[發(fā)明專利]一種提高發(fā)光二極管外量子效率的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910061316.0
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN101521258A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發(fā)明（設計）人: 劉玉萍;魏世禎;孫飛
• 申請（專利權）人: 武漢華燦光電有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 江西省專利事務所
• 代理人: 胡里程

技術領域

本發(fā)明涉及一種能夠應用于半導體發(fā)光二極管，特別是氮化鎵基藍綠光發(fā) 光二極管，能有效提高其外量子效率的一種新方法。

背景技術

半導體發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長等優(yōu)點，在交通指示、戶 外全色顯示等領域有著廣泛的應用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管(LED)可能 實現半導體固態(tài)照明，引起人類照明史的革命，從而逐漸成為目前光電子學領 域的研究熱點。然而，目前產業(yè)化的LED發(fā)光效率只有50lm/W左右，其效率 還較傳統(tǒng)的光源低很多。LED的內量子效率已經達到80％以上，為了獲得高亮 度的LED，關鍵要提高器件的外量子效率。目前，芯片的光提取效率是限制器 件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延層材料、襯底材料以及空氣之間 的折射率差別較大，導致有源區(qū)產生的光在不同折射率材料界面發(fā)生全反射而 不能導出芯片。目前已經提出了幾種提高芯片光提取效率的方法，主要包括： 改變芯片的幾何外形，減少光在芯片內部的傳播路程，降低光的吸收損耗，如， 采用倒金字塔結構，采用諧振腔或光子晶體等結構改變自發(fā)輻射等等；利用倒 裝焊(flip-chip?bonding)技術，同時通過高反射率的P型電極，增加光從藍寶 石透射的機會，從而進一步提高芯片的光提取效率；此外，在外延片生長工藝 中采用表面粗糙化的方法使光在粗糙的半導體和空氣(或其他介質)界面發(fā)生散 射，增加其透射的機會，如，使用氮化鎂(MgN)對P型層進行表面處理，利 用低溫工藝生長P型層，獲得粗糙化表面，從而提高光的提取效率。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提出一種新的方法增加半導體發(fā)光二極管的外量子效 率，這種方法直接運用于外延片生長工藝中，通過提高P型層中鎂原子(Mg) 的摻雜濃度，獲得粗糙化表面，這樣可以有效地減少光在外延材料與空氣(或 其他介質)界面的全反射，從而提高發(fā)光二極管的光提取效率，從而增加其發(fā) 光效率。

本發(fā)明的技術方案為：一種提高半導體發(fā)光二極管外量子效率的方法，該 二極管外延片結構從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，高溫緩沖層，復 合N型層，發(fā)光層多量子阱結構MQW，復合P型層。P型層的特殊生長工藝。 本發(fā)明中，P型層為復合結構。P型層9的厚度介于10nm至200nm之間，其 組分為：鋁銦鎵氮(Al_xIn_yGa_1-x-yN?0＜x＜1，0≤y＜1，x+y＜1)，可以為鋁鎵 氮AlGaN三元合金，也可以為鋁銦鎵氮AlInGaN四元合金，該層禁帶寬度較 發(fā)光層多量子阱結構MQW中的壘層寬，通常稱作寬禁帶電子阻擋層。P型層 10的厚度為100nm至800nm之間，其組分為鋁銦鎵氮Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1， 0≤y＜1x+y＜1，)，可以為純氮化鎵(GaN)材料，也可以為鋁鎵氮AlGaN， 銦鎵氮InGaN三元合金，也可以為鋁銦鎵氮AlInGaN四元合金。P型層11， 其組分為鋁銦鎵氮Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，x+y＜1)可以為純氮化鎵 (GaN)材料，也可以為鋁鎵氮AlGaN，銦鎵氮InGaN三元合金，也可以為鋁 銦鎵氮AlInGaN四元合金，該層通常為電極接觸層。粗化層可以是P型層9， 或者P型層10，或者P型層11，也可以是某一層的某一個區(qū)域，也可以是復 合P型層的多層。也就是說粗化層的位置可以靠近發(fā)光層MQW，可以位于外 延片最頂層，也可以位于P型復合結構的中間某一位置。上述所有的結構形式 都可以達到外延片表面粗糙化的效果。本發(fā)明中，粗化層的生長方式采用一種 新穎的粗化方法：提高P型層鎂原子(Mg)的摻雜濃度，鎂原子與鎵原子的 摩爾比(Mg/Ga)介于1/100至1/4之間。本發(fā)明中所述的“介于”均包括本 數。

本發(fā)明以高純氫氣(H₂)或氮氣(N₂)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、 三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH₃)分別作為Ga、Al、In 和N源，用硅烷(SiH₄)、二茂鎂(Cp₂Mg)分別作為n、p型摻雜劑。

外延結構如圖4所示：