CN1219333C - 一种制作白光发光二极管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种制作白光发光二极管的方法，该方法包括如下制备步骤：(1)选择衬底材料，在该衬底上外延生长氮化镓基材料作为下一步的衬底；(2)对氮化镓基材料表面进行钝化；(3)在上述衬底上生长一层氮化镓基量子点作为诱导层；(4)在诱导层上再生长一层或多层异质氮化镓基量子点结构，所生长的单或多层异质氮化镓基量子点结构作为发光二极管的活性层；(5)在活性层上再生长一层P型材料；(6)在P型材料上镀一层电极。采用这种方法制作的白光二极管制作工艺简单，重复性好，发光波段和颜色可调。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料与器件，特别是指一种制作白光发光二极管的方法。
背景技术
随着光电子学研究的迅猛发展，白光二极管的研制成为目前世界许多国家关注的热点，人们普遍公认发光二极管(LED)光源为继白炽灯、荧光灯以后的第三代照明光源。这种新型照明工具各方面指标都远远优于目前的产品，具有高的性价比。首先，一个发光二极管的功耗远低于传统的灯泡，其次是发光二极管寿命长，可达10年以上。白色发光二极管体积小、功耗低、亮度强和热量低的特点也非常适合用作汽车尾灯、航班警告灯和跑道灯等。白色发光二极管可广泛应用于办公设备显示、汽车照明显示、普通照明及各种军事设备。美国《激光世界》曾撰文称到2025年这种新产品将占到照明工具市场的55％以上，每年全球使用这种新光源节省的电可达到1000亿美元。
这样就提出了一个挑战：怎样才能从单色光发光二极管中得到白光？目前人们制作白光二极管的方法主要有：
(1)一种方法是将不同颜色的发光二极管混合在一起产生白光。就像电视用炽热的红、绿、蓝色荧光粉来产生各种颜色，当然也包括白色。恰当的单色发光二极管组合也可以产生白光，标准组合是红、绿、蓝色二极管的组合，而最佳组合仅仅用蓝色和桔色两种发光二极管即可，发射的颜色可根据加到每个发光二极管芯片上的不同功率控制而改变。
(2)第二种方法是用发光二极管去激励其它可以发出白光的材料。一种由氮化镓组成的装置可以发出蓝色光，在这种装置的内部涂上一层磷光剂，磷光剂在受到蓝色光照射后会产生白光，从而实现了一个白光发射器。蓝光光子具有更高的能量，足以触发磷光剂发射白光，这种单片白光发光二极管是用蓝光发光二极管去激发磷光材料，会发出黄色光，人眼观察黄色与蓝色叠加一起时就呈白色光，白光发光二极管已在交通信号、汽车、仪器中开始应用。但是这种方法产生的白光显色性不够好。
(3)第三种方法是以氮化镓(GaN)基紫外光源来激发三色荧光粉从而形成白光，原理同上。
(4)波士顿大学光子研究中心的研究人员最近提出了一种白光二极管，它综合了前面提到的两种方法。他们的“光子再循环”装置由两个发光二极管组成，它们在同一芯片上，由铝烟镓磷(AllnGaP)半导体复合物制成的发光二极管叠在发蓝色光的氮化镓发光二极管之上。蓝光撞击AllnGaP层；一些蓝色光子释放能量并产生桔黄色的光子；其他的光子则通过AllnGaP合金层。
但是，目前这些方法所制作的白光发光二极管存在一些问题。例如白炽灯泡具有非常强的黄色光成分，给人一种温暖的感觉。但是白荧光粉、发光二极管发出的白光明显带有蓝色光成分。在这种白光发光二极管的照明下，一切看起来都不太自然，与白天的情况相差太大。采用激发荧光的方法这还有工艺复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作白光发光二极管的方法，其采用简便易行的工艺方法制作白光发光二极管，具有集成度提高体积下降，工艺稳定性提高。
本发明的另一目的在于提供一种制作白光发光二极管的方法，其所制作的白光发光二极管，发光颜色可以方便的通过调整组分和量子点的尺寸来调节，颜色可以根据需要方便地调整。
本发明的再一目的在于提供一种制作白光发光二极管的方法，不象目前采用的其他方法中需要在后工艺中集成别的单色发光二极管，或是加入涂荧光这一工艺。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下方法：
(1)选择衬底材料，在该衬底上外延生长氮化镓基材料作为下一步的衬底；
(2)对材料表面进行钝化；
(3)在上述衬底上生长一层氮化镓基量子点作为诱导层；
(4)在诱导层上再生长一层或多层异质氮化镓基量子点结构，所生长的单或多层异质氮化镓基量子点结构作为发光二极管的活性层；
(5)在活性层上再生长一层P型材料；
(6)在P型材料上镀一层电极。
