一种多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法

专利名称：一种多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种发光元件，尤其涉及一种多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法，属于光电子器件技术领域。
背景技术：
LED作为一种固态光源具有体积小、寿命长、亮度高、能耗低、不产生二次污染、易集成等众多优点，作为一种绿色照明光源，它已经从高端照明领域逐渐进入通用照明。单色 LED已经实现了商业化，但因其色彩单一，要发出白光必须通过多颗LED组合，比如三原色方法和蓝黄光混合方法，或者外涂荧光粉受激发射其他色光方法来实现。多颗LE D组合方法，发光色彩灵活，但量产难度大，多用于制造高附加值的LED显示屏。一个显示屏要求LED 颗粒数量巨大，但是不同生产批次的LED的色彩差异大，并且因LED颗粒尺寸限制，近距离分辨率低，导致LED显示屏的应用范围被缩窄。外涂荧光粉方法虽然成本较低、工艺简单， 但荧光粉容易失效，造成整颗LED寿命减少，而且荧光粉的发光效率限制了 LED的整体发光效率。一个公开的专利(申请号CN200410009267. 3，宽谱白光LED的量子点有源区结构及其外延生长方法)提出了采用量子点制造白光LED的方法，该方法利用自组织生长方法生长量子点，量子点尺寸随机波动大，光谱宽，但对量子点生长的控制要求高，波长容易偏移，色彩的纯度无法控制。一个公开专利(申请号CN 200410000148. 1，发光二极管结构) 提出采用不同波长的量子阱层叠在有源层中，同时发出红、绿、蓝光制造白光LED，但不同的量子阱互相干扰，波长受电流电压影响难以控制，光的混色难以达到理想效果。

发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种结构合理，可以有效提高产品寿命， 提高发光二极管的光转换效率等优点的多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种多源集成色彩可调的发光元件，它自上而下依次包括电极层；由多个ρ电极和η电极按照不同发光波长区域间隔排列构成，其中至少有一种电极之间互相绝缘，使之对不同发光波长的区域进行独立调控；ρ型半导体接触层；ρ型半导体阻挡层，其能隙比ρ型半导体接触层宽；有源层，其发光波长从红光到蓝光，发光结构为量子点和量子阱，量子点位置被限制在相应区域；η型半导体阻挡层，能隙比η型半导体接触层宽；η型半导体接触层；衬底。所述电极层的ρ电极接入ρ型半导体接触层，η电极接入η型半导体接触层；若衬底为绝缘透光，则η电极穿透P型半导体接触层、阻挡层和有源层接入η型半导体接触层， 与P电极同列于发光元件最上层；若衬底为透光导电体，η电极接在导电衬底上，使ρ电极和η电极分列于发光元件两侧；其中，ρ电极至少包含透明导电层，透明导电层为氧化铟锡材料；η电极为金属电极，金属电极为镍、金、银、钛、铝、铜中的一种或两种以上任意质量比例的组合；η电极与ρ 电极的绝缘材料为氮化硅或氧化硅，同时用作发光元件的钝化层。所述ρ型半导体接触层为三五簇半导体AlaGabIn1^bP, AlfflGanIn1^nAs或 Α ρε^η^Ν，其中 0 < a，b，m，η, χ, y ^ 1,0 彡 l_a_b，l-m-n，Ι-χ-y 彡 1，并掺拌形成空穴的杂质Mg或Zn，掺拌浓度为》5 X IO18Cm-3 ；所述ρ型半导体阻挡层为三五簇半导体 AlaGabIIi1^bP> AlmGanIn1^nAs 或 AlxGayIn1^yN,其中 0 < a, b, m, n, x, y < 1,0 < l—a—b, l-m-n, 1-x-y < 1，其中ρ型半导体阻挡层能隙要比ρ型半导体接触层能隙宽，半导体晶格常数与P型半导体接触层匹配；形成空穴的掺拌杂质为Mg或Si，掺拌浓度为> 5 X 1018cm_3。所述有源层包含根据发光波长分配的多重量子点层，相邻的量子点层通过隔离层互相隔离，多重量子点层通过上、下两层半导体垫层与P阻挡层和η阻挡层隔离；量子点层的材料为^/^^^^或^^㈧斤，其中0彡m彡1，0彡χ彡1 ；隔离层以及上、下垫层的材料为 A1 aGabIη^^P>A1 mGanIη!