单芯片多波段发光二极管的制作方法

1.本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种在单芯片级别发出多波段的光的发光二极管。


背景技术：

2.氮化物半导体用作显示装置、信号灯、照明装置或光通信装置的光源，主要被使用在发出蓝色光或绿色光的发光二极管(light emitting diode)或激光二极管(laser diode)。并且，氮化物半导体也可以用于异质结双极晶体管(hbt)及高电子迁移率晶体管(hemt)等。
3.通常，利用氮化物半导体的发光二极管具有在n接触层与p接触层之间具有量子阱结构的异质接合结构。发光二极管根据量子阱结构内的阱层的组成发光。为了提高内部量子效率并减少由光吸收引起的损失，发光二极管被设计为发射具有单峰的光谱的光，即单色光。
4.从照明灯射出的混色光(例如，白色光)无法实现为单峰的单色光。因此，通常使用将射出彼此不同的单色光的多个发光二极管一同使用或使用对从发光二极管射出的光进行波长转换的荧光体来实现白色光的技术。
5.荧光体的使用伴随着荧光体本身的成本或被称为斯托克斯位移的效率降低等问题。并且，还伴随着诸如用于将荧光体涂敷于发光二极管上的多种工艺上的问题及承载荧光体的载体的黄变等问题。
6.并且，混合使用多个发光二极管还会使工艺复杂，并且存在需要准备由彼此不同的材料制造的发光二极管的不便。


技术实现要素：

7.技术问题
8.如果利用单芯片的发光二极管而能够实现具有多波段的光谱的光，则无需使用多个发光二极管，并且无需使用荧光体，从而能够解决现有的诸多问题。
9.以往已经尝试过通过改变量子阱结构内的阱层的组成来实现多频带光谱的光，但是没有获得令人满意的结果。尤其，由于电子与空穴的复合主要发生在特定阱层，因此难以产生多频带的光。
10.本发明要解决的技术问题在与提供一种能够在单芯片级别发出多频带的光的新型结构的发光二极管。
11.技术方案
12.根据本发明的一个以上的实施例的一种发光二极管包括：n型氮化物半导体层；v形坑生成层，位于所述n型氮化物半导体层的上部并具有v形坑；活性层，位于所述v形坑生成层上；以及p型氮化物半导体层，位于所述活性层上。其中，所述活性层包括阱层，所述阱层具有沿所述v形坑生成层的平坦的面形成的第一阱层部分以及在所述v形坑生成层的v形
坑内形成的第二阱层部分。所述发光二极管在单芯片级别发出至少两个峰值波长的光。
13.根据本发明的一个以上的实施例的一种发光二极管包括：n型氮化物半导体层；v形坑生成层，位于所述n型氮化物半导体层的上部并具有v形坑；活性层，位于所述v形坑生成层上；p型algan层，位于所述活性层上；以及p型氮化物半导体层，位于所述p型algan层上。其中，所述活性层包括阱层，所述阱层具有沿所述v形坑生成层的平坦的面形成的第一阱层部分以及在所述v形坑生成层的v形坑内形成的第二阱层部分。所述第一阱层部分及第二阱层部分发出彼此不同的峰值波长的光。
附图说明
14.图1是用于说明根据本发明的一个以上的实施例的发光二极管的示意性的剖视图。
15.图2a是为了说明根据本发明的一实施例的发光二极管而放大图示图1的一部分的示意性的局部剖视图。
16.图2b是为了说明根据本发明的一实施例的发光二极管而放大图示图2的一部分的示意性的局部剖视图。
17.图3是为了说明根据本发明的一个以上的实施例的发光二极管而放大图示v形坑生成层的示意性的立体图。
18.图4a是示出根据比较例的黄色发光二极管的发光光谱的曲线图。
19.图4b是示出根据实施例1的发光二极管的发光光谱的曲线图。
20.图5a是用于说明从根据比较例的黄色发光二极管发出的光的照片。
