红色LED和制造方法技术

一种红色发光二极管(LED)包括：n掺杂部分；p掺杂部分；以及位于n掺杂部分与p掺杂部分之间的发光区域。发光区域包括：发光氮化铟镓层，其在跨越其的电偏压下发射峰值波长在600nm至750nm之间的光；III族氮化物层，其位于发光氮化铟镓层上；以及III族氮化物势垒层，其位于III族氮化物层上，并且发光二极管包括III族氮化物材料的多孔区域。还提供了红色小型LED、红色微型LED、微型LED阵列、以及制造红色LED的方法。LED的方法。LED的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】红色LED和制造方法


[0001]本专利技术涉及红色LED和制造红色LED的改进方法。

技术介绍

[0002]III
‑
V族半导体材料对于半导体器件设计特别受关注，特别是III族氮化物半导体材料。
[0003]“III
‑
V”族半导体包括III族元素(例如Ga、Al和In)与V族元素(例如N、P、As和Sb)的二元、三元和四元合金，并且对于包括光电子学的许多应用受到了很大关注。
[0004]特别受关注的是被称为“III族氮化物”材料的半导体材料类别，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)及其三元和四元合金。(Al,In)GaN是包括AlGaN、InGaN和GaN的术语。III族氮化物材料不仅在固态照明和电力电子学方面取得了商业上的成功，而且对于量子光源和光
‑
物质相互作用也表现出特别的优势。
[0005]对于光电子半导体器件，将In掺杂到GaN半导体材料中是受关注的，因为改变半导体的In含量改变材料的电子带隙，并因此改变半导体发光的波长。然而，改变材料的In含量也影响半导体的面内晶格常数。例如，InN的面内晶格常数比GaN的面内晶格常数大约11％，其中中间组合物的晶格尺寸根据铟含量而变化。这在器件设计中产生了一个问题，其中，期望在具有不同晶格尺寸的衬底层的顶部上沉积有源半导体层。其原因是层边界处的晶格失配将应变引入晶格，这导致在材料中形成充当非辐射复合中心的缺陷。这显著损害了器件性能。
[0006]对红色LED的需求是巨大的，但是制造商在历史上一直努力制造以红色波长发光的LED。
[0007]例如，在GaN基平台上生长长波长LED(例如红色LED)所面临的一个大挑战是需要使用高铟(In)含量以将有源区中的带隙降低到用于长波长发射的适当水平。所需的InGaN有源区具有比下面的GaN更大的晶格参数，并且所产生的应变导致在材料中形成充当非辐射复合中心的缺陷，从而劣化器件性能。
[0008]因此，由于InN与GaN之间的大晶格失配，难以获得高质量的InGaN(具有＞20％的高铟含量)。失配应变还通过成分拉动效应导致铟成分减少。
[0009]较短波长LED(例如绿色和黄色LED)更易于制造，因为它们可以使用包含比红光发射所需的铟比例更低的铟比例的InGaN发光区域来制造。
[0010]由于这些问题，在GaN平台上制造红色波长LED的现有尝试尚未成功。