^As 或 AlxGayIn1-PyN,其中 0 ^ a,b,m,n,x,y ^ 1,0 < l—a—b, 1-m-n，1-x-y < 1，所述隔离层和垫层的能隙要比量子点层的能隙宽；有源层具体结构自下而上包括下层半导体垫层，其能隙大于量子点层，但小于或等于η型和ρ型半导体接触层的能隙；量子点层，发光波长可从红光到蓝光范围；掩埋层，在量子点层上覆盖一薄膜即构成掩埋层，掩埋层材料采用InnGaa_n)AS或 ^iyGa(H)N,其中0 < η < 1，0 < y < 1，所述掩埋层的能隙要大于量子点层的能隙，但小于半导体垫层和隔离层的能隙；在掩埋层之上生长隔离层，其能隙要大于量子点层和掩埋层的能隙，小于和等于半导体垫层的能隙；量子点层、掩埋层和隔离层周期反复构成多层量子点发光结构；上层半导体垫层，其能隙大于量子点层，但小于或等于η型和ρ型半导体接触层的能隙。所述有源层包含根据发光波长分配的多重量子点层和多重量子阱层，相邻的量子点层或量子阱层通过隔离层互相隔离，多重量子点层和多重量子阱结构通过上、下两层半导体垫层与P阻挡层和η阻挡层隔离；量子点层和量子阱层的材料为InmGa(1_m)AS或 InxGa(1_x)N，其中0彡m彡1,0 ^ χ ^ 1 ；隔离层以及上、下垫层的材料为ΑΙ^ε^η^Ρ、 AlmGanIn1^nAs AlxGayIn1^yN, ^1=I11 0^a,b,m,n,x,y^ 1,0 < l~a~h, l-m-n, Ι-χ-y ^ 1, 所述隔离层和垫层的能隙要比量子点层和量子阱层的能隙宽；所述有源层自下而上包括下层半导体垫层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于η型和ρ型半导体接触层的能隙；量子点层，发光波长可从红光到蓝光范围；
掩埋层，在量子点层上覆盖一薄膜即构成掩埋层，掩埋层材料采用InnGaa_n)AS或 hyGa(1_y)N，其中0 < η < 1，0 < y < 1，所述掩埋层的能隙要大于量子点层但小于半导体垫层和隔离层的能隙；在掩埋层之上生长隔离层，所述隔离层的能隙要大于量子点层和掩埋层的能隙， 但小于或等于半导体垫层的能隙；量子点层、掩埋层和隔离层周期反复构成多层量子点发光结构；在多重量子点层之上生长隔离层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于η型半导体接触层的能隙；量子阱层；在量子阱层之上生长隔离层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于半导体垫层的能隙；量子阱层和隔离层周期反复构成多重量子阱发光结构；上层半导体垫层。所述η型半导体阻挡层为三五簇半导体AlaGabIni_a_bP、AlfflGanIn1^nAs或 Α ρε^η^Ν，其中 0 彡 a，b，m，n，x，y 彡 1，0 彡 l_a_b，l-m-n，Ι-χ-y ( 1，其能隙要比 η 型半导体接触层宽，η型半导体阻挡层晶格常数与η型半导体接触层匹配或近似，并掺拌形成自由电子的掺拌杂质Si、S或Te，掺拌浓度为彡5X IO1W30所述η型半导体接触层，其材料为三五簇半导体AlaGabIni_a_bP、AlfflGanIn1^nAs或 Α ρε^η^Ν，其中 0 彡 a，b，m，n，x，y 彡 1，0 彡 l_a_b，l-m-n, Ι-χ-y 彡 1，η 型半导体接触层与P型接触层相同或不同，但两者晶格常数要匹配或近似，并掺拌形成自由电子的掺拌杂质Si、S或1^，掺拌浓度为彡5X IO18CnT3。所述衬底为生长基板，或将生长基板剥离后转换成导电、导热透明的基板。所述衬底为蓝宝石或碳化硅晶体，此时须在生长半导体结构前沉积一层缓冲层， 其结构至少包括一层GaN成核层或AlGaN/GaN超晶格以及至少一层GaN或η型GaN半导体薄膜。一种多源集成色彩可调的发光元件的制备方法，其特征是，它的过程为(1)生长缓冲层和η型半导体接触层在生长基板上使用有机金属化合物气相沉积方法(MOCVD)或氢化物气相外延方法(HVPE)预先生长包括缓冲层、η型半导体接触层的预先生长结构，预先生长结构与有源层中最低一层的量子点层距离IOOnm以内；(2)外延片图形化取出预先生长结构的外延片，采用量子点定位技术，在定位处蚀刻出横向尺寸不超过lOOnm，垂直深度不超过50nm的孔洞，孔洞可以是方形孔洞；孔洞尺寸对应不同发光波长的量子点，同一个外延片上不同区域所要求的发光波长对应不同的量子点定位孔洞尺寸；(3) pn结构外延生长对外延片图形化之后，对外延片再次进行MOCVD方法外延生长。首先生长一层与η 型接触层材料相同的η型半导体薄膜，改善外延片图形化过程中的损伤。在生长完η型阻挡层后，在定位孔洞处生长上经定位孔洞定义大小位置的多重量子点层，构成以量子点为主要发光结构的有源层；在有源层之上继续生长P型半导体阻挡层和P型半导体接触层，完成多源集成色彩可调的发光元件的Pn结构的外延生长；或者有源层为量子点和量子阱的混合结构在如上所述方法生长完多重量子点之后，继续生长一层隔离层，隔离多重量子点层和接下来的多重量子阱层，能隙比量子点和量子阱宽，但不大于η型和ρ型半导体接触层；隔离层之上生长多重量子阱层，发光波长比位于其下的量子点要小；之后继续生长P型半导体阻挡层和P型半导体接触层，完成多源集成色彩可调的发光元件的Pn结构的外延生长；(4)电极的制作对生长完成的外延片再进行蚀刻、集成电极工序，最终完成多源集成色彩可调的发光元件结构；同一个发光元件中同时拥有多种波长，并通过电流电压调控，混合出不同的发光色彩。