[发明专利]一种生长纳米折叠结构有源区外延片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备新型发光二极管有源区结构和拥有这种有冤屈结构的外延片的方法，具体涉及一种采用纳米加工技术制备在衬底模版上制备纳米柱阵列结构，然后在纳米柱的顶面和侧面生长制备发光二极管有源区，最终获得具有纳米折叠结构有源区发光二极管外延片的方法。

背景技术

发光二极管(LED)背光源的液晶显示屏已经逐渐进入了笔记本电脑和台式计算机等中小尺寸的显示器市场，为大功率红、绿、蓝和白光LED在半导体照明之外又开辟了一个很大的高端应用领域。但是，LED要想进一步满足显示屏、背光源、照明等高端应用的需求，从而代替冷阴极荧光灯、白炽灯等传统光源，实现200流明/瓦的目标，还必须要进一步提高其电光转换效率。只有进一步提高LED的电光转换效率，LED器件的成本才能逐步降低，其绿色、节能、环保的优势才能更好地体现出来。

提高三族氮化物基的LED器件的电光转化效率主要涉及到LED内部结构和外部结构的研究和优化设计两个方面。

其中，LED内部结构的优劣直接决定InGaN LED的内量子效率的高低。在量子阱有源区生长过程中，于精细控制生长条件的同时采用应变调控的方法可以很大程度上提高量子阱有源区的晶体质量和界面完整性，从而提高LED的内量子效率。量子阱中极化电场的存在也是一个降低内量子效率的因素。所以，研究在极性或者半极性GaN衬底上生长高效率LED，降低极化场对内量子效率的影响也是一个很重要的方向。此外高质量GaN衬底的应用不仅可以提高LED外延结构的晶体质量，提高LED的内量子效率，还使得制造垂直结构的LED器件得以实现。晶体质量的提高以及器件结构的改变，在为提高LED器件内、外量子效率奠定基础的同时，还可以进一步提高LED器件的抗静电能力，延长LED器件的使用寿命。

另外，LED的性能在很大程度上还与LED器件的外部结构息息相关。其中最重要的一个参数就是光萃取效率。解决内部全反射引起的LED器件出光效率低的问题的手段主要有三类，即器件几何形状的设计和加工、器件表面微结构设计和制备以及图形衬底的使用。其中通过设计器件几何形状或者采用各种角度的反射器来改变光传播的方向和方式的技术在红光LED中研究的已经相当深入。而采用图形衬底可以在提高LED器件出光效率的同时，还可以利用横向外延的生长原理降低外延材料的位错密度，改变外延层的应变状态，可谓一举多得。

器件表面微结构设计和加工的方法有很多。例如通过特殊材料生长手段在LED外延片表面生长高密度的V型坑或者丘状突起，从而破坏GaN表面和空气之间的界面平整度，降低光从GaN中传播到空气中时的反射。另外通过纳米加工技术在器件表面制作包括光子晶体、纳米柱或微透镜阵列等在内的各种微结构表面也是有效地提高LED出光效率的方法。作为一种简单有效同时又可能更适合于低成本、大批量加工的技术，器件表面微结构设计和加工在近年来得到了极大的关注。

国内外在制作纳米结构的LED器件方面已经有很多的研究和报道。这些研究工作分为两种。一种是自下而上的方法，即采用催化剂辅助或者不用催化剂的生长以及选区沉积生长的方法获得纳米柱阵列，进而制作LED器件。另外一种是采用自上而下的方法在外延层上利用各种刻蚀技术来制作纳米结构的材料。自上而下加工制作纳米结构的方法主要有聚焦离子束直接刻蚀，光刻和反应离子束(RIE)、耦合等离子体(ICP)以及湿法腐蚀相结合，纳米压印，纳米多孔材料掩模、自组织掩模等方法。

纳米结构材料相对于一般的体材料，有一系列显著的优势。纳米结构可以通过材料弛豫释放材料中的应力，这样就会使异质界面处材料间比较大的晶格失配得到一定程度的缓解，从而抑制位错的产生和攀移，在提高晶体质量的同时降低极化场对LED器件内量子效率的影响。由于半导体纳米结构材料在表面积增大的同时减小了空气和半导体界面处的反射，所以可以使光萃取效率得到显著的提高。如果合理地安排纳米结构的周期，能使得材料呈现光子晶体效应，还能使材料的性能得到进一步的改善。因此，采用纳米结构为制作高效率的LED器件提供了一种有效的途径。

在文献已报道的研究工作中，改进LED器件内部结构和外部结构的途径和方法往往是各自进行的，有时二者还可能是相互冲突的。本发明的特点在于涉及一种在改善内部结构，提高内量子效率的同时兼顾外部结构的优化，也提高外外量子效率的方法。

发明内容