21.图5b是用于说明从根据实施例1的发光二极管发出的光的照片。
22.图6a是用于说明根据比较例的黄色发光二极管的v形坑的tem照片。
23.图6b是用于说明根据实施例1的发光二极管的v形坑的tem照片。
24.图6c为放大图6b的量子阱结构的tem照片。
25.图7a是示出根据实施例2的发光二极管的发光光谱的曲线图。
26.图7b是示出根据实施例3的发光二极管的发光光谱的曲线图。
27.图8a是用于说明从根据实施例2的发光二极管发出的光的照片。
28.图8b是用于说明从根据实施例3的发光二极管发出的光的照片。
29.图9a是用于说明根据实施例2的发光二极管的v形坑的tem照片。
30.图9b是用于说明根据实施例3的发光二极管的v形坑的tem照片。
31.图10是示出根据实施例4的发光二极管封装件的发光光谱的曲线图。
32.图11是用于说明根据实施例4的发光二极管的v形坑的tem照片。
33.最优实施形态
34.以下，参照附图详细说明本发明的实施例。为了能够将本发明的思想充分传递给本发明所属技术领域的通常技术人员，作为示例提供以下介绍的实施例。因此，本发明并不限定于如下所述的实施例，其可以具体化为其他形态。另外，在附图中，也可能为了便利而夸张表现构成要素的宽度、长度、厚度等。并且，当记载为一个构成要素位于另一构成要素的“上部”或“上”时，不仅包括各部分均“直接”位于其他部分的“上部”或“上”的情形，还包括各构成要素与另一构成要素之间夹设有又一构成要素的情形。在整个说明书中，相同的
附图标记表示相同的构成要素。
35.根据本发明的一个以上的实施例的一种发光二极管包括：n型氮化物半导体层；v形坑生成层，位于所述n型氮化物半导体层的上部并具有v形坑；活性层，位于所述v形坑生成层上；以及p型氮化物半导体层，位于所述活性层上。其中，所述活性层包括阱层，所述阱层具有沿所述v形坑生成层的平坦的面形成的第一阱层部分以及在所述v形坑生成层的v形坑内形成的第二阱层部分，所述发光二极管在单芯片级别发出至少两个峰值波长的光。
36.在至少一个变形示例中，可以在没有荧光体的情况下发出多频带光谱的光，因此，可以解决因使用荧光体而导致的现有技术的诸多问题。
37.所述第一阱层部分可以发出第一峰值波长的光，所述第二阱层部分发出至少一个第二峰值波长的光。
38.在另一变形示例中，所述第一阱层部分可以发出黄色系列的峰值波长的光，所述第二阱层部分发出蓝色系列的峰值波长的光。
39.在又一变形示例中，所述第一阱层部分可以发出黄色系列的峰值波长的光，所述第二阱层部分发出蓝色系列的峰值波长的光及绿色系列的峰值波长的光。
40.所述第一阱层部分可以具有比所述第二阱层部分更多的铟(in)含量。并且，所述第一阱层部分可以比所述第二阱层部分更厚。
41.所述发光二极管还可以包括：p型al
x
ga
1-x
n层，夹设于所述活性层与所述p型氮化物半导体层之间，所述p型algan层内的al的组成比x大于0且小于0.3。
42.进而，所述p型al
x
ga
1-x
n层可以具有小于100nm的厚度。
43.另外，所述v形坑生成层可以具有大于450nm的厚度。并且，形成于所述v形坑生成层的v形坑可以包括入口宽度大于300nm的v形坑。
44.另外，所述活性层可以具有包括多个阱层及多个阻挡层的多量子阱结构，并且在所述阱层与阻挡层之间还可以包括覆盖所述阱层的覆盖层，所述覆盖层可以含有al。
45.进而，所述覆盖层可以含有相对于覆盖层内的全部组成的10原子％以上的al。
46.所述p型氮化物半导体层可以包括位于所述v形坑上的凹陷部。
47.在另一变形中，所述活性层可以与所述v形坑生成层接触。即，活性层的阻挡层可以直接形成在v形坑生成层上。