所述步骤O)中控制量子点尺寸时，在量子点层组成成分相同的情况下，通过控制量子点定位孔洞尺寸大小来控制量子点大小，进而控制量子点的发光波长；或者通过控制部分相邻量子点定位孔洞的距离，使量子点生长后融合或足够近到因为状态波侵入相邻的量子点，产生量子点尺寸等效放大效应，从而制造第二发光波长的等效量子点。所述步骤(3)中，对不同量子点的可控区分的生长方法，其步骤包括(1)在图形化的外延片上沉积一层与η型半导体接触层材料相同的η型半导体薄膜，修补在制造量子点定位孔洞时形成的缺陷，并沉积一层η型半导体阻挡层和有源层的下层半导体垫层；(2)采用斯特朗斯基-克兰斯塔诺夫Stranski-Krastanov (SK)生长方法或亚原子层SubmonolayeHSML)量子点生长方法，控制沉积第一发光波长的量子点的生长物质量， 利用孔洞干扰点更易沉积物质的原理，对量子点定位，并由于定位孔洞对量子点大小的定义，在孔洞位置生长成特定发光波长的量子点；(3)控制沉积能隙大于等于第一发光波长量子点的掩埋层，覆盖在已长好的量子占上-(4)再覆盖一层隔离层，厚度足够隔离上下相邻的量子点状态波的干扰，同时传递应力，使接下来的新一层量子点生长在同一位置；(5)根据需要重复生长多重量子点。所述方法生成的每个波长的发光区可以输入不同的注入电流和电压；在以混合量子点和量子阱为发光结构的发光区，当注入电流较小时，量子点为主要发光结构，当注入电流较大时，量子阱为主要发光源。本发明的显著优势在于通过对量子点的定位，控制有源层横向上不同区域能够发出不同波长的光，直接集成多源的发光二极管，因此一方面避免了采用荧光粉等短寿命、 低效率的发光材料，也避免了后期复杂的多颗发光二极管的整合工艺，提高了生产效率；另一方面由于量子点的高量子效率，还提高了发光二极管的光转换效率。


图1是本发明实施例1的多源集成色彩可调氮化镓基发光二极管中的单一波长发光部分的结构示意图。
图2是本发明实施例1的多源集成色彩可调氮化镓基发光二极管的结构制造工艺示意图。图3a是短波长量子点定位孔洞图。图北是长波长量子点定位孔洞图。图3c是长波长量子点定位孔洞图。图4是本发明红绿蓝三色多源集成色彩可调氮化镓基发光二极管的结构示意图。图5是本发明实施例2的多源集成色彩可调氮化镓基发光二极管中的单一波长发光部分的结构示意图。图6是本发明实施例2的多源集成色彩可调氮化镓基发光二极管的结构制造工艺示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。实施例1 红绿蓝三色集成可调的氮化镓(GaN)基的发光元件，其中的单一波长发光部分的结构示意图参见图1，自下而上包括(1)衬底 17一个透明生长衬底17，其材料可以是蓝宝石；(2)缓冲层紧贴衬底17侧是一层约IOOOnm GaN缓冲层16b，根据芯片结构可以η型掺拌或不掺拌，本实施例的缓冲层至少包含一层15-25nm GaN成核层1605和1 μ m的GaN层1604，用于减少晶格不匹配；(3) η型半导体接触层16
缓冲层16b之上是约2000nm GaN材料的η型半导体接触层16a，它包含500nm η型GaN定位层1602，本实施例采用500nm GaN: Si, η彡5X 1018cm_3，用于蚀刻成量子点定位孔洞阵列；定位层之上再沉积一层40nm的η型GaN改善层1601，本实施例采用40nm GaN:Si, η彡5X IO1W3 ；定位层和改善层下部则是1500nm的GaN:So，η彡5Χ IO18CnT3层 1603 ；(4) η型半导体阻挡层15缓冲层1 之上是IOnm的η型AlxGi^ni_x_yN半导体阻挡层15，其中0 < x， y ^ 1,0 < 1-x-y ^ 1，在本实施例中，η半导体阻挡层15优选采用IOnm的AIxGe^xN: Si， η彡5X1018cm_3，其中χ选为不大于10% ；(5)有源层 14η型半导体阻挡层15之上是有源层14，其以量子点为主要发光结构，自下而上至少包含5-20nm GaN下层半导体垫层1401 ；其能隙大于量子点层1404，但小于或等于η型半导体接触层16a的能隙；量子点层1403，发光波长可从红光到蓝光范围；本实施例采用InGaN量子点，一层量子点的h平均组分位于15-70%，量子点大小控制在30-100nm之内；
