具有电流不变发射波长的绿色LED制造技术

描述了包括超晶格结构上的量子阱的发光二极管(LED)器件。该LED器件具有大于520nm的主波长。当电流密度从10A/cm2增加到100A/cm2并且该器件的结温变化小于20℃时，主波长变化小于7nm。小于7nm。小于7nm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有电流不变发射波长的绿色LED
[0001]政府许可权
[0002]本专利技术是在美国政府的支持下在由能源部(DOE)授予的第DE
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EE009163号奖励下做出的。美国政府拥有本专利技术的某些权利。


[0003]本公开的实施例总体上涉及发光二极管(LED)器件阵列及其制作方法。更特别地，实施例涉及发光二极管器件，具体是绿色LED，其发射波长相对于操作电流密度超过2个数量级的变化几乎不变。

技术介绍

[0004]发光二极管(LED)是一种半导体光源，当电流流过它时，其发射可见光。LED组合了p型半导体与n型半导体。LED通常使用III族化合物半导体。III族化合物半导体在比使用其他半导体的器件更高的温度下提供稳定的操作。III族化合物通常形成在由蓝宝石或碳化硅(SiC)形成的衬底上。
[0005]可以通过混合三种或更多种直接彩色LED的发射来制备色温和亮度可调的照明系统。通过增加由较长波长LED发射的相对强度和/或降低由较短波长LED发射的相对强度，可以将色温从冷白色调节到暖白色。色温和亮度的控制需要在不同电流范围内操作每个LED，特别是对于使用最少数量的LED的紧凑和低成本照明系统的应用。相对于操作电流的变化，蓝色LED、琥珀色LED和红色LED的颜色坐标往往非常稳定，但绿色LED不是这种情况。当操作电流增加时，现有技术绿色LED的发射总是偏移到更短的波长。在低电流密度下发射绿色的LED在较高电流密度下可以呈现青色或甚至蓝色。在基于颜色混合的实际照明系统的设计中，绿色LED的取决于电流的颜色偏移是一个难题和限制，使得获得用于多种亮度水平的期望色温和显色指数有挑战性。
[0006]因此，存在对改进的LED器件的需要。

