具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
如图1所示,本申请实施例提供一种发光二极管10,该发光二极管10包括:应变补偿预备层11以及以选择性生长方式层叠设置于应变补偿预备层11上的应变补偿匹配发光区12。
具体而言,应变补偿预备层11为应变补偿匹配发光区12的生长基底,应变补偿预备层11的作用是调控应变补偿匹配发光区12的应力大小、保持应变补偿匹配发光区12的应力稳定、降低缺陷密度等。
应变补偿预备层11为衬底、缓冲层、本征半导体层、N型半导体层、超晶格层、阱前准备层或自定义层中的一个或组合。
可选地,衬底包括但不限于蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底、InP衬底、GaAs衬底中的一个或多个组合。
可选地,本征半导体层可以为本征GaN层、本征InGaAlN层。
可选地,N型半导体层可以为N型GaN层、N型InGaAlN层。
可选地,超晶格层可以通过重复地堆叠多个复合层形成,各个复合层分别包括多个氮化物半导体层。各个氮化物半导体层可具有不同的组分以具有不同的晶格常数。通过重复地堆叠具有不同晶格常数的多个氮化物半导体层,使超晶格层可具有与氮化物半导体层的晶格常数不同的新晶格常数。
可选地,自定义层为可掺杂或不掺杂的Ga(X)N(Y)(其中,X=In、Al、B,Y=P、As、Sb、Bi)。
应变补偿匹配发光区12为生长在应变补偿预备层11之上并位于生长区域内的、具有量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect,QCSE)的半导体发光区12。其中,生长区域是指拟形成micro-LED单元的区域,生长区域和非生长区域间隔设置。
可选地,应变补偿匹配发光区12的材料体系为Ga(X)N(Y)(其中,X=In、Al、B,Y=P、As、Sb、Bi)。
可选地,应变补偿发光区12的形状可以为方形、圆形、六角形、三角形、自定义形状等。
可选地,应变补偿发光区12的边长可以为100毫米到10毫米、10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米,间隔为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米。
其中,应变补偿匹配发光区12在应变补偿预备层11和应变补偿匹配发光区12的层叠方向的垂直方向上具有第一横截面尺寸,区别于现有技术的是,本申请实施例中第一横截面尺寸和应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量设置成使得应变补偿匹配发光区12内产生足够的应力,利用QCSE效应,进而使得应变补偿匹配发光区12因QCSE效应所产生的红移量不小于25nm。
需要说明的是,本申请中应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量要小于临界晶格失配阈值。其中,临界晶格失配阈值是指:当晶格失配小于该临界晶格失配阈值时,可依靠弹性形变补偿晶格常数之间的差别且在界面处不产生位错和缺陷;当晶格失配超出该临界晶格失配阈值时,界面处的位错和缺陷密度将会显著增加。
区别于现有技术的情况,本申请中应变补偿预备层11可用于调控应变补偿匹配发光区12的应力大小、保持应变补偿匹配发光区12的应力稳定、降低缺陷密度,同时,本申请利用应变补偿预备层11与应变补偿匹配发光区12之间的晶格失配量且配合第一横截面尺寸,实现对应变补偿匹配发光区12的应力控制,利用QCSE效应,使得应变补偿匹配发光区12因QCSE效应所产生的红移量不小于25nm,进而实现应变补偿匹配发光区12在相对较高温度下的生长,提高外延层的质量,尤其是提高长波段(例如红光、黄光)的外延层的质量,进而提升发光二极管10的光效。进一步地,本申请以选择性生长方式层叠设置于所述应变补偿预备层11上的应变补偿匹配发光区12,不再采用芯片工艺刻蚀隔离槽制备micro-LED芯片单元,可避免micro-LED芯片单元的侧壁损伤,提高发光效率,并提升大尺寸外延结构的均匀性,并有效防止大尺寸外延结构发生翘曲。此外,本申请发明人通过对不同生长区域的应变补偿匹配发光区12的应力控制,可控制不同生长区域的应变补偿匹配发光区12的红移量,进而实现RGB三色单片集成显示。
在一实施例中,因QCSE效应所产生的红移量不小于50nm。
在一实施例中,因QCSE效应所产生的红移量不小于100nm。
在一实施例中,因QCSE效应所产生的红移量不小于200nm。
具体而言,因QCSE效应以及MQW尺寸效应所产生的红移量不小于200nm;因应变补偿预备层11尺寸效应以及QCSE效应所产生的红移量不小于200nm;因应变补偿预备层11尺寸效应、QCSE效应以及MQW尺寸效应所产生的红移量不小于300nm。
在一实施例中,因QCSE效应所产生的红移量为应变补偿匹配发光区12所产生的实际峰值波长与根据应变补偿匹配发光区12的组分所计算的应变补偿匹配发光区12在无应力状态下所产生的理论峰值波长之间的差值。
具体而言,当应变补偿匹配发光区12的材料为InxGa1-xN或AlxGa1-xN时,根据松弛无应变合金的带隙弯曲方程(Bandgap bowing equation of relaxed unstrained alloy),在无应力状态下,其带隙和组分之间满足以下公式:
Eg(InxGa1-xN)=xEg(InN)+(1-x)Eg(GaN)-bx(1-x)
=3.43-2.79x-1.4x(1-x);
Eg(AlxGa1-xN)=xEg(AlN)+(1-x)Eg(GaN)-bx(1-x)
=3.43+2.71x-x(1-x)。
