[發明專利]一種高亮度GaN基發光二極管外延片及其制備方法

有效

• 申請號: 201310316633.9
• 申請日: 2013-07-25
• 公開（公告）號: CN103367577A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 李曉瑩;康建;鄭遠志;陳向東;徐琦
• 申請（專利權）人: 馬鞍山圓融光電科技有限公司
• 主分類號: H01L33/10
• 分類號: H01L33/10;H01L33/20
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤

技術領域

本發明涉及一種GaN基發光二極管（LED），尤其涉及一種具有粗化表面的氮面n型GaN層結合GaN基分布布拉格反射鏡（DBR）層的LED外延片結構及其制備的方法。

背景技術

LED作為第三代照明光源，因其高效節能、綠色環保、體積小、壽命長、耐沖擊、抗震等綜合優勢而逐漸得到日益廣泛的應用。GaN是繼GaAs、InP等之后出現的又一種新型半導體材料，并具有許多硅基半導體材料不具備的優異性能，如禁帶寬度大、電子飽和漂移速度快、導熱性能好、化學穩定性高等，對于抗輻射、耐高溫、高頻、微波、大功率器件，尤其是利用其寬禁帶特性制作的藍、綠、紫外光電器件，具有很大的發展空間和廣闊的市場潛力。GaN基藍光LED的出現，大大擴展了其應用領域，引起了半導體照明的一場產業革命。雖然GaN基LED已經產業化，但是其光功率輸出和光譜分布特性不甚理想，仍有待進一步提高和改善。其出光效率的提高對于降低功耗、節約能源方面具有重大意義，因此獲得更高能效的GaN基LED是目前業內人士和科研工作者普遍關注的問題。一般情況下，提高LED發光效率的方法有兩種：第一種是提高芯片的內量子效率，這主要和控制晶體質量、外延層結構有關，較高的內量子效率數值已有報道?，F在典型的藍光GaN基LED的內量子效率已經達到70%以上，新近在低位錯密度的GaN基襯底生長的紫外（UV）LED的內量子效率接近80%。由于GaN基LED所用的外延材料一般采用MOCVD外延生長手段和多量子阱結構，因此進一步改善的空間較小。然而，傳統大面積結構GaN基LED由于全反射、吸收、橫向光波導等原因，光提取效率只有百分之幾，提升空間很大。眾所周知，限制LED光提取效率提高的主要原因是GaN基外延層材料、藍寶石襯底以及空氣之間較大的折射率差異，導致有源層產生的光在不同材料界面發生全反射而不能導出芯片。典型的GaN基半導體材料的折射率為2.5，由全反射定律知，光線從半導體逸出到空氣中的光錐出射臨界角為23.6°，故大于該臨界角的光線會逐漸消失于內部全反射，最終被半導體材料、電極和襯底吸收而轉化為熱能。

目前，很多研究機構在提高GaN基LED的外量子效率方面做了大量的嘗試性工作，并初步取得了一些研究成果?，F已報道的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；控制和改變自發輻射，通常采用諧振腔或光子晶體等結構；表面粗化的目的是使光在粗糙界面發生散射，增加其透射機會，根據修飾加工層的不同，主要包括藍寶石襯底、非摻GaN層、n型GaN層、p型GaN層和ITO層等幾種表面粗化處理方式。另外，還有一些人在電極反射率、LED的芯片尺寸以及封裝材料折射率等方面也做了不少工作。今后提高GaN基LED光提取效率的發展趨勢很可能是以上兩種或多種技術的有效結合。盡管已經有各種針對LED芯片表面或者芯片內部的微納結構加工報道，但是這些方法都存在各自的缺點，如有的工藝過程復雜、生產成本較高；有的輔助材料會對LED生產線造成污染，甚至有的工藝操作會對LED外延層質量產生不利影響。因此，GaN基LED研發進程迫切需要一種低成本、可操作性強和與傳統工藝相兼容的表面界面粗化技術。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種高亮度GaN基發光二極管外延片及其制備方法，可以提高GaN基LED光提取效率。

為了解決上述問題，本發明提供了一種高亮度GaN基發光二極管外延片，包括襯底、襯底上表面上方設置一非摻雜GaN層，非摻雜GaN層上表面上方依次設置一N型GaN復合層、有源層和P型GaN復合層，在非摻雜GaN層和N型GaN復合層之間進一步設置一極性轉換層，所述極性轉換層的材料為Mg元素摻雜濃度為1×10²⁰～5×10²⁰cm^-3的P型GaN。