技术实现思路

[0007]本公开的实施例涉及LED器件和制作LED器件的方法。在一个或多个实施例中，一种发光二极管(LED)器件包括：量子阱，该器件具有大于520nm的主波长，当电流密度从10A/cm2增加到100A/cm2并且该器件的结温变化小于20℃时，主波长变化小于7nm。
[0008]本公开的其他实施例涉及一种发光二极管(LED)系统，包括：发光二极管(LED)阵列，包括：衬底上的成核层；成核层上的n型层；n型层上的量子阱，该量子阱包括氮化铟镓(InGaN)阱和氮化镓(GaN)势垒层；量子阱上的多个p型层；和在多个p型层上的p型接触层。该器件的主波长大于520nm，当电流密度从10A/cm2增加到100A/cm2、该器件的结温变化小于20℃时，主波长变化小于7nm。
附图说明
[0009]为便于详细理解本公开的上面列举的特征，可以参考实施例对上文简要概述的本公开进行更具体的描述，这些实施例中的一些在所附附图中说明。然而，要注意的是，所附附图仅示出了本公开的典型实施例，并因此不应被认为限制其范围，因为本公开可以容许其他等效的实施例。如本文所描述的实施例是通过示例而非限制的方式在附图的各图中示出的，在附图中，类似的附图标记指示相似的元件。
[0010]图1示出了LED器件的截面视图；
[0011]图2是示出在25℃下LED器件的电流密度对主波长的曲线图；
[0012]图3是示出在85℃下LED器件的电流密度对主波长的曲线图；以及
[0013]图4是示出对于LED器件，波长随着电流密度从10
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50A/cm2的增加而减小的绝对值的曲线图。
[0014]为便于理解，在可能的场合，相同的附图标记已用于表示附图中公用的相同元件。附图不是按比例绘制的。例如，台面的高度和宽度没有按比例绘制。
具体实施方式
[0015]在描述本公开的几个示例性实施例之前，应理解本公开不限于以下描述中阐述的构造或工艺步骤的细节。本公开能够有其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。
[0016]根据一个或多个实施例，如本文中使用的术语“衬底”是指一种中间的或最终的、具有表面或表面的一部分的、工艺在其上进行的结构。另外，在一些实施例中，提及衬底也是指衬底的仅一部分，除非上下文清楚地以其他方式指示。此外，根据一些实施例，提及在衬底上沉积包括在裸衬底上沉积，或者在其上沉积或形成有一个或多个层、膜、特征或材料的衬底上沉积。
[0017]在一个或多个实施例中，“衬底”意味着在制备工艺期间在其之上进行膜加工的任何衬底或衬底上形成的材料表面。在示例性实施例中，取决于应用，在其上进行加工的衬底表面包括诸如以下的材料：硅、氧化硅、绝缘体上硅(SOI)、应变硅、非晶硅、掺杂硅、掺杂碳的氧化硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石、和任何其他合适的材料(诸如金属、金属氮化物、III族
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氮化物(例如GaN、AlN、InN、和其他合金)、金属合金、和其他导电材料)。衬底包括而不限于发光二极管(LED)器件。在一些实施例中，衬底暴露于预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、UV固化、电子束固化、和/或烘焙衬底表面。除了直接在衬底本身的表面上的膜加工之外，在一些实施例中，所公开的膜加工步骤中的任何一个也在衬底上形成的底层上进行，并且术语“衬底表面”旨在包括如上下文指示的这种底层。因此，例如，在膜/层或部分膜/层已经沉积到衬底表面上的场合，新沉积的膜/层的暴露表面成为衬底表面。
[0018]在本公开中，术语“晶片”和“衬底”将可互换使用。因此，如本文所用，晶片用作形成本文所述LED器件的衬底。
[0019]本文所述的实施例描述了LED器件和用于形成LED器件的方法。特别地，本公开描述了LED器件和制造LED器件的方法，该LED器件有利地发射绿光，该绿光的颜色在电流密度超过两个数量级的变化上基本上不变。在一个或多个实施例中，外延设计使得针对多个亮度水平获得期望的色温和显色指数成为可能。一个或多个实施例的LED也可以用于微LED(μLED)应用。例如，由于颜色独立于电流密度，因此色点可以在器件内的低亮度显示设置和高
亮度显示设置下保持稳定，并且相同的外延晶片可以用于制造用于电话和TV显示器的较低亮度发射器以及用于增强现实应用和虚拟现实应用的较高亮度发射器。
[0020]在没有外部偏压的情况下，内部电场自然地跨在常规c
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平面晶体取向上生长的InGaN量子阱(QW)存在。这些电场源自InGaN阱和势垒层(通常是GaN)之间的界面处的极化电荷。由于绿色发射需要更高的铟浓度，绿色QW的极化电荷和对应的电场比蓝色QW更大。通过量子限制Stark效应，内部电场对绿色QW的发射波长具有强烈的影响。内部电场可以通过施加外部偏压(诸如施加正向偏压以操作LED)或者通过注入高密度的电荷载流子(这当LED在高电流下操作时发生)来修改。由于这些因素，现有技术绿色LED的波长相对于操作电流的变化是不稳定的。此外，对于给定的外延设计，当增加QW铟浓度以将波长延伸到更长的绿色光谱范围时，波长不稳定性变得更差。
[0021]对于具有在有源区和p型层之前生长的n型层的常规LED，施加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种发光二极管(LED)器件，包括：量子阱，所述器件具有大于520nm的主波长，当电流密度从10A/cm2增加到100A/cm2并且所述器件的结温变化小于20℃时，所述主波长变化小于7nm。2.根据权利要求1所述的LED器件，其中随着所述电流密度从35A/cm2增加到100A/cm2，所述主波长变化小于3nm。3.根据权利要求1所述的LED器件，其中所述器件当在室温下以35A/cm2操作时具有大于20％的外量子效率(EQE)。4.根据权利要求1所述的LED器件，进一步包括在衬底上的成核层上的n型层上的超晶格结构，所述超晶格结构包括交替的氮化铟镓(InGaN)层和氮化镓(GaN)层对，所述量子阱在所述超晶格结构上。5.根据权利要求1所述的LED器件，其中所述量子阱包括氮化铟镓(InGaN)阱和氮化镓(GaN)势垒层。6.根据权利要求5所述的LED器件，其中所述氮化铟镓(InGaN)阱具有大于14％摩尔分数的铟浓度。7.根据权利要求1所述的LED器件，其中所述量子阱包括掺杂有硅的有源区。8.根据权利要求7所述的LED器件，其中硅的浓度在从1
×
10
17
cm
‑3至5
×
10
17
cm
‑3的范围内。9.根据权利要求1所述的LED器件，还包括所述量子阱上的多个p型层。10.根据权利要求9所述的LED器件，其中所述多个p型层包括氮化铝镓(AlGaN)层和氮化镓(GaN)层中的一个或多个。11.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：亮锐有限责任公司，
类型：发明
国别省市：