其中,b为弯曲因子,对于InxGa1-xN和AlxGa1-xN体系,b的经验值分别为1.4和1.0。因此,根据组分x可以计算出带隙Eg,再根据公式Eg=hc/λ≈1240/λ,由Eg可计算出应变补偿匹配发光区12在无应力状态下所产生的理论峰值波长。此外,根据量子限域效应,随着量子阱厚度的减小,发光波长会发生蓝移且不同材料体系有所差异。本申请中将因QCSE效应所产生的红移量定义为实际峰值波长与由上式计算所得的理论峰值波长之差。
如图2所示,在一实施例中,应变补偿匹配发光区12为量子阱层12,量子阱层12包括层叠设置的阱层122和垒层121,其中应变补偿预备层11的晶格常数介于阱层122的晶格常数和垒层121的晶格常数之间。
在一实施例中,应变补偿预备层11、阱层122和垒层121的晶格常数满足如下关系:
a1<a3<a2或a2<a3<a1
其中,a1为阱层122的晶格常数,a2为垒层121的晶格常数,a3为应变补偿预备层11的晶格常数。
具体而言,阱层122可以为InGaN阱层122,垒层121可以为GaN垒层121、AlGaN垒层121或AlN垒层121,应变补偿预备层11可以为InGaN应变补偿预备层11或AlGaN应变补偿预备层11。例如,如图3所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,GaN垒层121的晶格常数a2为3.2埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃;如图4所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlGaN垒层121的晶格常数a2为3.1~3.2埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃;如图5所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlGaN垒层121的晶格常数a2为3.1~3.2埃,AlGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.1~3.2埃;如图6所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlN垒层121的晶格常数a2为3.1埃,AlGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.1~3.2埃;如图7所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlN垒层121的晶格常数a2为3.1埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃。
在一实施例中,如图8所示,发光二极管10进一步包括衬底14,应变补偿预备层11以选择性生长方式形成于衬底14上,且在应变补偿预备层11和应变补偿匹配发光区12的层叠方向的垂直方向上具有第二横截面尺寸,第二横截面尺寸与第一横截面尺寸相同。
具体而言,衬底14包括但不限于蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底、InP衬底、GaAs衬底中的一个或多个组合。
进一步地,如图3~7所示,发光二极管10进一步包括P型半导体层13,P型半导体层13位于应变补偿匹配发光区12远离应变补偿预备层11的一侧,且P型半导体层13与应变补偿匹配发光区12层叠设置。
其中,P型半导体层13包括但不限于电子阻挡层、P型GaN层、P型重掺杂欧姆接触层中的一个或多个组合。
如图9~10所示,P型半导体层13可包括位于生长区域内且彼此独立的P型半导体子结构;P型半导体层13也可包括位于至少两个生长区域内且在至少两个生长区域之间形成连接的P型半导体子结构,其中,具体连接方式为某一生长区域P型半导体层13组成中的至少一层与另一生长区域中的P型半导体层13组成中相同属性的至少一层相互接触。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量不小于2%。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量不小于3%。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量不小于5%。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量不小于10%。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量不小于20%。
其中,晶格失配量定义为[(a1-a3)/a3]×100%,其中,a1为阱层的晶格常数,a3为应变补偿预备层11的晶格常数。
如图11所示,本申请实施例还提供一种用于制造上述实施例的发光二极管10的方法,该制造方法包括:
S101:提供一应变补偿预备层11。
具体而言,应变补偿预备层11为衬底、缓冲层、本征半导体层、N型半导体层、超晶格层、阱前准备层或自定义层中的一个或组合。
可选地,衬底包括但不限于蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底、InP衬底、GaAs衬底中的一个或多个组合。
可选地,本征半导体层可以为本征GaN层、本征InGaAlN层。
可选地,N型半导体层可以为N型GaN层、N型InGaAlN层。
可选地,超晶格层可以通过重复地堆叠多个复合层形成,各个复合层分别包括多个氮化物半导体层。各个氮化物半导体层可具有不同的组分以具有不同的晶格常数。通过重复地堆叠具有不同晶格常数的多个氮化物半导体层,使超晶格层可具有与氮化物半导体层的晶格常数不同的新晶格常数。
可选地,自定义层为可掺杂或不掺杂的Ga(X)N(Y)(其中,X=In、Al、B,Y=P、As、Sb、Bi)。
S102:在应变补偿预备层11上选择性生长应变补偿匹配发光区12。
