[发明专利]一种氮化物LED结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及LED制备技术领域，尤其涉及一种氮化物LED结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。

随着以氮化物为基础的高亮度LED应用的开发，新一代绿色环保型固体照明光源-氮化物LED已成为人们关注的焦点。以GaN、InGaN和AlGaN合金为主的III族氮化物半导体材料具有宽的直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是制造短波长高亮度发光器件的理想材料。

由于LED器件的制造一般采用横向结构，体型是长方体左右两面相互平行，虽然有源区发出的光大部分从P型区的顶部出射，但是，由于半导体材料与空气的折射率差异较大，导致LED光从折射率大的芯片发射到折射率小的空气时，会在半导体与空气的界面发生全发射，未经处理的半导体LED结构表面只有很少一部分的光从芯片内部逃逸出来，从而导致芯片的出光效率非常低。由于芯片的出光效率是决定半导体照明芯片的发光效率的主要因素，因此，提升氮化物LED的发光效率和增大光的取出效率对提高器件的外部量子效率起着非常关键的作用。

为了提高外部量子效率，人们正在试图从技术上尝试各种能提高芯片出光率的方法，比如图形化衬底技术(Patterned sapphire substrate)，在光滑的衬底表面，通过刻蚀的方法制造出纳米或微米尺度的有规律的几何状的突起或凹陷，然后在这样粗糙的衬底表面进行外延生长LED结构。从LED结构有源区发出的光，在射到外延层与蓝宝石的界面处时，粗糙的界面会对光线产生散射作用，改变了光线的传输方向，扩展了光出射的临界角度，提高了取光效率和外量子效率。

然而，采用掩膜和刻蚀的方法在衬底上形成有规律的突起或凹陷结构，这种附加的制程工艺会显著提高生产成本。另外，相对于衬底的外延工艺而言，在进行过表面粗化工艺的基础上进行外延，首先要把粗糙的衬底图形填满，才能将外延薄膜长平，外延时间增加1～2小时，不仅降低了生产效率，而且增加了原材料的消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化物LED结构及其制备方法，以解决在衬底上形成粗糙表面而采用的光刻工艺带来的生产成本高的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种氮化物LED结构，该氮化物LED结构包括衬底以及在所述衬底上生长的低温成核层和非掺杂氮化物层，在所述低温成核层上生长三维生长层，在所述三维生长层与所述非掺杂氮化物层之间设置有一Al_xIn_1-xN材料层，所述Al_xIn_1-xN材料层具有粗糙表面，所述Al_xIn_1-xN材料层的折射率与所述非掺杂氮化物层的折射率不同，其中，0＜x＜1。

可选的，所述Al_xIn_1-xN材料层与所述三维生长层的晶格相互匹配。

可选的，所述氮化物LED结构还包括在所述非掺杂氮化物层上依次形成的N型氮化物层、多量子阱有源层、P型氮化物层，所述Al_xIn_1-xN材料层的禁带宽度大于多量子阱有源层的量子阱的禁带宽度。

可选的，在氮化物LED结构中，所述Al_xIn_1-xN材料层与所述三维生长层具有相互匹配的粗糙表面。

可选的，在氮化物LED结构中，所述三维生长层的粗糙表面为岛状结构。

可选的，在氮化物LED结构中，所述Al_xIn_1-xN材料层的折射率和晶格参数通过Al_xIn_1-xN中铝的组分调节。

同时，为解决上述问题，本发明还提出一种氮化物LED结构的制备方法，该方法包括如下步骤：提供衬底；在所述衬底上依次形成低温成核层、三维生长层，Al_xIn_1-xN材料层、非掺杂的氮化物层；其中，所述Al_xIn_1-xN材料层具有粗糙表面，并且所述Al_xIn_1-xN材料层的折射率与所述非掺杂氮化物层的折射率不同。