48.根据本发明的一个以上的实施例的一种发光二极管可以包括：n型氮化物半导体层；v形坑生成层，位于所述n型氮化物半导体层的上部并具有v形坑；活性层，位于所述v形坑生成层上；p型algan层，位于所述活性层上；以及p型氮化物半导体层，位于所述p型algan层上。其中，所述活性层包括阱层，所述阱层具有沿所述v形坑生成层的平坦的面形成的第一阱层部分以及在所述v形坑生成层的v形坑内形成的第二阱层部分。所述第一阱层部分及第二阱层部分发出彼此不同的峰值波长的光。
49.所述第二阱层部分相比于所述第一阱层部分可以发出短波长的光。在一实施例中，所述第二阱层部分可以发出至少两个峰值波长的光。
50.另外，所述p型algan层可以由通式al
x
ga
1-x
n表示，在此，所述p型algan层内的al的组成比x可以大于0且小于0.3。
51.所述p型algan层可以具有小于100nm的厚度。
52.另外，所述v形坑生成层可以具有大于450nm的厚度，形成于所述v形坑生成层的v
形坑可以包括入口宽度大于300nm的v形坑。
53.图1是用于说明根据本发明的一实施例的发光二极管的示意性的剖视图。图2a是为了说明根据本发明的一实施例的发光二极管而放大图示图1的一部分的示意性的局部剖视图。图2b是为了说明根据本发明的一实施例的发光二极管而放大图示图2a的一部分的示意性的局部剖视图。图3是为了说明根据本发明的一实施例的发光二极管而放大图示v形坑生成层的示意性的立体图。
54.首先，参照图1，发光二极管可以包括基板21、核层23、高温缓冲层25、n型氮化物半导体层27、v形坑生成层29、活性层30、p型algan层31、p型氮化物半导体层33。
55.基板21用于使氮化镓系半导体层生长，可以利用蓝宝石基板、sic基板、si基板、尖晶石基板等。如图1所示，基板21可以具有凸出部，例如可以是图案化的蓝宝石基板。然而，本发明并不局限于此，也可以是具有平坦的上表面的基板(例如，蓝宝石基板)。
56.核层23可以在400℃至600℃的低温下利用(al，ga)n形成于基板21上，作为一例，可以利用algan或gan形成。核层23的组成可以根据基板21而变更。例如，在基板21为图案化的蓝宝石基板的情况下，核层23可以利用algan形成，在基板21为具有平坦的上表面的蓝宝石基板的情况下，核层23可以利用gan形成。核层23可以形成为例如约25nm的厚度。
57.为了减轻在基板21与n型氮化物半导体层27之间的位错等缺陷的发生，高温缓冲层25可以在相对高温下生长。高温缓冲层25可以利用未掺杂的gan或掺杂有n型杂质的gan形成。在形成高温缓冲层25的期间内，因基板21与高温缓冲层25之间的晶格失配而产生线位错。高温缓冲层25例如可以形成为约4.2μm的厚度。
58.n型氮化物半导体层27可以利用掺杂有n型杂质的氮化物系半导体层形成，例如利用掺杂有si的gan层形成。掺杂到n型氮化物半导体层27的si掺杂浓度可以为5e17/cm2至5e19/cm2。n型氮化物半导体层27可以使用mocvd技术将金属源气体供应至腔室内，从而在1000℃至1200℃(例如，1050℃至1100℃)的温度且150托(torr)至200托(torr)的生长压力下生长。此时，n型氮化物半导体层27可以连续地形成在高温缓冲层25上，并且形成于高温缓冲层25内的线位错可以转印至n型氮化物半导体层27。n型氮化物半导体层27可以形成为比高温缓冲层25相对薄，例如，可以形成为约2.5μm的厚度。
59.v形坑生成层29位于n型氮化物半导体层27的上部。在本发明的一实施例中，v形坑生成层29例如可以利用gan层形成。v形坑生成层29可以在比n型氮化物半导体层27相对低的温度下生长，例如，在约900℃的温度下生长，因此v形坑形成在v形坑生成层29。
