[发明专利]生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非极性蓝光LED外延片及其制备方法，特别涉及生长在LiGaO₂衬底上的非极性蓝光LED外延片及其制备方法。

背景技术

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种普通照明、指示、显示、装饰、背光源、和城市夜景等领域。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。

III族氮化物半导体材料GaN是制造高效LED器件最为理想的材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28%并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯（约为2%）或荧光灯（约为10%）等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。

LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但是商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)，单位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率不够高，一个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。基于蓝宝石衬底的LED技术存在两个严峻的问题。首先，蓝宝石与GaN晶格的失配率高达17%，如此高的晶格失配使得蓝宝石上的LED外延片有很高的缺陷密度，大大影响了LED芯片的发光效率。其次，蓝宝石衬底价格十分昂贵，使得氮化物LED生产成本很高(蓝宝石衬底在LED的制作成本中占有相当大的比例)。

LED芯片的发光效率不够高的另外一个主要原因是由于目前广泛使用的GaN基LED具有极性。目前制造高效LED器件最为理想的材料是GaN。GaN为密排六方晶体结构，其晶面分为极性面c面[(0001)面]和非极性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。目前，GaN基LED大都基于GaN的极性面构建而成。在极性面GaN上，Ga原子集合和N原子集合的质心不重合，从而形成电偶极子，产生自发极化场和压电极化场，进而引起量子束缚斯塔克效应(Quantum-confined Starker Effect，QCSE)，使电子和空穴分离，载流子的辐射复合效率降低，最终影响LED的发光效率，并造成LED发光波长的不稳定。解决这一问题最好的办法是采用非极性面的GaN材料制作LED，以消除量子束缚斯塔克效应的影响。理论研究表明，使用非极性面GaN来制造LED，将可使LED发光效率提高近一倍。

由此可见，要使LED真正实现大规模广泛应用，提高LED芯片的发光效率，并降低其制造成本，最根本的办法就是研发新型衬底上的非极性GaN基LED外延芯片。因此新型衬底上外延生长非极性氮化镓LED外延片一直是研究的热点和难点。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在LiGaO₂衬底上的非极性蓝光LED外延片，具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能好的优点，且制备成本低廉。本发明的另一目的在于提供上述非极性蓝光LED外延片的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

生长在LiGaO₂衬底上的非极性蓝光LED外延片，包括由下至上依次排列的LiGaO₂衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性非掺杂u-GaN层、非极性n型掺杂GaN薄膜、非极性InGaN/GaN量子阱层、非极性p型掺杂GaN薄膜。

所述LiGaO₂衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2~0.5°。