[發明專利]半極性面氮化鎵基發光二極管及其制備方法

有效

• 申請號: 201410147977.6
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN104112803A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 項若飛;汪連山;趙桂娟;金東東;王建霞;李輝杰;張恒;馮玉霞;焦春美;魏鴻源;楊少延;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/16
• 分類號: H01L33/16;H01L33/18;H01L33/32;H01L33/20;H01L33/06;H01L33/12;H01L33/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，涉及發光二極管，具體涉及一種基于m面藍寶石圖形襯底上半極性(11-22)面氮化鎵基發光二極管(LED)結構及其制備方法，該發光二極管采用圖形襯底生長技術和銦鎵氮插入層技術相結合，可顯著改善發光二極管材料的晶體質量和表面形貌，提高半極性面氮化鎵基發光二極管的出光效率。

背景技術

作為第三代寬禁帶半導體技術的典型應用，商業化的氮化鎵(GaN)基LED產品已覆蓋了紫外到綠光光譜。作為一種發光器件，GaN基LED可廣泛應用在室內外照明、商業照明、農業照明、交通照明、醫用照明和顯示背光源等諸多方面。對這一光源的關注，使得近年來GaN基LED的制備技術水平獲得了大幅提升，而其中的一些技術瓶頸也日益凸顯。

目前，商業化的GaN基LED都是沿c軸生長制備的，生長取向沿(0001)面方向，外延材料內部存在著很強的自發極化和壓電極化，極化效應導致能帶發生強烈彎曲，降低了量子阱內的載流子輻射復合效率，在高密度電流驅動下，內量子效率會急劇衰減，輻射波長會發生藍移，即量子限制斯塔克(Stark)效應[S.F.Chichibu，et.al.，Nature?Materials，Vol.5，pp5143，2006]。為減小極化效應對LED器件性能的不利影響，選擇制備非極性和半極性面氮化鎵基LED是較為可行的方案。其中，沿半極性(11-22)面氮化鎵基材料的工藝調節窗口較寬，銦摻入率較高[A.E.Romanov，et.al.，J.Appl.Phys.，Vol.100，pp023522，2006]，研制的半極性面LED所發射出的光具有較高偏振度，可有效透過LCD液晶顯示背光板中的偏振膜，較c面LED在液晶顯示背光源上更具優勢。

然而，缺少高質量、大尺寸、低成本的GaN同質襯底，半極性(1122)面GaN基LED需要在異質襯底上制備。通常采用m面藍寶石襯底來生長(11-22)面GaN外延層進而制備LED，但由于晶體沿(11-22)面生長取向控制難、缺陷密度高和生長速率各向異性導致材料表面不平整等難題，致使半極性(11-22)面GaN基LED的質量和性能難與c面同結構器件媲美。2009年，Qian?Sun等人提出在經高溫氮化處理的m面平片藍寶石襯底上生長高溫AlN緩沖層，再采用生長半極性面(11-22)面GaN，引入“粗化-恢復”的變化機制，減少了位錯和缺陷，提高了LED制備質量[Appl?ied?Physics?Letter，Vol.95，pp231904-1-3，2009]。2011年，Simon?Ploch等人提出用980℃氮化處理襯底，并在同溫下生長GaN緩沖層，可以制備出單一取向高結晶質量和表面平整的半極性(11-22)面GaN層[Journal?of?Crystal?Growth，Vol.331，pp25-28，2011]。半極性面GaN外延層中高密度的位錯和層錯源于薄膜-襯底界面，在外延中通過襯底氮化結合緩沖層優化，調節生長模式的方法固然能在一定程度上改善GaN外延層的晶體質量，但是提升空間有限；同時，采用平片襯底的半極性面LED的光提取效率較低。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種半極性面氮化鎵基發光二極管及其制備方法，該發光二極管制備在m面藍寶石圖形襯底上，能夠發射近外、紫光、藍光、綠光、橙光等不同顏色的偏振光，可用于半導體照明和新型背光源，以滿足市場需求。

本發明提供一種半極性面氮化鎵基發光二極管，包括：

一襯底，其表面具有周期排列的凸起圖形；

一氮化鋁緩沖層，其沉積在凸起圖形之間的間隔區內，該氮化鋁緩沖層的厚度小于襯底表面的凸起圖形的高度；

一未摻雜半極性面氮化鎵層，其制作在氮化鋁緩沖層的上面，該未摻雜半極性面氮化鎵層與襯底表面的凸起圖形之間具有空隙區，可阻隔位錯缺陷向上延伸；

一半極性面氮化鎵N型層，其制作在未摻雜半極性面氮化鎵層上；

一半極性面N型銦鎵氮插入層，其制作在半極性面氮化鎵N型層上；

一半極性面銦鎵氮/氮化鎵多量子阱活性發光層，其制作在半極性面N型銦鎵氮插入層上；

一半極性面P型鋁鎵氮電子阻擋層，其制作在半極性面銦鎵氮/氮化鎵多量子阱活性發光層上；

一半極性面P型氮化鎵層，其制作在半極性面P型鋁鎵氮電子阻擋層上。

本發明還提供一種半極性面氮化鎵基發光二極管的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在一襯底上制備出周期性排列的凸起圖形；

步驟2：將具有周期性凸起圖形的襯底清洗后放入反應室中進行氮化處理；