60.由于v形坑生成层29在比n型氮化物半导体层27相对低的温度下生长，因此可以人为地降低晶体质量并促进三维生长而生成v形坑29v。
61.如图3所示，在氮化物半导体层的生长平面为c面的情况下，v形坑29v可以具有六棱锥形状。v形坑29v可以形成于线位错的上端。
62.v形坑生成层29可以形成为具有比n型氮化物半导体层27的厚度小的厚度，例如，形成为约450nm至600nm的厚度。形成于v形坑生成层29内的v形坑29v的尺寸可以通过v形坑生成层29的生长条件及生长时间等来调节。在一实施例中，形成于v形坑生成层29的v形坑29v的入口的最大宽度可以大致大于约230nm。
63.v形坑生成层29的厚度尤其影响v形坑29v的尺寸。此外，v形坑29v的尺寸被认为对多频带光谱的光的生成产生影响。
64.在本实施例中，作为一例，虽然v形坑生成层29被描述为单层，但是本发明并不局限于此，也可以是多层。例如，v形坑生成层29可以包括gan层、algan层、ingan层或algainn层中的至少两层。
65.活性层30位于v形坑生成层29上。活性层30通过电子与空穴的复合发出光。并且，如图2a及图2b所示，活性层30可以具有单量子阱结构或阻挡层30b与阱层30w交替层叠的多量子阱(mqw)结构。
66.活性层30可以与v形坑生成层29接触，但是本发明并不局限于此。活性层30可以沿v形坑29v形成。形成于v形坑29v内的活性层30的厚度小于在v形坑生成层29的平坦的面上形成的活性层30的厚度。v形坑29v内的活性层30的厚度可以根据v形坑29v的深度而不同。在v形坑29v的中间程度的深度处，活性层30的厚度可以是在v形坑生成层29的平坦的面上形成的活性层30的厚度的约1/3以下。尤其，在v形坑29v的中间程度的深度处，阱层30w的厚度可以是在v形坑生成层29的平坦的面上形成的阱层30w的厚度的约1/3以下。
67.另外，阱层30w可以利用in
x
alyga
1-x-y
n(0《x《1，0≤y《1)形成。in、al、ga的组成比可以根据所需的光来选择。尤其，在v形坑生成层29的平坦的面上形成的阱层(以下，称为第一阱层部分)30w具有发出多频带的长波长侧光谱的光的组成。另外，形成于v形坑29v内的阱层(以下，称为第二阱层部分)30w具有发出多频带的短波长侧光谱的光的组成。例如，第一阱层部分内的铟(in)的组成比高于第二阱层部分内的in的组成比，第一阱层部分可以利用ingan形成以发出黄色系列的光，第二阱层部分可以利用ingan形成以发出绿色和/或蓝色系列的光。
68.第二阱层部分可以在v形坑29v内的各个面上以相同的组成形成，但并不局限于此，也可以在各个面以彼此不同的组成形成。据此，本发明的发光二极管可以利用第一阱层部分和第二阱层部分而在单芯片级实现具有至少两个频带的光。换句话说，单芯片包括第一阱层部分和第二阱层部分，这可以使具有至少两个带隙的光在不使用荧光体的情况下发出。
69.阻挡层30b可以利用带隙比阱层30w宽的gan、ingan、algan或alingan等氮化物半导体层形成。例如，在第一阱层部分利用ingan形成以发出黄色系列的光的情况下，阻挡层30b可以利用铟(in)含量小于阱层30w的in含量的ingan形成。
70.另外，如图2b所示，在阱层30w与阻挡层30b之间可以夹设有覆盖层30c。覆盖层30c可以在沉积阻挡层30b之前形成，以防止阱层30w内的in在沉积阻挡层30b期间解离。覆盖层30c可以包括al，例如可以利用algan或alingan形成。覆盖层30c内含有的al组成可以与第一覆盖层部分(即，布置在v形坑生成层29的平坦的面上部的覆盖层部分)和第二覆盖层部分(即，形成在v形坑29v内的覆盖层部分)彼此不同。第一覆盖层部分内的al含量大于第二覆盖层部分内的al含量。例如，相对于覆盖层内的全部组成，第一覆盖层部分内的al组成可以为10原子％以上，进而可以为12原子％以上，相对于覆盖层内的全部组成，第二覆盖层部分内的al组成可以为约5原子％以上。
