一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法技术

一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法，涉及一种发光二极管。提供一种出光效率高、晶体质量好的氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法。设有衬底、ＧａＮ缓冲层、第１掺硅ＧａＮ层、介质层、第２掺硅ＧａＮ层，ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱、掺镁ＡｌＧａＮ层和掺镁ＧａＮ层，并从下至上设于衬底上。将（０００１）面的蓝宝石衬底装入反应室，在Ｈ↓［２］气氛下热处理；降温生长ＧａＮ缓冲层；在ＧａＮ缓冲层上生长第１掺硅ＧａＮ层，降温取出样品；在样品上沉积介质层，沿第１掺硅ＧａＮ层的〈１１００〉〈１１２０〉方向刻出窗口作为图形衬底，样品清洗后外延生长；整个外延生长完成后，将外延片退火。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种第三代半导体光电子器件领域中应用氮化 镓(GaN)基及其化合物薄膜的外延生长技术一横向外延过生长技术(ELOG)的氮化镓基发 光二极管外延片结构及其制备方法。
技术介绍
GaN基发光二极管具有体积小、寿命长，可实现大面积阵列；LED使用低于5V的直流 电源驱动，辐射区主要集中在可见光区。具有低压、省电、冷光源、响应时间短、发光效率 高、防爆和节能可靠等优点，其市场潜力巨大。它除了应用在交通指示灯，大面积显示屏外， 在节能日常照明光源的应用也是日趋成熟。LED不含有对人体有害的铅和汞，同时避免了对 环境的污染，对于废弃物的回收问题，也比现行日光灯少，可说是既安全又环保，有"绿色照 明光源"之称。许多专家认为，LED是继第一代白炽灯光源，第二代荧光灯光源，第三代高强 度气体放电灯光源之后的第四代照明光源。世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌 灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。in族-氮化物半导体材料由于其优良的光电特性，在制备紫外探测器，发光二极管，激光二极管以及高温，高频等光电器件领域有着广泛应用并在近年来取得了突破性的进展( Shuji Nakamura.Recent Developments in InGaN-Based Blue LEDs and LDs. Department of Research and Development, Nichia Chemical Industries, Ltd; Takashi MUKAI, Motokazu YAMADA and Shuji NAKAMURA. Characteristics of InGaN-Based UV/Blue/Green/Amber/Red Light墨EmittingDiodes.Jpn. J. Appl.Phys, 1999; 38:3976)。其三元化合物InGaN，通过调节合 金中In的组分，禁带宽度理论上可从0.6eV (InN )连续变化到3.4eV (GaN),发光波长覆盖 了整个可见光波段和部分紫外光波段，被广泛应用于光电子器件LED和LD的有源层( Chin-Hsiang CHEN, Shoou-Jinn CHANG and Yan-Kuin SU. High-Indium-Content InGaN/GaN Multiple-Quantum-Well Light-Emitting Diodes .Jpn丄Appl. Phys, 2003 ;42: 2281 ; Horng墨Shyang Chen, Dong-Ming Yeh, Chih-Feng Lu， etal. White light generation with CdSe-ZnS nanocrystals coated on an InGaN-GaN quantum-well blue/Green two-wavelength light-emitting diode .IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2006; 18:NO. 13。)。 1995年，Nakamura等人开发出了InGaN单量子阱结构LED，紧接着多量子阱结构可使LED 的外量子效率高达20% ( Mukai T. Recent progress in grou掺镁III nitride Light-emitting diodes.正EE J.Select.Topics Quantum electron,2002,8(2):264-270),由于量子阱对载流子起到 很好的限制作用，且InGaN三元合金材料具有其内在特性在InGaN的生长过程中，In的空间 分布存在涨落，因而在量子阱中形成类似量子点结构的纳米尺寸的富In区，对载流子起到三 维限制作用，使载流子在发生辐射复合之前更难迁移到由于缺陷等引起的非辐射复合中心， 从而大大提高辐射复合发光效率( S. Nakamura， M. Senoh and T. Mukai.掺镁 GaN/N-InGaN/N-GaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes Jpn. Jpn.J. Appl. Phys., 1993;32:L8; S. Nakamura， T. Mukai, M. Senoh，etal. In;cGa(卜;c)N/InyGa(卜力N superlattices grown on GaN films J.Appl.Phys.，1993; 74:3911)。所以目前GaN基LED主流结构就是采用InGaN/GaN， InGaN/AlGaN单量子阱或多量子阱结构。已有的传统GaN基LED (参见图l)是在蓝宝石衬底 l上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长一层非掺杂的低温GaN缓冲层，然后L温 在高温下生长一层掺Si的掺硅GaN层2，接着在惨硅GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱有源层 3，最后在有源层上生长一层掺镁AlGaN层和一层掺镁GaN层4。形成平面的LED器件外延片。一般而言，LED的发光亮度随着注入电流的增加而增强，但是pn结存在一个最高工作温 度，大电流注入会产生大量的热而损坏晶体和封装设备，从而导致器件寿命縮短，所以提高 注入电流的能量转换效率才是关键的技术。我们常用外量子效率来衡量电能转换为光能的效 率，其大小等于内量子效率与光子的逃逸率之积。随着外延技术的提高，GaN基半导体材料 的晶体质量得到很大的提高，所以一般来说，高性能的LED的内量子效率都很高，只是由于 晶格缺陷，衬底对光的吸收以及传统LED矩形腔结构的全反射问题导致光子逃逸率很低，实 际的外量子效率不高。由于GaN的折射率比空气的的折射率大，所以当9<& (光从GaN层出射 到空气时的全反射角)时，光会从正面逸出，当e〉9o。-e。时，光在侧面入射角小于全反射角，光从侧面逸出，而当e^e〈90。-9c时，光在正面和侧面都小于全反射角，不能逸出。经计算，对于矩形腔结构的LED，只有40%的光能从表面逸出(参见图2)。围绕着提高光子的逃逸率，国内外做了很多研究。1995年，Yoshida等人从降低晶体中缺 陷着手提出了LEO生长技术有效地降低了GaN外延层的位错密度(4一5个数量级)甚至在翼 区GaN接近无位错(Usui A,Sunakawa H,Sakai A etal.Jpn丄Appl.Phys, Part2，1997,36(7B): L899)从而大大提高了LED的发光效率。 一种在美国已经商业化的提高光子逃逸率的方法就 是采用透把衬底腐蚀得很薄，在利用电极的反射性很好而提高出光效率。Lumileds公司采用透明衬底， 截面为梯形，立体结构为倒金字塔形的芯片结构，破坏传统芯片立方体形状，解决全反射问 题而提高出光效率。上世纪80年代Burnham等人提出了生长分布布拉格反射层结构( Qi Yun，Dai Ying,Li Anyi. Enhancement of the external quantum efficiency of light-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓基发光二极管外延片结构，其特征在于设有蓝宝石衬底、未掺杂的ＧａＮ缓冲层、第１掺硅ＧａＮ层、介质层、第２掺硅ＧａＮ层，３～５个周期的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱、掺镁ＡｌＧａＮ层和掺镁ＧａＮ层，从下至上未掺杂的ＧａＮ缓冲层、第１掺硅ＧａＮ层、介质层、第２掺硅ＧａＮ层，３～５个周期的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱、掺镁ＡｌＧａＮ层和掺镁ＧａＮ层依次设在蓝宝石衬底上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝林，张保平，朱丽虹，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]