[發明專利]面發射多色發光二極管及其制造方法

無效

• 申請號: 200810236865.2
• 申請日: 2008-12-16
• 公開（公告）號: CN101504961A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發明（設計）人: 汪連山;戴科輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明涉及發光二極管，具體涉及一種新型的面發射多色發光二極管及其制造方法。

背景技術

目前III族氮化物寬禁帶半導體發光器件一般都是在藍寶石或6H-SiC襯底基面上外延生長得到，而在外延生長方向[0001]存在自發極化和壓電極化，得到的氮化物屬于極性氮化物。而由自發極化和壓電極化引起的極化電場對氮化物半導體發光是有害的。如在量子阱異質界面處的極化不連續性引起能帶彎曲和引發量子限制嘶嗒克效應(QuantumConfined?Stark?Effect：QCSE)出現，其后果造成了電子空穴波函數在空間上分離，復合發光效率降低、發光峰的紅移以及發光二極管(LED)發光峰隨著驅動電流增加而藍移等[P.Waltereit，et?al，Nature，406，pp.865，2000]。

為消除極化內電場對量子阱發光的影響，可將氮化物外延在其它晶向襯底上，以得到無極性{1010}m面和{1120}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，因而沿豎直生長方向的異質結構不再受極化電場的影響。當氮化鎵生長在藍寶石(1012)r面或6H-SiC(1120)a面上時，可獲得無極性(1120)a面氮化鎵。若使用γ-LiAlO₂(100)或(1010)m面4H-SiC或6H-SiC襯底，則可得(1010)m面無極性氮化鎵。對沿這些取向所獲得的a面GaN/AlGaN[M.D.Craven，et?al.Jpn.J.Appl.Phys，42，pp.L235，2003]、InGaN/GaN多量子阱[A.Chakraborty，et?al，Appl.Phys.Lett，86，pp.031901，2005]和m面InGaN/GaN多量子阱進行PL測量[Y.J.Sun，et?al，Phys.Rev.B，67，pp.041306，2003]，結果未能觀察到PL發光峰紅移，證實了這些量子阱內沒有內電場存在。近來美國加州大學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＜5×10⁶cm^-2)，得到的LED外量子效率達到38.9％(峰值波長為407nm)，且當注入電流從1mA增加到20mA時，發光峰值隨著注入電流增加的紅移量小于1nm[M.C.Schmidt，et?al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L126，2007]，發光性能已與c面LED相接近。

另一種減小或消除極化內電場的方法是生長半極性III族氮化物，比如取向為{1011}、{1012}、{1013}、{1122}、{1121}的III族氮化物。基于對應變誘導極化的計算結果，沿這些晶面生長的氮化物異質結構具有減弱的內電場，且某些晶面取向在某些應力條件下其體內的凈內電場可以消除[A.E.Romanv，et?al.J.Appl.Phys，100，023522，2006]。2007年，Tyagi等人在半極性(1011)GaN體襯底上實現了在20mA的驅動電流時的輸出功率和外量子效率分別為20.58mW和33.91％的高亮度411nm的紫光LED，且發光峰隨驅動電流增加而產生的峰移很小[A.Tyagi，et?al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L129，2007]，其結果已可與商業化c面LED比擬，顯示半極性氮化物LED性能已達到實用化程度。

此外，利用c面取向圖形GaN模板進行選擇性再生長也可以獲得半極性小面InGaN/GaN量子阱結構[K.Nishizuka，et?al.Appl.Phys.Lett，87，182111，2005]或藍光LED，研究發現因為量子阱內的部分壓電場得到抑制和具有較少的位錯密度的緣故，取向量子阱結構與(0001)、小面量子阱相比，其室溫PL強度最強，內量子效率可達40％，復合發光壽命也比c面取向的平面InGaN量子阱要短3倍。小面InGaN量子阱結構不僅可以提高發光強度，而且可對發光波長進行剪裁，Srinivasan利用使量子阱中銦組分起伏變化的方法來剪裁InGaN量子阱發光，同一量子阱結構可以發出不同波長的光，由于波長覆蓋了可見光譜區的大部分，若生長條件優化就可以發出真正的白光，實現單片集成的白光二極管，而無需波長轉換材料。Funato等將InGaN量子結構生長在GaN微小面上來實現多色光合成，實現了視覺上的二元補色白光[M.Funato，et?al.Appl.Phys.Lett，88，261920，2006]，但是，上述方法存在的問題是發光譜的色域不夠寬，且波長(即對應的顏色)不具有調節性。