技术实现思路

[0011]本申请涉及制造半导体器件、特别是红色LED的改进方法以及使用该方法制造的红色LED。
[0012]本专利技术在独立权利要求中限定，现在将参考该独立权利要求。本专利技术的优选或有利特征在所附从属权利要求中限定。
[0013]本申请中描述的发光二极管或LED优选由III
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V族半导体材料形成，特别优选由III族氮化物半导体材料形成。
[0014]“III
‑
V”族半导体包括III族元素(例如Ga、Al和In)与V族元素(例如N、P、As和Sb)的二元、三元和四元合金，并且对于包括光电子学的许多应用受到了很大关注。
[0015]特别受关注的是被称为“III族氮化物”材料的半导体材料类别，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)及其三元和四元合金(Al,In)GaN。在本专利技术中可以使用不同的晶体取向，例如极性c面、非极性和半极性取向。有两个主要的非极性取向：a面(11
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20)和m面(1
‑
100)。对于半极性，有(11
‑
22)、{2021}，{2021}是晶面族。III族氮化物材料不仅在固态照明和电力电子学方面取得了商业上的成功，而且对于量子光源和光
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物质相互作用也表现出特别的优势。
[0016]虽然各种III族氮化物材料在商业上是受关注的，但是氮化镓(GaN)被广泛地认为是最重要的新型半导体材料之一，并且对于许多应用受到特别的关注。
[0017]已知将孔引入到体III族氮化物(例如GaN)中可深刻地影响其材料特性(光学、机械、电气和热等)。因此，通过改变GaN和III族氮化物半导体的孔隙度来调整其宽范围的材料特性的可能性使得多孔GaN对于光电子应用受到很大的关注。
[0018]本专利技术将参考GaN和InGaN进行描述，但可有利地应用于替代的III族氮化物材料组合。
[0019]在以下描述中，用于过生长的衬底是半导体结构，在其上将生长另外的半导体层，以便产生半导体器件。本专利技术中用于过生长的示例性衬底可以是GaN半导体结构，包括多个掺杂和无掺杂GaN层。
[0020]半导体结构的层可以通过国际专利申请PCT/GB2017/052895(发布为WO2019/063957)和PCT/GB2019/050213(发布为WO2019/145728)中阐述的电化学蚀刻来多孔化。
[0021]本专利技术人已经发现，使用本专利技术可以有利地提供红色LED。
[0022]半导体结构
[0023]根据本专利技术的第一方面，提供了一种红色发光二极管(LED)，包括：
[0024]n掺杂部分；
[0025]p掺杂部分；以及
[0026]位于n掺杂部分与p掺杂部分之间的发光区域，发光区域包括：
[0027]发光氮化铟镓层，其在跨越其的电偏压下发射峰值波长在600nm至750nm之间的光；
[0028]III族氮化物层，其位于发光氮化铟镓层上；以及III族氮化物势垒层，其位于III族氮化物层上，
[0029]其中，发光二极管包括III族氮化物材料的多孔区域。
[0030]本专利技术人已经认识到，III族氮化物材料的电化学多孔化有利地导致III族氮化物晶格中的应变以及整个晶片的弯曲或曲率减小。不希望受理论束缚，认为使III族氮化物材料的多孔区域多孔化的过程也蚀刻掉结构缺陷，例如在第一III族氮化物材料层的顶部上生长该层期间形成的穿透位错。
[0031]在多孔化期间从多孔区域的半导体材料去除位错大大降低了多孔区域中的应变，这种应变特别是在多孔区域的晶格尺寸与下面的材料的晶格尺寸不匹配时发生。因此，在
半导体结构的外延生长期间，当III族氮化物材料层沉积在多孔区域上时，多孔材料更顺应匹配上覆无孔层的晶格。这导致多孔区域上方的层经历比没有多孔区域的情况显著更低的应变。
[0032]当第二III族氮化物材料经历更低应变时，在无孔层中也存在较少的结构缺陷来充当损害器件性能的非辐射复合中心。
[0033]成分拉动效应：Kawaguchi等人报道了所谓的InGaN成分拉动效应，其中，铟的分数在生长的初始阶段较小，但随着生长厚度的增加而增加。这种观察在第一程度上独立于下面的层GaN或AlGaN。作者认为这种效应是由界面处的晶格失配引起的应变引起。他们发现InGaN与底部外延层之间的较大晶格失配伴随有In含量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种红色发光二极管(LED)，包括：n掺杂部分；p掺杂部分；和位于所述n掺杂部分与所述p掺杂部分之间的发光区域，所述发光区域包括：发光氮化铟镓层，其在跨越其两端的电偏压下发射峰值波长为600nm至750nm的光；III族氮化物层，其位于所述发光氮化铟镓层上；和位于所述III族氮化物层上的III族氮化物势垒层，其中，所述发光二极管包括III族氮化物材料的多孔区域。2.根据权利要求1所述的红色LED，其中，所述发光二极管包括选自以下特征中的至少一个特征：(a)所述发光区域包括一个或两个、或三个或四个、或五个或六个、或七个或八个量子阱(或至少一个量子阱)；或(b)所述III族氮化物层包括具有成分Al
y
Ga
(I
‑
y)
N的氮化铝镓层，其中，y在0.1至1.0的范围内；或(c)发射UV或蓝色的InGaN/GaN或InGaN/InGaN超晶格或InGaN层位于所述n掺杂部分与所述发光区域之间。3.根据权利要求1或2所述的红色LED，其中，所述发光区域在电偏压下发射峰值波长为600nm至700nm或615nm至675nm的光。4.根据权利要求1、2或3所述的红色LED，其中，所述LED发光区域是用于以500nm至580nm的峰值波长发射的LED发光区域，并且其中，所述III族氮化物材料的多孔区域将所述发光区域的发射波长偏移到600nm至750nm。5.根据前述权利要求中任一项所述的红色LED，其中，所述多孔区域具有至少1nm、优选地至少10nm、特别优选地至少50nm的厚度。6.根据权利要求5所述的红色LED，其中，所述红色LED包括定位于所述n掺杂部分与所述多孔区域之间的III族氮化物材料的连接层，优选地其中，所述连接层的厚度为至少100nm。7.根据权利要求6所述的红色LED，包括定位于所述多孔区域与所述连接层之间的III族氮化物材料的无孔中间层。8.根据权利要求5、6或7所述的红色LED，其中，所述n掺杂部分包括n掺杂III族氮化物层，优选地其中，所述n掺杂部分包括n
‑
GaN、或n
‑
InGaN、或n
‑
GaN/n
‑
InGaN交替的叠层、或包含不同浓度铟的n
‑
InGaN/n
‑
InGaN交替的叠层。9.根据权利要求8所述的红色LED，其中，所述n掺杂部分包括单晶n掺杂III族氮化物部分，优选地其中，所述n掺杂部分包括具有平面顶面的单晶n掺杂III族氮化物层。10.根据权利要求9所述的红色LED，其中，所述多孔区域和在所述多孔区域与所述单晶n掺杂III族氮化物层之间的各个层是平面层，所述平面层具有平行于所述单晶n掺杂III族氮化物层的所述平面顶面的各自的顶面和各自的底面。11.根据前述权利要求中任一项所述的红色LED，其中，所述发光氮化铟镓层包括一个或多个InGaN量子阱，优选地包括1个至7个量子阱。12.根据权利要求11所述的红色LED，其中，所述发光氮化铟镓层是InGaN的纳米结构
层，所述纳米结构层包括量子结构，例如量子点、分段的或不连续的量子阱。13.根据权利要求11或12所述的红色...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德，
申请(专利权)人：波拉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：