[发明专利]一种光色可调发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，进一步涉及一种光色可调发光二极管及其制备方法。

背景技术

氮化镓基发光二极管具有体积小、效率高、寿命长、节能环保等优点，未来有望取代传统光源，应用在通用照明等领域。

从封装层面而言，目前，实现白光LED的方法主要有两种：一种是将多种单色LED的相互组合混色产生白光，不过，由于各个单色光LED所属的材料体系、驱动电压、温度与光衰减率等均有所差异，而且需要多套电路设计分别控制电流，所以这种方法容易造成设计困难、成本增加；另一种是通过蓝光LED激发黄光荧光粉而实现，LED发出的蓝光一部分用于激发荧光粉，一部分从荧光粉间隙透过，荧光粉产生的黄光与LED发出的蓝光混合而产生蓝白色的准白光，不过，这种单芯片型LED搭配荧光粉产生白光的方法还会产生不可避免的能量损失，即斯托克斯能量损失，损失值为10％～30％。

为了避免利用封装技术来实现白光LED所遇到的种种问题，研究人员开始从有源区入手，研发无荧光粉单芯片白光LED技术，一些研究者采用纵向堆叠多量子阱，即将蓝、绿、黄光量子阱依次沉积于衬底之上，实现了无荧光粉单芯片白光LED。不过由于电子的迁移率远高于空穴的迁移率，所以，在有源区辐射复合过程中，光子产生的效率和发光波长主要由空穴的输运所决定，这就容易导致在电流注入过程中，不同大小的电流注入就会导致有源区中电子和空穴的分布不均，进而影响LED的辐射复合效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是公开一种光色可调发光二极管及其制备方法，以克服LED辐射复合效率不高等问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种光色可调发光二极管，包括衬底和外延层，其中所述外延层包括第一多量子阱层，所述第一多量子阱层中具有贯穿该层的微纳米孔洞，在所述孔洞内沉积有与所述第一多量子阱层上下表面齐平的第二多量子阱结构。

根据本发明的一种具体实施方案，所述第一多量子阱层和第二多量子阱结构的量子阱均为In_xGa_1-xN/GaN结构，x的值为0.01～1，区别仅在于两种多量子阱中的In组份不同。

另外，本发明还提出了一种光色可调发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备衬底；

(2)在衬底上生长外延层，所述外延层包括第一多量子阱层；

(3)在所述第一多量子阱层上刻蚀出若干微纳米孔洞，所述微纳米孔洞贯穿所述第一多量子阱层；

(4)在所述微纳米孔洞中外延生长第二多量子阱结构，直至与所述第一量子阱层的上表面齐平。

根据本发明的一种具体实施方案，步骤(3)的工艺为：在第一多量子阱层上外延生长绝缘介质掩膜层，在绝缘介质掩膜层上涂布光刻胶，在光刻胶上排列一层紧密排列的胶体微纳米球，然后利用胶体光刻技术进行曝光显影，在光刻胶上得到微纳米图形，利用刻蚀方法将光刻胶上的微纳米图形转移到绝缘介质掩膜层上，刻穿掩膜层后，继续刻蚀第一多量子阱层，直到刻穿第一多量子阱层。

根据本发明的一种具体实施方案，在制备方法中，所述胶体光刻技术采用多次旋转倾斜曝光或单次曝光，倾斜角度为0°～45°，旋转角度为0°～360°；所述胶体微纳米球是高分子微球或无机氧化物透明微球，微球直径是500～10000nm。

根据本发明的一种具体实施方案，在制备方法中，第一多量子阱层d的生长温度为700～1200℃，第二多量子阱的结构生长温度为600～1100℃。

根据本发明的一种具体实施方案，在制备方法中，所述第一多量子阱层和第二多量子阱结构的量子阱均为In_xGa_1-xN/GaN结构，x的值为0.01～1，区别仅在于两种多量子阱中的In组分不同。

根据本发明的一种具体实施方案，在制备方法中，在所述步骤(4)之后进一步包括：腐蚀掉绝缘介质掩膜层，并依次外延生长电子阻挡层和p型氮化镓层，生长完成后，对该结构进行退火激活。

通过上述技术方案，本发明的光色可调发光二极管及其制备方法的有益效果在于：

(1)通过在与衬底平行的横向方向上分布不同的量子阱，改变了传统的纵向堆叠多量子阱结构的生长模式，解决纵向堆叠多量子阱结构无荧光粉单芯片白光LED的有源区中电子和空穴分布不均的问题。

(2)通过改变铟组分掺杂量，这种横向结构多量子阱可以实现光色可调且无荧光粉的效果；

(3)通过调节孔洞大小，可以实现各个波长的发光，在高电流注入下，也可以得到稳定的发光波长；