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量子点层1404之上覆盖一层含较少铟组分的InGaN掩埋层1403，用于减少InGaN 量子点层1404所受应力；掩埋层1403的能隙可控制在蓝光范围；在掩埋层1403之上生长隔离层1402，其材料与上、下半导体垫层1401相同或不同，所述隔离层1402的能隙要大于掩埋层1403和量子点层1404的能隙；本实施例的隔离层 1402 为 10-20nm GaN ；量子点层1404、掩埋层1403和隔离层1402周期反复构成多层量子点发光结构；上层半导体垫层1401。(6) ρ型半导体阻挡层13有源层14之上是IOnm AlxGayIn1^yN的ρ型半导体阻挡层13，本实施例优选采用 IOnm Alx^vxN = Mgd 彡 5X1018cm_3，其中 χ 选为不大于 10% ；(7) ρ型半导体接触层12ρ型半导体阻挡层13之上是IOOnm的ρ型半导体接触层12，本实施例采用IOOnm GaN:Mg, ρ 彡 5 X IO18CnT3 ；(8)电极层 11最上一层是电极层11，其包含ρ电极Ila和η电极lib。ρ电极Ila至少包含透明导电层，比如氧化铟锡。P电极Ila接入P型半导体接触层12，η电极lib接入η型半导体接触层16a，至少一种电极间互相绝缘，比如不同有源区的ρ电极Ila通过钝化层如互相绝缘，见图4。本实施例的制备方法分四个步骤(图幻实现生长缓冲层和η型半导体接触层步骤21、外延片图形化步骤22、ρη结构外延生长步骤23和电极的制作步骤24。其中生长缓冲层和η型半导体接触层步骤21包括步骤211和步骤212 ；ρη结构外延生长步骤23包括步骤231、步骤232和步骤233。具体过程如下步骤211:生长缓冲层在蓝宝石衬底17上采用MOCVD方法或HVPE方法先生长一层缓冲层16b，即先在低温下沉积15-25nm GaN成核层1605，再于高温下生长η型掺拌或不掺拌的GaN层1604，总厚度不小于lOOOnm。步骤212 生长η型半导体接触层在缓冲层16b之上高温下生长GaN材料的η型半导体接触层16a，首先沉积一层厚度1500nm的GaN层1603，Si掺拌η彡SXlO1W30随后继续生长 500nmGaN:Si(n 彡 5 X IO1W3)作为定位层 1602。步骤22 外延片图形化(定位孔洞的制造)生长好接触层的外延片自晶体生长设备取出，进行下一步制造量子点定位生长所需的孔洞，参见图3a、图北、图3c。其中，定位方法可以采用纳米压印和干法或湿法刻蚀技术。定位孔洞大小为40-80nm，深度不大于50nm，每个孔洞被控制在边长IOOnm的方格内， 而方格构成一个更大的网状矩形结构，其长为1mm，宽0.3mm。如此三个同样大小的网状矩形，以及加上互相间距，构成一个1 X Imm2的方形结构。一个1 X 0. 3mm2的网状矩形中的每个方格中心被蚀刻一个孔洞，为蓝光波长区(图3a)；—个1X0. 3mm2的网状矩形中的每个方格被蚀刻一个孔洞，并且每两个相邻的孔洞在方格共同的一边互相靠近，间距20-40nm(图 3b)，为绿光波长区；一个1X0. 3mm2网状矩形中的每个方格被蚀刻一个孔洞，并且每四个相邻的空洞互相聚拢，间距20-40nm，为红光波长区。每个发光波长区中的方格也可以根据发光波长的不同，直接按照图3a方法蚀刻上不同尺寸大小的孔洞。步骤231 生长半导体改善层和η型半导体阻挡层外延片图形化后经清洗重新置入MOCVD进行改善层和阻挡层的生长。首先厚度 40nm η型GaN改善层1601，掺拌为η彡5Χ 1018cnT3，以改善因刻蚀造成的外延片晶体表面的损伤。随后，生长IOnm厚的η型AlxGaa_x)N半导体阻挡层15，其中χ选为不大于10%。该阻挡层Si掺拌浓度达到η彡5 X IO1W0步骤232 生长量子点有源层首先在η型半导体阻挡层15之上长一层5-20nm或更厚的GaN垫层。量子点层 1405生长在垫层之上。量子点的尺寸以及组分通过对生长温度、生长压强、V/III比例等精确控制来获得。在量子点组分恒定的情况下，量子点的发光波长由量子点的尺寸决定。对 InGaN量子点，h平均组分介于15% -70%，生长温度的范围为500-680摄氏度，生长压强的范围为 100-800mbar，V/III 比例 500-80000。量子点的生长可以采用两种方法SK生长模式和SML生长模式。在SK生长模式下，一次沉积2-5M0n0layer (ML)的InGaN，InGaN在孔洞位置优先沉积并聚拢，形成量子点。 在SML生长模式下，hN* GaN按一定比例以0. 5-3ML的物质量输入MOCVD反应腔，0. 5-3ML 的InN优先沉积在孔洞位置，其上被GaN覆盖，再沉积一层0. 5-3ML的hN，然后GaN覆盖， 反复6-20次，生长成量子点。本实施例优选为单个定位孔洞上生长成蓝光量子点，构成蓝光波长区主要发光结构。在绿光波长区，两个蓝光量子点通过相邻二个孔洞相互间距的控制，可为20-40nm 或者更近，通过生长过程中的表面张力积聚效应，互相靠近生长，在发光时状态波相互入侵，等效形成绿光量子点，发出波长较长的绿光。