其中步骤(1)所说的衬底包括异质衬底和同质衬底；包括采用同质氮化镓单晶，或者异质的蓝宝石，硅单晶，尖晶石，碳化硅，氮化铝，氧化锌，硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底。
其中步骤(2)所说的钝化包括多种钝化方法，气体钝化，或采用氢气，氧气对表面进行钝化；或是液体、固体钝化，或采用硫化物，氧化物。
其中步骤(4)所说的生长多层异质氮化镓基量子点结构，每一层厚度为1纳米到500纳米，不同层之间为不同材料或为相同材料，其材料是指III族氮化物基材料。
其中步骤(5)所说的P型材料是能提供空穴的半导体材料。
其中步骤(6)所说的在P型材料上镀一层电极，该电极是复合电极或是单层电极，电极材料是铝、铂、金、镍金属材料。
附图说明
为了更好的说明本发明的内容，以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述，其中：
图1是本发明多层氮化镓基量子点白光发光二极管的截面图。
具体实施方式
一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，该方法包括如下制备步骤：
(1)选择衬底材料，在该衬底上外延生长氮化镓基材料作为下一步的衬底；所说的衬底可以是异质衬底也可以是同质衬底；如：生长III族氮化物就可以采用同质氮化镓单晶，或者异质的蓝宝石，硅单晶，尖晶石，碳化硅，氮化铝，氧化锌，硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底和等等各种复合衬底。
(2)对材料表面进行钝化；所说的钝化可以是多种钝化方法，如气体钝化，如采用氢气，氧气对表面进行钝化；也可以是液体、固体钝化，如各种硫化物，氧化物等等；只要能够有效的填充衬底表面的悬挂键，提高表面原子的跃迁势垒即可。
(3)在上述衬底上生长一层纳米尺寸的量子点作为诱导层。
(4)然后再生长一层或多层异质量子点结构，所生长的单/多层异质量子点结构作为发光二极管的活性层；所说的生长多层异质量子点结构，每一层厚度为1纳米到500纳米，不同层之间可以为不同材料，不同层之间也可以为相同材料，其材料主要是指III族氮化物基和II-VI族基材料。
(5)在活性层上再生长一层P型材料；所说的P型材料可以是各种能提供空穴的半导体材料。
(6)镀一层电极；所说的镀一层电极，该电极可以是复合电极也可以是单层电极，电极材料可以是铝、铂、金、镍等等适用的金属材料。
所说的“半导体材料”，主要包括III族氮化物及II-VI族等化合物半导体。
所说的“异质”，指的是两种成分不同的半导体材料。两者最本质的区别是禁带宽度不同，即两种半导体材料中，导带底的能量之间或价带顶之间的能量之间有一个能量差。
所说的“钝化”含义如下：可以是多种钝化方法。可以是气体钝化，如采用氢气，氧气对表面进行钝化。也可以是液体、固体钝化，如各种硫化物，氧化物等等。只要能够有效的填充衬底表面的悬挂键，提高表面原子的跃迁势垒即可。
所说的多层薄膜是指数层薄膜结构，每层薄膜由不同材料构成。
本发明的原理是：III族氮化物有很大的压电常数，例如：InN的e31＝-0.37C/m2，GaN的是-0.22C/m2和0.49C/m2，AlN的是0.48C/m2和0.6C/m2。所以当III-N化合物处于应变状态时，会产生大的压电效应。在GaN中并入Al和In会明显改变合金的晶格常数，所以III族氮化物的二元或三元的异质结、量子阱、量子点结构中，存在很大的压电场。除了压电极化之外，在[0001]方向上还存在大的自发极化，一种材料在平衡的时候如果只有一个单的极化轴，那么它将是极化的。六方氮化镓的[0001]方向就是这种情况。因此六方GaN在[0001]方向上存在由压电场和自发极化电场所引起的很大的内建电场，文献报道其值可达MV/cm量级。这时(0001)面的GaN/InGaN量子点的能带结构会受到内建电场很大的影响，该内建电场将把能带拉斜，使得有效带边下降，所以存在内建电场的量子点跃迁能低于不存在内建电场的量子点的跃迁能，这就是所谓的量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect(QCSE))。量子限制斯塔克效应将会导致发射峰峰位红移。多层量子点由于每层尺寸不同，其中存在的内建电场大小不同，于是发光峰红移的量就不同，从而可以通过调整材料的组分和量子点的尺寸大小形成蓝、绿、黄、红等颜色的光，各层量子点所发的光叠加从而合成为白光。
与以往的技术相比，该发明具有以下意义：
1)由于采用多层量子点作为活性层，各波段的发光层被集中在一个芯片上，不必采用多种单色二极管来组合成阵列，使集成度提高体积下降，工艺稳定性提高。2)选择适当的材料和厚度就可以使通过的光子混合而产生白光。发光颜色可以方便的通过调整组分和量子点的尺寸来调节，颜色可以根据需要方便地调整。3)都采用成熟的半导体工艺，因而技术稳定性好，成本低，不需添加任何新的工艺和工艺设备即可完成，不必采用再次激发荧光的方法来产生白光，从而避免了复杂的工艺。
