[发明专利]一种提高发光二极管发光效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够应用于半导体发光二极管，特别是氮化镓基蓝绿光发光二极管，能有效提高其发光效率的一种新方法。

背景技术

半导体发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管(LED)可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前光电子学领域的研究热点。然而，目前产业化的LED发光效率只有50lm/W左右，其效率还较传统的光源低很多。为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的量子效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的方法增加半导体发光二极管的量子效率，这种方法直接运用于外延片生长工艺中，通过改变发光层MQW中垒层的厚度，提高电子与空穴在MQW中复合的效率从而增加其发光效率。

本发明的技术方案为：一种提高发光二极管发光效率的结构，该二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，高温缓冲层，N型层，N型层，N型层，N型层，发光层，P型层，P型层，P型层。发光层MQW(多量子阱)中采用具有不同厚度的垒层来提高发光效率：靠近N型层一侧的垒层厚度为15nm到25nm，而靠近P型层一侧的垒层的厚度在5到15nm。垒层的生长厚度介于5nm至20nm之间，生长温度介于800℃至1050℃之间，V/IH摩尔比介于1000至20000之间。发光层MQW中，垒层的结构可以是AlxInyGal-x-yN 0≤x＜1，0≤y＜1，x+y＜1。发光层MQW中间X个垒层的厚度较厚，其余Y个垒层的厚度较薄，且中间X个垒层的厚度大于其余Y个垒层的厚度。

本发明以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。

外延结构如图四所示：

(1)衬底1

在本发明所述衬底1是适合氮化镓及其它半导体外延材料生长的材料，如：氮化镓单晶、蓝宝石、单晶硅、碳化硅(SiC)单晶等等。

首先将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1050℃与1180℃之间，然后进行氮化处理；

(2)低温缓冲层2

将温度下降到500℃与650℃之间，生长15至30nm厚的低温GaN成核层，此生长过程时，生长压力在300Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在500至3000之间；

(3)高温缓冲层3

低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高到1000℃至1200℃之间，对低温缓冲层2在原位进行退火处理，退火时间在5分钟至10分钟之间；退火之后，将温度调节到1000℃至1200℃之间，在较低的V/III摩尔比条件下外延生长厚度为0.8μm至2μm之间的高温不掺杂的GaN，此生长过程时，生长压力在50Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在300至3000之间；

(4)N型层4

U-GaN 3生长结束后，生长一层掺杂浓度梯度增加的的N型层4，厚度在0.2μm至1μm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间，生长压力在50Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在300至3000之间；

(5)N型层5

N型层4生长结束后，生长掺杂浓度稳定的N型层5，厚度在1.2μm至3.5μm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间，生长压力在50Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在300至3000之间；

(6)N型层6

N型层5生长结束后，生长N型层6，厚度在10nm至100nm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间，生长压力在50Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在300至3000之间；

(7)N型层7

N型层6生长结束后，生长N型层7，厚度在10nm至50nm之间；掺杂浓度稳定，生长温度在1000℃至1200℃之间，生长压力在50Torr至760Torr之间，V/III摩尔比在300至3000之间；

(8)发光层MWQ 8