在红光波长区，类似绿光波长区的生长方法，多个蓝光量子点互相聚合，状态波互相侵入，等效形成红光量子点，发出波长最长的红光。量子点层之上考虑到延缓应力，再覆盖一层不大于蓝光发光波长的掩埋层1403， 然后生长上10-20nm或更厚的GaN隔离层1402，隔离对下一层量子点状态波的影响。InGaN量子点层反复生长三次或更多，构成多重量子点发光层，提高发光强度。多重量子点层之上再覆盖一层5-20nm或更厚的GaN垫层1401，完成有源层14的外延生长。步骤233 =P型半导体阻挡层和ρ型半导体接触层在GaN垫层1401之上再生长IOnm ρ型Alx^vxN = Mg半导体阻挡层1301，其中 P彡5 X 1018cnT3，χ不大于10%。外延生长的最后一层为150nm GaN(1201)，Mg掺拌浓度 ρ 彡 5 X 1018cm_3o量子点的热稳定较差，在其之上的其他半导体层的生长温度必须选择在不破坏量子点的温度范围之内，S卩900°C以下。步骤M 电极的制作生长完的外延片经过干法刻蚀、蒸镀等工序，覆上电极层，制成半导体发光元件 (图4)。发光元件被蚀刻成红光波长区41、蓝光波长区42以及绿光波长区43。P型半导体接触层412、422和432之上可覆盖透明导电层，做电流扩散，并互相绝缘，构成互相独立的 P电极411a、421a、431a。N电极411b、421b、431b穿过ρ型半导体接触层412-432、有源层 413-433接入通过蚀刻露出的η型半导体接触层如。每组电极必须通过氮化硅或氧化硅绝缘层4c互相绝缘，可以独立进行电压电流的控制。绝缘层也同时可以钝化发光元件半导体部分，保护发光元件。一整片经过加工的芯片，再集成上控制电路，可以发出红、蓝、绿三色光，参见图4。 每个发光区的发光强度与注入电流近似成线性关系，通过独立ρ/η电极41 la/41 Ib (红光)、 421a/421b (蓝光)、431a/431b (绿光)对红、蓝、绿波长区进行发光强度调节，混合后可以形成理想的3000K-6500K范围内不同色温的白光源。对发光元件进一步优化还可以分别集成上色彩过滤层，比如沉积上非介电质分布式布拉格反射镜(DBR)，分别过滤三原色，提高色彩纯度。实施例2:红绿蓝三色集成可调的氮化镓(GaN)基的发光元件，其中的单一波长发光部分的结构示意图参见图5，自下而上包括(1)衬底 57;(2)缓冲层 56b;(3) η型半导体接触层56a;(4) η型半导体阻挡层55;(5)有源层 M ；(6) ρ型半导体阻挡层53;(7) ρ型半导体接触层52;(8)电极层 51。本实施例的单一发光波长结构与实施例1的不同之处在于有源层。其有源层M 以混合的量子点和量子阱为主要发光结构，自下而上至少包含5-20nm GaN下层半导体垫层MOl ；其能隙大于量子点层M07，但小于或等于η型半导体接触层56a的能隙；量子点层M07，发光波长可从红光到蓝光范围；本实施例采用InGaN量子点，一层量子点的h平均组分位于15% -70%，量子点大小控制在30-100nm之内；量子点层M07之上覆盖一层含较少铟组分的InGaN掩埋层M06，用于减少InGaN 量子点层M07所受应力；掩埋层M06的能隙可控制在蓝光范围；在掩埋层M06之上生长隔离层M05，其材料可与上、下半导体垫层MOl相同或不同，所述隔离层M05的能隙要大于掩埋层M06和量子点层M07的能隙；本实施例的隔离层 5405 为 10-20nm GaN ；量子点层M07、掩埋层M06和隔离层M05周期反复构成多重量子点发光结构；多重量子点之上生长一层隔离层M04，其能隙要比多重量子点层以及接下来的多重量子阱层来的宽，本实施例为20-40nm GaN ；隔离层M04之上为InGaN量子阱层5403，h组分为10-20%，发光波长为蓝光；InGaN量子阱层M03之上是隔离层M02，本实施例为2_10nm GaN ；量子阱层M03和隔离层M02周期反复构成多重量子阱层；
多重量子阱之上是上层半导体垫层M01。本实施例的发光元件的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，分四个步骤 (图6)实现生长缓冲层和η型半导体接触层步骤61、外延片图形化步骤62、ρη结构外延生长步骤63和电极的制作步骤64。其中生长缓冲层和η型半导体接触层步骤61包括步骤611和步骤612 ；ρη结构外延生长步骤63包括步骤631、步骤632和步骤633。本实施例的发光元件的制备方法与实施例1的不同之处在于外延图形化步骤62， 其方法如下生长好接触层的外延片自晶体生长设备取出，进行下一步制造量子点定位生长所需的孔洞，参见图3a、图北。其中，定位方法可以采用纳米压印和干法或湿法刻蚀技术。