[发明专利]基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管

说明书

本发明公开了一种基于m面LiAlO₂衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，主要解决现有LED生长步骤多，工艺周期长的问题。其包括：m面LiAlO₂衬底层、GaN缓冲层、发光层和电极，其中GaN缓冲层与发光层之间设有SiN掩膜层，该SiN掩膜层表面设有通过光刻工艺形成的数根条纹，发光层为一层m面Ⅲ族氮化物层，该Ⅲ族氮化物采用GaN或AlN或AlGaN，分别发紫外光、极紫外光和深紫外光。本发明利用SiN掩膜层控制m面Ⅲ族氮化物层内的反型畴密度，利用反型畴的发光特点发光，相比于传统LED器件，本发明的器件结构和制作流程更为简化，工艺周期缩短，可用于照明，显示屏和背光源。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种基于m面LiAlO₂衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，可用于照明，显示屏和背光源的各种光学应用。

技术背景

有人说白炽灯照亮了20世纪，发光二极管LED则会照亮21世纪。LED由于其效率高，寿命长，节能环保等优点，使得LED照明飞速发展。氮化物作为直接带隙半导体，且具有较大的禁带宽度，通过调节材料中各组分的比例禁带宽度可以在0.7ev到6.2ev之间变化，其发光波长覆盖了从红外到极紫外的波段范围，在LED应用中获得了广泛使用。其中，Ⅲ族氮化物半导体材料是最常用的制备LED的材料，如AlN基、GaN基、InN基等半导体材料。纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物半导体材料通常有一个平行于晶胞的c轴(0001)方向的极性轴，由于沿着极性轴方向不存在中心反转对称性，因此由极性方向的不同可分为N面Ⅲ族氮化物材料和金属面Ⅲ族氮化物材料。N面Ⅲ族氮化物和金属面Ⅲ族氮化物的界面处，称为反型畴IDB。

P.J.Schuck等人在2001年研究了GaN内反型畴的光学特性，即反型畴的发光强度超过体 Ga N面区域一个数量级，据此，该研究认为反型畴可以看做是一个高效辐射复合中心，理论上可以将反型畴看做量子阱，且具有一定密度的反型畴的GaN薄膜，可以用于制作LED而不需要生长量子阱结构，这样大大减少了工艺步骤。基于上述结论，具有一定密度的反型畴的Ⅲ族氮化物薄膜，可以制作发光颜色不同的LED。

金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD技术是目前使用最多的Ⅲ族氮化物半导体外延技术。通过MOCVD工艺在m面LiAlO₂衬底上得到的Ⅲ族氮化物层是非极性m面的。横向外延过生长ELOG技术是生长m面Ⅲ族氮化物时常用的技术，即在衬底上预先淀积一层掩膜层，然后生长Ⅲ族氮化物，Ⅲ族氮化物首先从窗口区向上生长，窗口区长满后接着横向生长，最后在掩膜区上方合并。在生长m面Ⅲ族氮化物时使用SiN做掩膜层，相邻窗口区之间的掩膜区上面合并的Ⅲ族氮化物，由于其左右两面极性不同，因而在左右两面合并处会产生反型畴。利用上述理论，用MOCVD技术可以得到包含有反型畴的m面Ⅲ族氮化物层，用于制作新型LED。

目前基于m面LiAlO₂衬底的LED器件的发光依靠阱层/垒层量子阱结构内的载流子辐射复合，其结构包括衬底层、缓冲层、n型Ⅲ族氮化物层、量子阱层和p型Ⅲ族氮化物层，其中量子阱层包括多层Ⅲ族氮化物阱层和Ⅲ族氮化物垒层，需要生长多层Ⅲ族氮化物层，使得传统LED制作流程繁琐，工艺周期长。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于m面LiAlO₂衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，以简化器件结构和制作流程，缩短工艺周期。

本发明的技术思路是：生长m面Ⅲ族氮化物时，在衬底上预先淀积一层掩膜层，然后生长Ⅲ族氮化物，可以得到包含反型畴的m面Ⅲ族氮化物层，将SiN掩膜层的窗口区设计为条纹形状，通过改变条纹的宽度和间距可以得到包含不同密度的反型畴的Ⅲ族氮化物层，利用反型畴具有良好发光特性的特点，来替代量子阱结构发光，利用具有反型畴的m面Ⅲ族氮化物，可以制作不包含量子阱结构的LED，其实现方案如下：