[发明专利]面发射多色发光二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管，具体涉及一种新型的面发射多色发光二极管及其制造方法。

背景技术

目前III族氮化物宽禁带半导体发光器件一般都是在蓝宝石或6H-SiC衬底基面上外延生长得到，而在外延生长方向[0001]存在自发极化和压电极化，得到的氮化物属于极性氮化物。而由自发极化和压电极化引起的极化电场对氮化物半导体发光是有害的。如在量子阱异质界面处的极化不连续性引起能带弯曲和引发量子限制嘶嗒克效应(QuantumConfined Stark Effect：QCSE)出现，其后果造成了电子空穴波函数在空间上分离，复合发光效率降低、发光峰的红移以及发光二极管(LED)发光峰随着驱动电流增加而蓝移等[P.Waltereit，et al，Nature，406，pp.865，2000]。

为消除极化内电场对量子阱发光的影响，可将氮化物外延在其它晶向衬底上，以得到无极性{1010}m面和{1120}a面氮化物。由于m面和a面都与c面正交，极化矢量将位于材料生长面内，因而沿竖直生长方向的异质结构不再受极化电场的影响。当氮化镓生长在蓝宝石(1012)r面或6H-SiC(1120)a面上时，可获得无极性(1120)a面氮化镓。若使用γ-LiAlO₂(100)或(1010)m面4H-SiC或6H-SiC衬底，则可得(1010)m面无极性氮化镓。对沿这些取向所获得的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多量子阱进行PL测量[Y.J.Sun，et al，Phys.Rev.B，67，pp.041306，2003]，结果未能观察到PL发光峰红移，证实了这些量子阱内没有内电场存在。近来美国加州大学Santa Barbara分校的研究小组使用低缺陷密度的m面GaN体衬底(位错密度＜5×10⁶cm^-2)，得到的LED外量子效率达到38.9％(峰值波长为407nm)，且当注入电流从1mA增加到20mA时，发光峰值随着注入电流增加的红移量小于1nm[M.C.Schmidt，et al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L126，2007]，发光性能已与c面LED相接近。

另一种减小或消除极化内电场的方法是生长半极性III族氮化物，比如取向为{1011}、{1012}、{1013}、{1122}、{1121}的III族氮化物。基于对应变诱导极化的计算结果，沿这些晶面生长的氮化物异质结构具有减弱的内电场，且某些晶面取向在某些应力条件下其体内的净内电场可以消除[A.E.Romanv，et al.J.Appl.Phys，100，023522，2006]。2007年，Tyagi等人在半极性(1011)GaN体衬底上实现了在20mA的驱动电流时的输出功率和外量子效率分别为20.58mW和33.91％的高亮度411nm的紫光LED，且发光峰随驱动电流增加而产生的峰移很小[A.Tyagi，et al.Jpn.J.Appl.Phys，46，L129，2007]，其结果已可与商业化c面LED比拟，显示半极性氮化物LED性能已达到实用化程度。

此外，利用c面取向图形GaN模板进行选择性再生长也可以获得半极性小面InGaN/GaN量子阱结构[K.Nishizuka，et al.Appl.Phys.Lett，87，182111，2005]或蓝光LED，研究发现因为量子阱内的部分压电场得到抑制和具有较少的位错密度的缘故，取向量子阱结构与(0001)、小面量子阱相比，其室温PL强度最强，内量子效率可达40％，复合发光寿命也比c面取向的平面InGaN量子阱要短3倍。小面InGaN量子阱结构不仅可以提高发光强度，而且可对发光波长进行剪裁，Srinivasan利用使量子阱中铟组分起伏变化的方法来剪裁InGaN量子阱发光，同一量子阱结构可以发出不同波长的光，由于波长覆盖了可见光谱区的大部分，若生长条件优化就可以发出真正的白光，实现单片集成的白光二极管，而无需波长转换材料。Funato等将InGaN量子结构生长在GaN微小面上来实现多色光合成，实现了视觉上的二元补色白光[M.Funato，et al.Appl.Phys.Lett，88，261920，2006]，但是，上述方法存在的问题是发光谱的色域不够宽，且波长(即对应的颜色)不具有调节性。