定位孔洞大小为40-80nm，深度不大于50nm，每个孔洞被控制在边长IOOnm的方格内，而方格构成一个更大的网状矩形结构，其长为1mm，宽0. 3mm。如此二个同样大小的网状矩形和一个同样大小的无孔洞蚀刻区，以及加上互相间距，构成一个IXlmm2的方形结构。一个1X0. 3mm2的网状矩形中的每个方格中心被蚀刻一个孔洞，为绿光波长区(图3a)；—个 1X0. 3mm2的网状矩形中的每个方格被蚀刻一个孔洞，一对相邻的孔洞在方格共同的一边互相靠近，间距20-40nm(图北)，为红光波长区；空白1X0. 3mm2矩形在蚀刻过程通过保护层保护，为蓝光波长区，可位于绿光和红光波长区中间。本实施例的发光元件的制备方法与实施例1的不同之处还在于ρη结构外延生长步骤63中的有源层外延生长步骤632，其方法如下首先在η型半导体阻挡层55之上长一层5-20nm或更厚的GaN垫层。量子点层 M07生长在垫层之上。量子点的尺寸以及组分通过对生长温度、生长压强、V/III比例等精确控制来获得。在量子点组分恒定的情况下，量子点的发光波长由量子点的尺寸决定。对 InGaN量子点，h平均组分介于15% -70%，生长温度的范围为500-680摄氏度，生长压强的范围为 100-800mbar，V/III 比例 500-80000。量子点的生长可以采用两种方法SK生长模式和SML生长模式。在SK生长模式下，一次沉积2-5M0n0layer (ML)的InGaN，InGaN在孔洞位置优先沉积并聚拢，形成量子点。 在SML生长模式下，hN* GaN按一定比例以0. 5-3ML的物质量输入MOCVD反应腔，0. 5-3ML 的InN优先沉积在孔洞位置，其上被GaN覆盖，再沉积一层0. 5-3ML的hN，然后GaN覆盖， 反复6-20次，生长成量子点。本实施例优选为单个定位孔洞上生长成绿光量子点，构成绿光波长区的主要发光结构。在红光波长区，两个绿光量子点通过相邻二个孔洞相互间距的控制，可为20-40nm 或者更近，通过生长过程中的表面张力积聚效应，互相靠近生长，在发光时状态波相互入侵，等效形成红光量子点，发出波长较长的红光。量子点层之上考虑到延缓应力，再覆盖一层不大于蓝光发光波长的掩埋层M06， 然后生长上10-20nm或更厚的GaN隔离层5405，隔离对下一层量子点状态波的影响。InGaN量子点层反复生长三次或更多，构成多重量子点发光层，提高发光强度；多重量子点层之上覆盖一层隔离层M04，然后生长InGaN蓝光量子阱层5403，以及量子阱GaN隔离层M02 ；量子点层之上的每一层的生长温度不得超过量子点的热稳定温度，即不超过900°C以下；InGaN量子阱层M03和GaN隔离层M02周期反复，构成多重量子阱层；
多重量子阱层之上再覆盖一层5-20nm或更厚的GaN垫层MOl，完成有源层M的外延生长。本实施例发光元件的每个发光区的电流电压都可以独立控制(图4)。量子阱的注入电流密度要高于量子点。故量子点为发光结构的发光区，即红绿发光区，通过输入较低注入电流，只让量子点发光，获得红光和绿光。蓝光发光区需输入较大注入电流，使量子阱发光。蓝光发光区的量子点因为尺寸大小随机分布而光强较弱，且受较大注入电流的激发，发出的光的波长也包含蓝光，作为蓝光源的补充。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1.一种多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，它自上而下依次包括电极层；由多个P电极和η电极按照不同发光波长区域间隔排列构成，其中至少有一种电极之间互相绝缘，使之对不同发光波长的区域进行独立调控；P型半导体接触层；P型半导体阻挡层，其能隙比P型半导体接触层宽；有源层，其发光波长从红光到蓝光，发光结构为量子点和量子阱，量子点位置被限制在相应区域；η型半导体阻挡层，能隙比η型半导体接触层宽；η型半导体接触层；衬底。
2.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述电极层的ρ电极接入P型半导体接触层，η电极接入η型半导体接触层；若衬底为绝缘透光，则η电极穿透 P型半导体接触层、阻挡层和有源层接入η型半导体接触层，与ρ电极同列于发光元件最上层；若衬底为透光导电体，η电极接在导电衬底上，使ρ电极和η电极分列于发光元件两侧；其中，P电极至少包含透明导电层，透明导电层为氧化铟锡材料；η电极为金属电极，金属电极为镍、金、银、钛、铝、铜中的一种或两种以上任意质量比例的组合；η电极与ρ电极的绝缘材料为氮化硅或氧化硅，同时用作发光元件的钝化层。
