[发明专利]一种新型GaN基LED外延片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体的外延片领域，尤其涉及一种新型氮化镓(GaN)基发光二级管(LED)的外延片。本发明还涉及一种具有新型衬底GaN基LED的外延片的制备方法。

背景技术

LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的固体发光器件，具有工作寿命长、发光效率高、无污染、重量轻，体积小等优点，发展突飞猛进，现已广泛应用于室内外大屏幕显示、背光显示、照明、装饰、交通信号灯等领域。GaN材料体系是制备蓝、绿、紫以及紫外光LED最成熟的材料。GaN材料的研究始于20世纪30年代，1991年业内有人发现采用低温生长的GaN缓冲层方法也可很大程度上提高GaN外延膜的质量，并利用GaN材料突破性的制备出了高亮度的蓝光LED。目前，GaN基材料外延生长的LED产品尽管取得了很大的进步，并已经广泛应用各个领域，但是依然有以下两个问题有待解决：

第一、缺乏合适的衬底，晶格失配、热失配等问题仍制约着GaN材料的制备。降低缺陷密度是提高GaN基发光器件性能和寿命的关键，在晶格失配的蓝宝石或碳化硅(SiC)上生长的GaN薄膜是由许多尺度约1μm的六方晶粒组成的柱状材料，位错密度高达109/cm2。

第二、在提高LEDs出光效率时需要面对的一个重要的问题就是内部全反射(TIR)。GaN和空气的折射系数分别是2.5和1，铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)有源层产生的光能够传播出去的临界角约仅为23°，被内反射回来的光反复的在半导体/外部介质界面处或被平面反射镜中间传播。由于晶面损失和活性区的再吸收，导致出光效率降低，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率。

为了降低缺陷密度，提高GaN外延层的晶体质量，有人采用侧向外延过生长技术简称ELOG或ELO外延生长出了高质量的GaN外延薄膜，  即在C面蓝宝石上生长厚1-2m的GaN，再在GaN上淀积一层二氧化硅(SiO2)，SiC或氮化硅(SiN4)非晶薄膜做掩模，并用标准的光刻工艺制作条形或其他形状的窗口，再进行GaN的二次外延，窗口区的GaN成为籽晶，在非晶掩模上不发生外延，当外延GaN足够厚时，窗口区GaN的横向外延将覆盖掩模，掩模上方的GaN的位错密度明显降低。

在提高LED的出光效率方面也有很多人做了大量很有成效的工作，  比现有人利用激光辐照的方法在传统的GaN基发光二极管上部p型GaN表面形成纳米级粗糙层，经过表面粗化后，p型GaN表面的粗糙度由2.7nm增加到了13.2nm。结果显示，采用表面粗化处理的器件的在加20mA电流时，亮度提高了25％。还有人利用表面粗化来提高出光效率做了研究，主要利用的方法包括表面粗化、晶片键合和激光衬底剥离技术等。

现有的以上各种方法都只是单一的改善了LED的某项性能，要不提高了GaN晶体质量，要不提高了GaN基LED的光提取效率，不能同时改善GaN外延晶体质量差和GaN发光器件出光效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型图形衬底的GaN基LED外延片，该外延片的GaN晶体质量好，制得的LED出光效率高。本发明的另一目的是提供一种图形衬底的GaN基LED外延片的制备方法。

本发明技术方案为：一种新型GaN基LED外延片，包括衬底、及该衬底上形成的缓冲层、非掺杂本征GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN有源层、多量子阱和P型GaN层，所述的这种新型GaN基LED外延片中，其衬底与GaN外延层之间包括一多层反射层，该多层反射层是由两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，该层状结构的反射层在衬底上形成相间隔的至少两个图形结构。所述的图形衬底结构是条形、正六边形、正方形、正三角形或菱形。所述的图形结构之间的间隔距离为2-20微米。所述的图形结构的宽度为2-20微米。所述的多层反射层由SiO2与TiO2或SiC与SiN4周期交替形成。所述的多层反射层交替循环次数为3-20次。所述的多层反射层每一层的厚度为50-100纳米。