[发明专利]一种GaN基多量子阱超辐射发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种第三代半导体材料GaN基多量子阱超辐射发光二极管(Supper Light-Emitting Diodes)及其制备方法。

背景技术

超辐射光是由自发辐射的光子在增益介质中传播经历了受激放大过程而得到的，放大的自发发射称为超辐射。半导体超辐射发光二极管兼具有激光器(LD)和发光二极管(LED)所有的特点：对于传统的LED，其发光机制是通过有源层自发发射而发出各向同性的光源，所以在传统的矩形腔结构中就存在严重的全反射问题，理论上只有2％的光能从表面逸出，导致外量子效率和输出功率低。而对于LD器件来说，要实现受激激射的条件是相当难的，首先必须大电流注入来实现粒子数反转，同时必须具备振荡和选模作用以达到增益大于损耗时才能有激光输出。然而相比之下，超辐射发光二极管则只要实现光增益过程，让自发辐射的光子在增益介质中传播，经历受激放大过程，把各向同性的自发辐射光转变成有选择方向地输出，不需要大的电流注入就能实现较大的功率输出。而且一般LD的光谱范围小，就几个纳米，LED虽然光谱范围宽，但是输出功率小，而超辐射发光二极管(SLED)光谱范围宽，输出功率大，方向性好，因而它在通讯和传感等领域具有广泛的应用。例如通讯系统的密集波分复用(DWDM)中需要的宽光谱光源，在光纤陀螺导航中基于小的非相干性所要求的宽光谱光源，以及光时域反射仪、局域网、光学相干层析成像技术和光信息处理技术领域等。

由于SLED具有比同材料LED器件的输出功率大的特点，因此可以把SLED的相关技术应用在GaN LED器件上，来提高GaN基LED的发光功率。GaN基LED在节能日常照明光源的应用日趋成熟，被认为是第三代固体照明光源，其市场潜力巨大。III族-氮化物半导体材料由于其优良的光电特性，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0.7eV(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([1]Chin～Hsiang CHEN，Shoou～Jinn CHANGand Yan～Kuin SU.High～Indiμm～Content InGaN/GaN Multiple～Quantμm～Well Light～Emitting Diodes.Jpn.J.Appl.Phys，2003；42：2281；[2]Horng～Shyang Chen，Dong～Ming Yeh，Chih～Feng Lu，etal.White light gene～ration with CdSe～ZnS nanocrystals coated on anInGaN～GaN quantμm～well blue/Green two～wavelength light～emitting diode.IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，2006；18：NO.13)。近年来材料生长技术的不断提高和改善，目前小尺寸的GaN基LED的发光效率、稳定性以及寿命已经得到了很大的提高并已市场化，但是由于GaN基材料的折射率远比空气的的折射率大，因此对于矩形腔结构的LED，只有27％的光能从表面逸出，从而大大限制了LED的光功率，围绕着提高光子的逃逸率，国内外做了很多研究。1995年，Yoshida等([3]Usui A，Sunakawa H，Sakai A etal.Jpn.J.Appl.Phys，Part2，1997，36(7B)：L899)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(4～5个数量级)甚至在翼区GaN接近无位错。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明衬底，减小衬底对光子的吸收，在LED生长完后，将不透明的衬底腐蚀掉，再将透明的衬底和外延片粘合在一起，使光子可以从每个面出射。一种采用倒装结构的LED，先把衬底腐蚀得很薄，在利用电极的反射性很好而提高出光效率。Lμmileds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([4]Qi Yun，Dai Ying，Li Anyi.Enhancement of the external quantμmefficiency of light～emitting～diodes[J].Electronic Components and Materials，2003，22(4)：43-45(in Chinese))提出了生长分布布拉格反射层结构，减小衬底对光的吸收而大大提高光子的逃逸率。也有研究采用在生长完的外延片上进行表面粗化，激光剥离衬底再键合上透明衬底以及把衬底换成导热好并且反射性好的金属，采用光子晶体等，所有这些研究都是为了提高LED器件的外量子效率，从而提高其光功率，有利于大功率LED的实现。但是，到目前为止，大功率LED要想成为固态照明光源，还存在效率不高的问题，其输出功率仍然有待进一步提高。