3.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述ρ型半导体接触层为三五簇半导体 AlaG￡ibIni_a_bP，AlmG￡tnIni_m_nAs 或 AlxG￡^ni_x_yN，其中 0 彡 a，b，m， n，x，y彡1，0彡l-a-b,l-m-n,l-x-y ^ 1，并掺拌形成空穴的杂质Mg或Si，掺拌浓度为彡5X IO1W ；所述ρ型半导体阻挡层为三五簇半导体AlaG%Ini_a_bP、AlmGanIn1^nAs或八1!^￡^111_!￡_力，其中0彡&，13，111，11，1，7彡 1,0 ^ l-a-b，l-m-n，l-x_y 彡 1，其中 P 型半导体阻挡层能隙要比P型半导体接触层能隙宽，半导体晶格常数与P型半导体接触层匹配；形成空穴的掺拌杂质为Mg或Si，掺拌浓度为彡5 X IO1W30
4.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述有源层包含根据发光波长分配的多重量子点层，相邻的量子点层通过隔离层互相隔离，多重量子点层通过上、下两层半导体垫层与P阻挡层和η阻挡层隔离；量子点层的材料为InmGa(1_m)AS 或hxGa(1_x)N，其中0彡m彡1，0彡χ彡1 ；隔离层以及上、下垫层的材料为AlaGabIni_a_bP、 AlmGanIn1^nAs AlxGayIn1^yN, ^1=I11 0^a,b,m,n,x,y^ 1,0^ l~a~h, 1-m-n, Ι-χ-y ^ 1, 所述隔离层和垫层的能隙要比量子点层的能隙宽；有源层具体结构自下而上包括下层半导体垫层，其能隙大于量子点层，但小于或等于η型和P型半导体接触层的能隙；量子点层，发光波长可从红光到蓝光范围；掩埋层，在量子点层上覆盖一薄膜即构成掩埋层，掩埋层材料采用InnGaa_n)AS或 ^iyGa(H)N,其中0 < η < 1，0 < y < 1，所述掩埋层的能隙要大于量子点层的能隙，但小于半导体垫层和隔离层的能隙；在掩埋层之上生长隔离层，其能隙要大于量子点层和掩埋层的能隙，小于和等于半导体垫层的能隙；量子点层、掩埋层和隔离层周期反复构成多层量子点发光结构；上层半导体垫层，其能隙大于量子点层，但小于或等于η型和P型半导体接触层的能隙。
5.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述有源层包含根据发光波长分配的多重量子点层和多重量子阱层，相邻的量子点层或量子阱层通过隔离层互相隔离，多重量子点层和多重量子阱结构通过上、下两层半导体垫层与P阻挡层和η阻挡层隔离；量子点层和量子阱层的材料为hmGaa_m)As或InxGaa_x)N，其中0彡m彡1，0彡χ彡1; 隔离层以及上、下垫层的材料为 AlaG￡ibIni_a_bP、AlmG￡inIni_m_nAS 或 AlxG￡iyIni_x_yN，其中 0 彡 a， b，m, η, χ, y^ 1,0^ 1-a-b, 1-m-n, Ι-χ-y彡1，所述隔离层和垫层的能隙要比量子点层和量子阱层的能隙宽；所述有源层自下而上包括下层半导体垫层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于η型和P型半导体接触层的能隙；量子点层，发光波长可从红光到蓝光范围；掩埋层，在量子点层上覆盖一薄膜即构成掩埋层，掩埋层材料采用InnGaa_n)AS或 hyGa(1_y)N，其中0 < η < 1，0 < y < 1，所述掩埋层的能隙要大于量子点层但小于半导体垫层和隔离层的能隙；在掩埋层之上生长隔离层，所述隔离层的能隙要大于量子点层和掩埋层的能隙，但小于或等于半导体垫层的能隙；量子点层、掩埋层和隔离层周期反复构成多层量子点发光结构；在多重量子点层之上生长隔离层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于η 型半导体接触层的能隙；量子阱层；在量子阱层之上生长隔离层，其能隙大于量子点层和量子阱层，但小于或等于半导体垫层的能隙；量子阱层和隔离层周期反复构成多重量子阱发光结构；上层半导体垫层。
6.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述η型半导体阻挡层为三五簇半导体 AlaGii1JnnbP, AlmGEtJrvnraAs 或 Α ρε^η^Ν，其中 0 彡 a，b，m，η, χ, y彡1，0彡1-a-b，1-m-n，1-x-y彡1，其能隙要比η型半导体接触层宽，η型半导体阻挡层晶格常数与η型半导体接触层匹配或近似，并掺拌形成自由电子的掺拌杂质Si、S或Te， 掺拌浓度为彡5 X IO18CnT3 ；所述η型半导体接触层，其材料为三五簇半导体AlaGabIni_a_bP、 AlmGanIn1^nAs AlxGayIn1^yN, ^1=I11 0^a,b,m,n,x,y^ 1,0^ 1-a-b, 1-m-n, Ι-χ-y ^ 1, η型半导体接触层与ρ型接触层相同或不同，但两者晶格常数要匹配或近似，并掺拌形成自由电子的掺拌杂质Si、S或Te，掺拌浓度为彡5X IO1W30
