[发明专利]GaN基LED外延结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体地涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode-LED)可以直接把电能转化为光能。LED芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在它里面电子占主导地位。当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

LED作为一种新型光源，由于具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小使色彩度更高等传统光源无可比拟的优势而得到了空前的发展。目前，白光LED在照明淋雨的用途越来越广泛。一般而言，LED通常有两种产生白光的主要方法，一种是使用发射红、绿、蓝的三个单色二极管，混色形成白光；另一种是使用荧光材料将蓝或紫外LED发出的单色光转换成宽频谱的白色光。其中前一种方法产生的白光主要应用于大屏幕显示技术，而后一种方法产生的白光主要应用于照明与背光源。

对于后一种白光技术，日本日亚公司拥有该领域的开创性发明(US5998925A)：采用蓝色GaN芯片激发YAG黄色荧光粉而获得白光。该专利的发明点在于钇铝石榴石荧光粉，该荧光粉吸收450nm至470nm波长蓝光，激发产生550nm至560nm波长黄光，具有成本低、效率高的优点。但对于普通蓝光或紫外LED芯片，其光电转换效率一般低于30％。即使是目前最好的LED芯片，其光电转换效率也不会高于50％。 因此LED在发光时将伴随产生大量的热。一般在点亮的芯片周围，温度会到达150摄氏度至200摄氏度。这样的温度将造成荧光粉的效率下降20-30％，从而产生光源的色温与色坐标的偏移，同时也影响了LED光源的光效与稳定性。而钇铝石榴石(YAG)荧光粉在120摄氏度以上的温度会发生退化；由于涂敷的荧光粉材料为非透明材料，在蓝光或紫外芯片发出的光通过YAG荧光粉时会发生散射吸收等现象，使得出光效率不高；同时由于涂敷厚度的不均匀会严重影响其光斑和白光色温。例如由于涂敷不均匀造成的黄色光圈、蓝色光斑、白光色温不一致等问题。

同时目前GaN基LED外延片多使用蓝宝石为衬底材料，蓝宝石晶体结构虽然与GaN相同(六方对称的纤锌矿晶体结构)，但与GaN材料晶格失配度大，达到13％，易导致GaN外延层的高位错密度，位错密度可以高至10⁸-10⁹/cm²。高位错密度造成发光效率下降，并导致大量热耗散，从而导致芯片光衰。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中LED的光电转换效率低、发热大、蓝宝石衬底与GaN材料晶格失配大、位错密度高的问题。

本发明旨在解决现有技术的前述问题，本发明提供一种无需使用荧光粉，在稀土元素掺杂的石榴石系列Re₃Al₅O₁₂陶瓷或单晶衬底上生长的一种GaN基白光LED外延片，同时还提供该外延片的生长工艺。

根据本发明的一个方面，提出了一种GaN基LED外延结构，包括：衬底；在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构，其中所述衬底是含光致发光荧光材料的衬底。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种制造GaN基LED半导体器件的方法，包括：准备包含光致发光荧光材料的衬底；以及在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构。

优选地，所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re₃Al₅O₁₂衬底。

优选地，所述衬底包括稀土元素掺杂的Re₃Al₅O₁₂衬底与Al₂O₃衬底键合之后得到的衬底。