71.覆盖层30c可以形成为与邻近的阱层30w大致相似的厚度或更小的厚度。
72.p型algan层31位于活性层30上。p型algan层31还可以形成在v形坑29v内。p型algan层31内的al组成比相对低于电子阻挡层中使用的al组成比。并且，p型algan层31内的al组成比可以小于覆盖层30c内的al组成比。例如，p型algan层31可以由通式al
x
ga
1-x
n表
示，在此，x可以大于0且小于0.3。另外，在一实施例中，p型algan层31的厚度可以小于约100nm，在特定实施例中，可以为约70nm。
73.p型氮化物半导体层33可以利用掺杂有诸如mg的p型杂质的半导体层(例如，gan)形成。p型氮化物半导体层33可以是单层或多层，并且可以包括p型接触层。如图1所示，p型氮化物半导体层33可以具有在v形坑29v上的凹陷的槽。由于p型氮化物半导体层33不完全填充v形坑29v，因此可以防止在v形坑29v内的阱层30w中产生的光的损失。
74.图4a是示出根据比较例1的黄色发光二极管的发光光谱的曲线图，图4b是示出根据实施例1的发光二极管的发光光谱的曲线图。另外，图5a是用于说明从根据比较例1的黄色发光二极管发出的光的照片，图5b是用于说明从根据实施例1的发光二极管发出的光的照片。
75.在比较例1及实施例1中，将使用具有平坦的上表面的蓝宝石基板作为生长基板而在相似的工艺条件下生长半导体层，但是v形坑生成层29的沉积时间不同。即，实施例1中的v形坑生成层29的沉积时间比比较例1更长。另外，在比较例1及实施例1中分别形成有三个阱层。
76.参照图4a及图5a，在50ma的电流强度下，比较例1示出了在黄色波段具有单峰的单频带的光谱。从比较例1的发光二极管发出的光呈现如图5a中示出的明显的黄色。
77.参照图4b及5b，在50ma的电流强度下，实施例1示出了在黄色波段、绿色波段及蓝色波段分别具有峰值的多频带的光谱。从实施例1的发光二极管发出的光呈现如图5b中示出的冷白色。
78.另外，图6a是用于说明根据比较例1的黄色发光二极管的v形坑的tem照片，图6b是用于说明根据实施例1的发光二极管的v形坑的tem照片。
79.参照图6a及图6b，形成活性层之后的v形坑的尺寸分别为约309nm及362nm，因此，可以确认实施例1的v形坑大于比较例1的v形坑。即，通过调节v形坑生成层的沉积时间，可以调节v形坑的尺寸。
80.如图6a及图6b中示出的，在比较例1和实施例1中，v形坑生成层29的厚度不同，可以判断v形坑的尺寸影响光谱频带。尤其，实施例1不仅在绿色系列的波段呈现出明显的峰值，而且在蓝色系列的波段呈现出明显的峰值。这被判断为由于如下的事实：形成在v形坑29v内的第二阱层部分以彼此不同的组成和/或彼此不同的厚度形成。
81.图6c为放大图6b的量子阱结构的tem照片。
82.参照图6c，可以确认在阱层30w上形成含有al的覆盖层30c，在覆盖层30c上形成有阻挡层30b。在此，可以确认阱层30w的厚度为约3.3nm～3.4nm，覆盖层30c的厚度为约2.8nm～3.0nm。
83.另外，通过原子探针层析成像(apt：atom probe tomography)对第一阱层和第二阱层部分进行组成分析，从而可以确认第一阱层部分具有相对高于第二阱层部分的铟(in)含量。在apt曲线图上，第一阱层部分的铟(in)含量和第二阱层部分的铟(in)含量在比较例1的情况下分别为约25％及约10.6％，在实施例1的情况下分别为约25.4％及约12.6％。
