[发明专利]一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，尤其是涉及一种应用化合物半导体薄膜的外延生长技术在弱极性面上获得非平面和弱极性面的有源层的氮化镓基发光二极管外延片的方法。

背景技术

半导体LED将成为下一代日常照明光源已成为世界各国政府、科技界及产业界的共识，是继白炽灯，荧光灯之后的21 世纪新一代“绿色照明”光源。 它具有节能环保、寿命长、体积小和色彩丰富等许多优点，其作为日常照明光源的实现将产生极大的社会和经济效益。

目前国际上已经商品化的白光LED的发光效率约为110 lm/w，但是要实现大规模的固体照明，还需解决价格太高和光电转换效率太低以及提高器件寿命和性能等问题，并朝效率高和功率大的方向发展。GaN基LED的发光效率是由内量子效率和出光效率所决定的，为提高出光效率，近年来很多研究都致力于外量子效率的研究，主要技术有图形蓝宝石衬底生长方法，改变芯片截面技术，激光剥离技术、在ITO透明电极上制作光子晶体等等，都取得了很好的效果。而针对LED内量子效率的各种问题，国际上的研究相对较少。

目前GaN基LED的内量子效率相对低下，其中最关键的原因是GaN基材料生长在蓝宝石衬底（0001）面上，在生长过程中由于晶格失配而存在极强的极化电场，极化场的存在使得有源层中能带发生倾斜，电子空穴波函数在空间上发生分离，降低其辐射复合效率，从而降低LED的内量子效率，且发光波长不稳定，即所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。另外，极化场也被认为是LED 光效Droop效应的主要原因，是制约实现大功率和高效LED的障碍（参见S. P. Chang, T. C. Lu, L. F. Zhuo, C. Y. Jang, D. W. Lin, H. C. Yang, H. C. Kuo,  S. C. Wang. Low Droop Nonpolar GaN/InGaN Light Emitting Diode Grown on m-Plane GaN Substrate. [J].J. Electrochem. Soc., 2010, 157: H501.）。

为了降低极化电场，美国J. Xu和M. F. Schubert等人报道利用调节晶格匹配的AlInGaN四元合金和InGaN作为垒层实现LED发光效率的提高和大注入条件下减弱Droop效应（参见J. Xu, M. F. Schubert, A. N. Noemaun, D. Zhu, J. K. Kim, E. F. Schubert, M. H. Kim, H. J. Chung, S. Yoon, C. Sone, Y. Park. Reduction in efficiency droop in polarization matched GaInN/GaInN LEDs. [J]. Appl. Phys. Lett., 2009, 94, 011113.）。国内C. H. Wang 等人采用逐渐增加InGaN/GaN MQW中阱层厚度，即GQWs (Graded-thickness quantum wells) 结构来降低有源层中的极化场而提高LED的效率（参见C. H. Wang, S. P. Chang, W. T. Chang, J. C. Li, Y. S. Lu, Z. Y. Li, H. C. Yang, H. C. Kuo, T. C. Lu, and S. C. Wang. Efficiency droop alleviation in InGaNGaN light-emitting diodes by graded-thickness multiple quantum wells. [J]. Appl. Phys. Lett., 2010, 97,181101.）。这些工作都是通过调制量子阱的能带结构来降低极化场，提高量子阱LED的发光效率，其可调程度都较小。