘。實施例包括這樣的實施例，其中所述MQW層堆疊包括至少兩個不同帶隙的量子阱，用于在例如藍或綠區(qū)和至少一個其它區(qū)發(fā)射兩個不同波長的光，并且發(fā)射強度被調(diào)節(jié)以提供經(jīng)組合的光發(fā)射的預(yù)選顏色，優(yōu)選為白光。
文檔編號H01L33/08GK1790756SQ200510098678
公開日2006年6月21日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者廖世蓉, 葉瑾琳, 提叻德切·德切普羅姆, 陳志佳, 葉亞川 申請人:藍波光電股份有限公司