84.图7a是示出根据实施例2的发光二极管的发光光谱的曲线图，图7b是示出根据实施例3的发光二极管的发光光谱的曲线图。另外，图8a是用于说明从根据实施例2的发光二极管发出的光的照片，图8b是用于说明从根据实施例3的发光二极管发出的光的照片。并
且，图9a是用于说明根据实施例2的发光二极管的v形坑的tem照片，图9b是用于说明根据实施例3的发光二极管的v形坑的tem照片。
85.实施例2及实施例3均使用图案化的蓝宝石基板作为生长基板，v形坑生成层29的生长条件与实施例1相同，并且在量子阱结构内形成了五个阱层。然而，在实施例3中，阱层中含有的铟(in)含量小于实施例2。
86.参照图7a及图7b，实施例2及实施例3全部示出了具有黄色系列的峰值波长和蓝色系列的峰值波长的光谱。并且，随着电流强度增加，长波长侧峰值的强度比短波长侧峰值的强度增加更多。此外，短波长侧峰值的强度在电流强度为500ma时表现出最高值，并且在电流强度为700ma时的值比300ma时的值更小。
87.参照图8a及图8b，在300ma的相同电流强度下，实施例2呈现了粉色光，实施例3呈现了白色光。
88.参照图9a及图9b，形成活性层之后的v形坑的尺寸分别为约364nm及约359nm，其与实施例1的v形坑的尺寸相似。即，判断为v形坑的尺寸不受平坦的蓝宝石基板或图案化的蓝宝石基板的种类的显著影响。
89.另外，在apt曲线图中，第一阱层部分和第二阱层部分的铟(in)含量在实施例2的情况下分别为约26.6％以及约11.6％，在实施例3的情况下分别为约27％及约10％。
90.实施例1使用具有平坦的面的蓝宝石基板作为生长基板，实施例2及实施例3使用图案化的蓝宝石基板作为生长基板，可知从发光二极管射出的光的光谱频带根据生长基板的种类而不同。
91.图10是示出根据实施例4的发光二极管封装件的发光光谱的曲线图，图11是用于说明根据实施例4的发光二极管的v形坑的tem照片。
92.除了减少v形坑生成层的沉积时间这一点之外，实施例4的发光二极管在与实施例2相同的条件下形成。另外，将实施例4的发光二极管制造为480
×
920μm2面积的芯片并利用透明模具封装，之后测量根据波长的电致发光(el)强度，从而获得了图10的结果。
93.参照图10，实施例4的发光二极管在50ma以上的电流强度下清楚地呈现出蓝色区域的峰值和黄色区域的峰值，随着电流强度增加，强度在峰值波长处增加。
94.参照图11，v形坑的入口尺寸为约230nm。与使用平坦的蓝宝石基板的情况相比，在将图案化的蓝宝石基板作为生长基板使用时，即使v形坑的尺寸相对较小，也可以提供具有两个清晰的峰值波长的发光二极管。另外，在使用平坦的蓝宝石基板的情况下，与使用图案化的蓝宝石基板的情况相比，为了以接近230nm的v形坑尺寸提供具有两个以上的峰值波长的发光二极管，需要增加阱层的铟(in)组成比。
95.上文所述的发光二极管可以制造成多种芯片而用于多种用途。例如，所述发光二极管可以制造成垂直型结构、水平型结构或倒装芯片型结构的发光二极管芯片。并且，所述发光二极管也可以被制造成通用的一般尺寸的发光二极管芯片，或者也可以被制造成微型led或小型led。所述发光二极管不仅可以用作照明光源，还可以用作背光光源或显示器光源。
96.如上所述，针对本发明的具体的说明已通过参照所附附图的实施例而进行，但是上述说明仅仅举出本发明的实施例并进行了说明，因此本发明不能被理解为局限于上述的实施例，本发明的权利保护范围应当被理解为权利要求书记载的范围以及其等同概念。