实施例一：氮铟镓(InGaN)多层量子点白光发光二极管
请参阅图1所示，根据本发明第一实施例的InGaN多层量子点白光发光二极管的截面图。该结构的制备包括以下过程：
1.参阅图1，采用(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)1作衬底。
2.在(0001)面蓝宝石衬底上外延生长一层氮化镓的缓冲层2，缓冲层10-50nm厚，生长温度是450-600℃。
3.在缓冲层上生长一定厚度的N型氮化镓3，生长温度1000-1100℃，厚度为0.5-4微米。
4.对氮化镓薄膜进行钝化。
5.在氮化镓模板上生长低温氮化镓量子点4，作为调整层。
6.在氮化镓量子点上面覆盖一层或多层InGaN量子点5，作为器件的活性层。具体生长条件及多层膜的结构视所设计的结构而定。
7.在活性层的上面生长0.5到3微米的P型层6。
8.在P型层上生长一层电极层7。
步骤1中的衬底除(0001)面蓝宝石(C-Al2O3)外，也可以采用任何一个面的蓝宝石做衬底，或者氮化镓(GaN)单晶，硅单晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)，硅上生长氧化铝复合衬底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)、硅上生长氧化锌复合衬底(ZnO/Si)和AlN/SiC等等各种复合衬底。总之，只要能够使在该衬底上外延的III族氮化物有较好的质量可以作为GaN量子点的模板即可。虽然在多种衬底上外延都可以得到同样的效果，我们认为目前以(0001)面蓝宝石做衬底较好，该衬底和其他衬底相比具有廉价，易于获得的优点。
步骤2-4中各材料的外延生长方法采用MOCVD方法是目前最好的方式。
步骤4中的钝化可以是各种有效的钝化方法。包括各种氧化剂，硫化物，氢化物。只要能够有效的填充氮化镓表面的悬挂键，增大表面扩散势垒即可。
步骤6中量子点是多层，层数不限，每一层厚度为1纳米到500纳米。不同层之间可以为不同材料，例如图1中所标示的A、B、C分别表示不同的异质材料层；不同层之间也可以为相同材料。例如A层和C层相同又与B层不同，从而构成一个双异质结构。
Claims (6)
1.一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，该方法包括如下制备步骤：
(1)选择衬底材料，在该衬底上外延生长氮化镓基材料作为下一步的衬底；
(2)对材料表面进行钝化；
(3)在上述衬底上生长一层氮化镓基量子点作为诱导层；
(4)在诱导层上再生长一层或多层异质氮化镓基量子点结构，所生长的单或多层异质氮化镓基量子点结构作为发光二极管的活性层；
(5)在活性层上再生长一层P型材料；
(6)在P型材料上镀一层电极。
2.根据权利要求1所述的一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，其中步骤(1)所说的衬底包括异质衬底和同质衬底；包括采用同质氮化镓单晶，或者异质的蓝宝石，硅单晶，尖晶石，碳化硅，氮化铝，氧化锌，硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底。
3.根据权利要求1所述的一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，其中步骤(2)所说的钝化包括多种钝化方法，气体钝化，或采用氢气，氧气对表面进行钝化；或是液体、固体钝化，或采用硫化物，氧化物。
4.根据权利要求1所述的一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，其中步骤(4)所说的生长多层异质氮化镓基量子点结构，每一层厚度为1纳米到500纳米，不同层之间为不同材料或为相同材料，其材料是指III族氮化物基材料。
5.根据权利要求1所述的一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，其中步骤(5)所说的P型材料是能提供空穴的半导体材料。
6.根据权利要求1所述的一种制作白光发光二极管的方法，其特征在于，其中步骤(6)所说的在P型材料上镀一层电极，该电极是复合电极或是单层电极，电极材料是铝、铂、金、镍金属材料。
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