[发明专利]半极性面氮化镓基发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及发光二极管，具体涉及一种基于m面蓝宝石图形衬底上半极性(11-22)面氮化镓基发光二极管(LED)结构及其制备方法，该发光二极管采用图形衬底生长技术和铟镓氮插入层技术相结合，可显著改善发光二极管材料的晶体质量和表面形貌，提高半极性面氮化镓基发光二极管的出光效率。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体技术的典型应用，商业化的氮化镓(GaN)基LED产品已覆盖了紫外到绿光光谱。作为一种发光器件，GaN基LED可广泛应用在室内外照明、商业照明、农业照明、交通照明、医用照明和显示背光源等诸多方面。对这一光源的关注，使得近年来GaN基LED的制备技术水平获得了大幅提升，而其中的一些技术瓶颈也日益凸显。

目前，商业化的GaN基LED都是沿c轴生长制备的，生长取向沿(0001)面方向，外延材料内部存在着很强的自发极化和压电极化，极化效应导致能带发生强烈弯曲，降低了量子阱内的载流子辐射复合效率，在高密度电流驱动下，内量子效率会急剧衰减，辐射波长会发生蓝移，即量子限制斯塔克(Stark)效应[S.F.Chichibu，et.al.，Nature Materials，Vol.5，pp5143，2006]。为减小极化效应对LED器件性能的不利影响，选择制备非极性和半极性面氮化镓基LED是较为可行的方案。其中，沿半极性(11-22)面氮化镓基材料的工艺调节窗口较宽，铟掺入率较高[A.E.Romanov，et.al.，J.Appl.Phys.，Vol.100，pp023522，2006]，研制的半极性面LED所发射出的光具有较高偏振度，可有效透过LCD液晶显示背光板中的偏振膜，较c面LED在液晶显示背光源上更具优势。

然而，缺少高质量、大尺寸、低成本的GaN同质衬底，半极性(1122)面GaN基LED需要在异质衬底上制备。通常采用m面蓝宝石衬底来生长(11-22)面GaN外延层进而制备LED，但由于晶体沿(11-22)面生长取向控制难、缺陷密度高和生长速率各向异性导致材料表面不平整等难题，致使半极性(11-22)面GaN基LED的质量和性能难与c面同结构器件媲美。2009年，Qian Sun等人提出在经高温氮化处理的m面平片蓝宝石衬底上生长高温AlN缓冲层，再采用生长半极性面(11-22)面GaN，引入“粗化-恢复”的变化机制，减少了位错和缺陷，提高了LED制备质量[Appl ied Physics Letter，Vol.95，pp231904-1-3，2009]。2011年，Simon Ploch等人提出用980℃氮化处理衬底，并在同温下生长GaN缓冲层，可以制备出单一取向高结晶质量和表面平整的半极性(11-22)面GaN层[Journal of Crystal Growth，Vol.331，pp25-28，2011]。半极性面GaN外延层中高密度的位错和层错源于薄膜-衬底界面，在外延中通过衬底氮化结合缓冲层优化，调节生长模式的方法固然能在一定程度上改善GaN外延层的晶体质量，但是提升空间有限；同时，采用平片衬底的半极性面LED的光提取效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种半极性面氮化镓基发光二极管及其制备方法，该发光二极管制备在m面蓝宝石图形衬底上，能够发射近外、紫光、蓝光、绿光、橙光等不同颜色的偏振光，可用于半导体照明和新型背光源，以满足市场需求。

本发明提供一种半极性面氮化镓基发光二极管，包括：

一衬底，其表面具有周期排列的凸起图形；

一氮化铝缓冲层，其沉积在凸起图形之间的间隔区内，该氮化铝缓冲层的厚度小于衬底表面的凸起图形的高度；

一未掺杂半极性面氮化镓层，其制作在氮化铝缓冲层的上面，该未掺杂半极性面氮化镓层与衬底表面的凸起图形之间具有空隙区，可阻隔位错缺陷向上延伸；

一半极性面氮化镓N型层，其制作在未掺杂半极性面氮化镓层上；

一半极性面N型铟镓氮插入层，其制作在半极性面氮化镓N型层上；

一半极性面铟镓氮/氮化镓多量子阱活性发光层，其制作在半极性面N型铟镓氮插入层上；

一半极性面P型铝镓氮电子阻挡层，其制作在半极性面铟镓氮/氮化镓多量子阱活性发光层上；

一半极性面P型氮化镓层，其制作在半极性面P型铝镓氮电子阻挡层上。

本发明还提供一种半极性面氮化镓基发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在一衬底上制备出周期性排列的凸起图形；

步骤2：将具有周期性凸起图形的衬底清洗后放入反应室中进行氮化处理；