一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法技术

本发明专利技术公开的是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1、在电解液中，对生长在c‑面蓝宝石衬底上的n‑GaN/n

A Fabrication Method of Blue Light Emitting Diodes with GaN/Nano-Cavity

The invention discloses a preparation method of a blue light emitting diode with GaN/nano-cavity, which comprises the following steps: step 1, in an electrolyte, to n GaN/n grown on a C-plane sapphire substrate

【技术实现步骤摘要】
一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法
本专利技术属于半导体光电子材料制备方法
，具体涉及一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法。
技术介绍
铟镓氮(InGaN)基蓝光发光二极管(LED)已获得广泛应用。然而，其较低的发光效率不仅造成大量的能量被浪费，而且还制约了其在更为广阔的领域中获得应用(如：平面显示，生物医学器件等)。为了提高InGaN基蓝光LED的发光效率，可采用在纳米多孔薄膜上生长InGaN基LED。目前，已经尝试过多孔Si、单层多孔GaN等多种结构。但即使实现剥离，发光效率仍然有待提高。在多层纳米多孔GaN(0001)上生长InGaN基LED，发光强度有望提高6-10倍。目前，制备具有单层纳米多孔GaN(0001)的InGaN基蓝光LED发光效率最高仅提高2倍。该工艺主要包括：(1)采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法在c-面蓝宝石衬底上先后生长低温GaN缓冲层、Si掺杂n-GaN(0001)层；(2)采用电化学刻蚀和光电化学刻蚀相结合技术对步骤(1)所获薄膜进行刻蚀，形成纳米多孔GaN结构；(3)采用MOCVD再生长方法，依次生长n-GaN(0001)层、InGaN/GaN多量子阱层、p-GaN(0001)层，形成具有单层NP-GaN结构的InGaN基蓝光LED。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，能够制备出大面积、高发光效率的InGaN基蓝光发光二极管。本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法所采用的技术方案，具体包括以下步骤：步骤1、在电解液中，对生长在c-面蓝宝石衬底上的n-GaN/n+-GaN周期性结构进行电化学刻蚀，制得纳米多孔GaN；步骤2、采用退火技术将所述纳米多孔GaN转变为具有GaN/纳米空腔周期性结构的GaN薄膜；步骤3、在所述GaN薄膜上依次外延生长n-GaN层、InGaN/GaN超晶格和多量子阱层以及Mg掺杂p-GaN层，制得InGaN基蓝光二极管。本专利技术的特点还在于，步骤1中电解液为草酸、HF酸或硝酸的水溶液中的任意一种，电解液浓度为0.2-0.6mol/L，c-面蓝宝石衬底的厚度为2-3英寸，电化学刻蚀的刻蚀电压为15-35V，刻蚀速率为20-60nm/min。步骤1中n-GaN层的厚度为40-180nm，掺杂浓度为3.0×1018～8×1018cm-3，所述n+-GaN层的厚度为40-180nm，掺杂浓度为2.0×1019～5×1019cm-3。4.根据权利要求1所述的一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中n-GaN/n+-GaN周期性结构的周期数为6-15。步骤2中的退火技术是在MOCVD中在一定的气体氛围下进行退火，所述气体为N2、NH3或两者的混合气体。步骤3是采用MOCVD技术在GaN薄膜上依次外延生长n-GaN层、InGaN/GaN超晶格和多量子阱层以及Mg掺杂p-GaN层。步骤3中n-GaN层是Si掺杂n-GaN薄膜，n-GaN层的掺杂浓度为3×1018-7×1019cm-3，n-GaN层的生长温度为700-1070℃，n-GaN层的厚度为1.5-2.5μm，InGaN/GaN超晶格结构是周期为5-15的In0.05Ga0.95N/GaN超晶格结构，每个周期中，In0.05Ga0.95N厚度为2-5nm，GaN厚度为6-8nm，多量子阱层是周期10-15的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱结构，每个周期中，In0.2Ga0.8N厚度为3-7nm，GaN厚度为9-12nm，Mg掺杂p-GaN层的掺杂浓度为3×1019cm-3-5×1019cm-3，厚度为150-280nm。步骤3中是先在800-1000℃初始温度生长厚度为300～400nm的n-GaN层，然后在1000-1070℃温度下生长1.2～2.2μm的n-GaN层，且在800-1000℃初始温度下n-GaN层的生长速率为60-100nm/min。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，采用MOCVD技术在多层纳米多孔GaN结构上外延生长InGaN基LED，本专利技术人惊喜地发现，可制备大面积(2英寸及以上)，高发光效率(是参比LED发光效率的6-10倍)、高荧光寿命(是参比LED荧光寿命的5-10倍)的InGaN基蓝光LED。再生长后，纳米多孔GaN周期性结构转变为GaN/纳米空腔周期性结构。由于GaN/纳米空腔周期性结构具有显著的应力松弛特性，因此在其上再生长的InGaN基蓝光LED具有更高的晶体质量。因此，具有GaN/纳米空腔周期性结构的InGaN基蓝光LED发光效率的显著提高应主要归因于InGaN/GaN层较高的结晶质量；2)本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，通过改变n-GaN/n+-GaN周期性结构中n-GaN和n+-GaN层的掺杂浓度和刻蚀电压大小，可制备n-GaN层孔隙率<50％和n+-GaN层孔隙率<80％的周期性NP-GaN层。之所以选择n-GaN层孔隙率<50％和n+-GaN层孔隙率<80％,这是因为只有当n-GaN层孔隙率<50％和n+-GaN层孔隙率<80％时，再进行步骤2的外延生长过程中才会形成GaN/纳米空腔周期性结构；3)本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，发现在MOCVD再生长过程中通过改变n-GaN层生长温度可以影响GaN/纳米空腔周期性结构的晶体质量。当n-GaN层再生长初始温度在800-1000℃之间时，GaN/纳米空腔周期性结构应力松弛增加量超过10％；4)本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，工艺条件易于精确控制，制备的具有GaN/纳米空腔周期性结构的InGaN基蓝光LED均匀性和重复性好，便于产业化生产。所制备的LED发光效率高、荧光寿命长等优良特性，有着广阔的应用前景。附图说明图1是实施例1制备的2-英寸NP-GaN周期性结构的照片，图中标尺单位为厘米(cm)；图2是实施例1制备的InGaN基蓝光LED的摇摆曲线实验结果，其中，横坐标：该晶面同样品面的夹角(ω)，单位：度(degree)，纵坐标：强度(Intensity)；图3是实施例1制备的InGaN基蓝光LED的光致发光光谱实验结果，其中，横坐标：波长(Wavelength)，单位：纳米(nm)，纵坐标：光致发光强度(PLIntensity)；图4实施例1制备的InGaN基蓝光LED的光致发光荧光寿命光谱实验结果，其中，横坐标：时间(times)，单位：纳秒(ns)，纵坐标：归一化强度(NormalizedIntensity)；图5实施例1制备的InGaN基蓝光LED的电流(I)-电压(V)曲线，其中，横坐标：电压(Voltage)，单位：伏特(V)，纵坐标：电流(Current)，单位：毫安(mA)；图6实施例1制备的InGaN基蓝光LED，因电流注入导致其发蓝光时的照片；图7是实施例1制备的具有GaN/纳米空腔周期性结构的InGaN基蓝光LED的切面扫描电子显微镜(SEM)图片，其中标尺单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、在电解液中，对生长在c‑面蓝宝石衬底上的n‑GaN/n