其中,应变补偿匹配发光区12在应变补偿预备层11和应变补偿匹配发光区12的层叠方向的垂直方向上具有第一横截面尺寸,第一横截面尺寸和应变补偿匹配发光区12与应变补偿预备层11之间的晶格失配量设置成使得应变补偿匹配发光区12内产生足够的应力,利用QCSE效应,进而使得应变补偿匹配发光区12因QCSE效应所产生的红移量不小于25nm。
具体而言,可在应变补偿预备层11上形成一掩膜层,在掩膜层上选择性生长应变补偿匹配发光区12。具体技术方案为:在应变补偿预备层11上涂布光阻,曝光显影后,保留生长区域上的光阻,并在非生长区域沉积掩膜层,再移除光阻,或者,先沉积掩膜层材料,再涂布光阻并曝光显影后,除生长区域之外的光阻保留,通过刻蚀工艺移除生长区域的掩膜层,再移除光阻;在应变补偿预备层11上生长应变补偿匹配发光区12,通过移除非生长区域的掩膜层以剥离非生长区域的应变补偿匹配发光区12。其中,掩膜层的材料组分可以为金属(如Ti、W、Mo、Mn、Cr、Ta等)、SiO2、Si3N4中的至少一种,掩膜层的厚度可以为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米,宽度为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米。
在其它实施例中,可利用干法刻蚀工艺,在应变补偿预备层11的非生长区域刻蚀出沟槽,其它区域为生长区域,在沟槽之间的应变补偿预备层11上选择性生长应变补偿匹配发光区12。其中,沟槽的深度为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米,沟槽的宽度为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米。
在其它实施例中,在应变补偿预备层11的非生长区域刻蚀出沟槽,其它区域为生长区域,用二氧化硅填充沟槽直至高于生长区域的上表面,形成一具有一定高度的台阶,在生长区域的上表面选择性生长应变补偿匹配发光区12。其中,台阶的深度为10毫米到1毫米、1毫米到100微米、100微米到1微米、1微米到1纳米。
在一实施例中,因QCSE效应所产生的红移量为应变补偿匹配发光区12所产生的实际峰值波长与根据应变补偿匹配发光区12的组分所计算的应变补偿匹配发光区12在无应力状态下所产生的理论峰值波长之间的差值。
在一实施例中,应变补偿匹配发光区12为量子阱层12,量子阱层12包括层叠设置的阱层122和垒层121,其中应变补偿预备层11的晶格常数介于阱层122的晶格常数和垒层121的晶格常数之间。
其中,应变补偿预备层11、阱层122和垒层121的晶格常数满足如下关系:
a1<a3<a2或a2<a3<a1
其中,a1为阱层122的晶格常数,a2为垒层121的晶格常数,a3为应变补偿预备层11的晶格常数。
具体而言,阱层122可以为InGaN阱层122,垒层121可以为GaN垒层121、AlGaN垒层121或AlN垒层121,应变补偿预备层11可以为InGaN应变补偿预备层11或AlGaN应变补偿预备层11。例如,如图3所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,GaN垒层121的晶格常数a2为3.2埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃;如图4所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlGaN垒层121的晶格常数a2为3.1~3.2埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃;如图5所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlGaN垒层121的晶格常数a2为3.1~3.2埃,AlGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.1~3.2埃;如图6所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlN垒层121的晶格常数a2为3.1埃,AlGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.1~3.2埃;如图7所示,InGaN阱层122的晶格常数a1为3.2~3.54埃,AlN垒层121的晶格常数a2为3.1埃,InGaN应变补偿预备层11的晶格常数a3为3.2~3.54埃。
区别于现有技术的情况,本申请中应变补偿预备层11可用于调控应变补偿匹配发光区12的应力大小、保持应变补偿匹配发光区12的应力稳定、降低缺陷密度,同时,本申请利用应变补偿预备层11与应变补偿匹配发光区12之间的晶格失配量且配合第一横截面尺寸,实现对应变补偿匹配发光区12的应力控制,利用QCSE效应,使得应变补偿匹配发光区12因QCSE效应所产生的红移量不小于25nm,进而实现应变补偿匹配发光区12在相对较高温度下的生长,提高外延层的质量,尤其是提高长波段(例如红光、黄光)的外延层的质量,进而提升发光二极管10的光效。进一步地,本申请以选择性生长方式层叠设置于所述应变补偿预备层11上的应变补偿匹配发光区12,不再采用芯片工艺刻蚀隔离槽制备micro-LED芯片单元,可避免micro-LED芯片单元的侧壁损伤,提高发光效率,并提升大尺寸外延结构的均匀性。此外,本申请发明人通过对不同生长区域的应变补偿匹配发光区12的应力控制,可控制不同生长区域的应变补偿匹配发光区12的红移量,进而实现RGB三色单片集成显示。
以上仅为本申请的实施方式,并非因此限制本申请的专利范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。