7.如权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件，其特征是，所述衬底为蓝宝石或碳化硅晶体，此时须在生长半导体结构前沉积一层缓冲层，其结构至少包括一层GaN成核层或AlGaN/GaN超晶格以及至少一层GaN或η型GaN半导体薄膜。
8.—种权利要求1所述的多源集成色彩可调的发光元件的制备方法，其特征是，它的过程为(1)生长缓冲层和η型半导体接触层在生长基板上使用有机金属化合物气相沉积方法MOCVD或氢化物气相外延方法HVPE 预先生长包括缓冲层、η型半导体接触层的预先生长结构，预先生长结构与有源层中最低一层的量子点层距离IOOnm以内；(2)外延片图形化取出预先生长结构的外延片，采用量子点定位技术，在定位处蚀刻出横向尺寸不超过 lOOnm，垂直深度不超过50nm的孔洞，孔洞可以是方形孔洞；孔洞尺寸对应不同发光波长的量子点，同一个外延片上不同区域所要求的发光波长对应不同的量子点定位孔洞尺寸；(3)pn结构外延生长对外延片图形化之后，对外延片再次进行MOCVD方法外延生长。首先生长一层与η型接触层材料相同的η型半导体薄膜，改善外延片图形化过程中的损伤。在生长完η型阻挡层后，在定位孔洞处生长上经定位孔洞定义大小位置的多重量子点层，构成以量子点为主要发光结构的有源层；在有源层之上继续生长P型半导体阻挡层和P型半导体接触层，完成多源集成色彩可调的发光元件的Pn结构的外延生长；或者有源层为量子点和量子阱的混合结构在如上所述方法生长完多重量子点之后， 继续生长一层隔离层，隔离多重量子点层和接下来的多重量子阱层，能隙比量子点和量子阱宽，但不大于η型和ρ型半导体接触层；隔离层之上生长多重量子阱层，发光波长比位于其下的量子点要小；之后继续生长P型半导体阻挡层和P型半导体接触层，完成多源集成色彩可调的发光元件的Pn结构的外延生长；(4)电极的制作对生长完成的外延片再进行蚀刻、集成电极工序，最终完成多源集成色彩可调的发光元件结构；同一个发光元件中同时拥有多种波长，并通过电流电压调控，混合出不同的发光色彩；生成的每个波长的发光区可以输入不同的注入电流和电压；在以混合量子点和量子阱为发光结构的发光区，当注入电流较小时，量子点为主要发光结构，当注入电流较大时， 量子阱为主要发光源。
9.如权利要求8所述的多源集成色彩可调的发光元件的制备方法，其特征是，所述步骤O)中控制量子点尺寸时，在量子点层组成成分相同的情况下，通过控制量子点定位孔洞尺寸大小来控制量子点大小，进而控制量子点的发光波长；或者通过控制部分相邻量子点定位孔洞的距离，使量子点生长后融合或足够近到因为状态波侵入相邻的量子点，产生量子点尺寸等效放大效应，从而制造第二发光波长的等效量子点。
10.如权利要求8所述的多源集成色彩可调的发光元件的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，对不同量子点的可控区分的生长方法，其步骤包括(1)在图形化的外延片上沉积一层与η型半导体接触层材料相同的η型半导体薄膜，修补在制造量子点定位孔洞时形成的缺陷，并沉积一层η型半导体阻挡层和有源层的下层半导体垫层；(2)采用SK生长方法或亚原子层SML量子点生长方法，控制沉积第一发光波长的量子点的生长物质量，利用孔洞干扰点更易沉积物质的原理，对量子点定位，并由于定位孔洞对量子点大小的定义，在孔洞位置生长成特定发光波长的量子点；(3)控制沉积能隙大于等于第一发光波长量子点的掩埋层，覆盖在已长好的量子点上；(4)再覆盖一层隔离层，厚度足够隔离上下相邻的量子点状态波的干扰，同时传递应力，使接下来的新一层量子点生长在同一位置；(5)根据需要重复生长多重量子点。
全文摘要
本发明涉及一种多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法。它可以有效提高产品寿命，提高发光二极管的光转换效率等优点的多源集成色彩可调的发光元件及其制备方法。它自上而下依次包括电极层；由多个p电极和n电极按照不同发光波长区域间隔排列构成，其中至少有一种电极之间互相绝缘，使之对不同发光波长的区域进行独立调控；p型半导体接触层；p型半导体阻挡层，其能隙比p型半导体接触层宽；有源层，其发光波长从红光到蓝光，发光结构为量子点和量子阱，量子点位置被限制在相应区域；n型半导体阻挡层，能隙比n型半导体接触层宽；n型半导体接触层；衬底。
文档编号H01L33/06GK102270716SQ20111003083
公开日2011年12月7日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者兰红波, 楼刚 申请人:楼刚