【技术特征摘要】
1.本发明是一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、在电解液中，对生长在c-面蓝宝石衬底上的n-GaN/n+-GaN周期性结构进行电化学刻蚀，制得纳米多孔GaN；步骤2、采用退火技术将所述纳米多孔GaN转变为具有GaN/纳米空腔周期性结构的GaN薄膜；步骤3、在所述GaN薄膜上依次外延生长n-GaN层、InGaN/GaN超晶格和多量子阱层以及Mg掺杂p-GaN层，制得InGaN基蓝光二极管。2.根据权利要求1所述的一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中电解液为草酸、HF酸或硝酸的水溶液中的任意一种，电解液浓度为0.2-0.6mol/L，c-面蓝宝石衬底的直径为2-3英寸，电化学刻蚀的刻蚀电压为15-35V，刻蚀速率为20-60nm/min。3.根据权利要求1所述的一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中n-GaN层的厚度为40-180nm，掺杂浓度为3.0×1018～8×1018cm-3，所述n+-GaN层的厚度为40-180nm，掺杂浓度为2.0×1019～5×1019cm-3。4.根据权利要求1所述的一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中n-GaN/n+-GaN周期性结构的周期数为6-15。5.根据权利要求1所述的一种具有GaN/纳米空腔的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的退火技术是在MOCVD中在一定的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹得重，肖洪地，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61