[发明专利]氮化镓基微纳米锥结构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，进一步涉及一种氮化镓基微纳米锥结构的发光二极管以及其制备方法。

背景技术

自20世纪末日本科学家在氮化物半导体材料生长方面取得突破以来，III族氮化物半导体材料与器件的研究得到了迅速的发展，高效率的短波长蓝、绿光发光二极管也已经研制成功并且产业化。然而，传统的氮化镓基发光二极管都是采用平面结构，其量子阱生长于极性面，由于存在量子局限斯塔克效应和铟组分并入困难等，难以实现高效率的长波长发光二极管和无荧光粉单芯片白光发光二极管。

目前，实现白光LED的方法主要有两种：一种是将多种单色LED的相互组合混色产生白光，不过，由于各个单色光LED所属的材料体系、驱动电压、温度与光衰减率等均有所差异，而且需要多套电路设计分别控制电流，所以这种方法容易造成设计困难、成本增加；另一种是通过蓝光LED激发黄光荧光粉而实现，LED发出的蓝光一部分用于激发荧光粉，一部分从荧光粉间隙透过，荧光粉产生的黄光与LED发出的蓝光混合而产生蓝白色的准白光，不过，这种单芯片型LED搭配荧光粉产生白光的方法还会产生不可避免的能量损失，即Stokes能量损失，损失值为10％～30％。

此外，由于现有的氮化镓基的LED量子阱存在铟组分并入困难的问题，而LED的发光波长又是由有源区量子阱的结构所确定，因此当前的氮化镓基LED主要为较短波长的蓝、绿光LED。实现氮化物长波长黄、红光LED也是当前国际上积极探索的研究方向之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮化镓基微纳米锥结构发光二极管和制备方法，以克服以上所述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种氮化镓基微纳米锥结构发光二极管，包括衬底和衬底上的外延层，所述外延层包括n型氮化镓层，其中：

所述n型氮化镓层上包括绝缘介质层，所述绝缘介质层上具有刻蚀至所述n型氮化镓层的多个微纳米孔；

在所述的微纳米孔中生长有外延至绝缘介质层之上的n型氮化镓微纳米锥，在所述微纳米锥的锥面上设置有多量子阱层。

根据本发明的一种具体实施方案，所述绝缘介质层材料为二氧化硅或者氮化硅。

根据本发明的一种具体实施方案，所述多量子阱层上还包括p型氮化镓层。

根据本发明的一种具体实施方案，所述多量子阱层为1～10个周期的In_xGa_1-xN/GaN量子阱，其中0.1＜x＜0.5。

另外，本发明还提供一种氮化镓基微纳米锥结构发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择衬底，在衬底上生长外延层，所述外延层包括n型氮化镓层；

(2)在所述n型氮化镓层之上生长绝缘介质层，对所述绝缘介质层上部分区域进行刻蚀，形成刻蚀至所述n型氮化镓层的多个微纳米孔；

(3)在所述的多个微纳米孔中生长n型氮化镓，形成生长至绝缘介质层之上的n型氮化镓微纳米锥；

(4)在所述微纳米锥的锥面之上生长多量子阱层。

根据本发明的一种具体实施方案，上述制备方法中，所述刻蚀具体为：在绝缘介质层上旋转涂布光刻胶，然后在光刻胶上排列一层紧密排列的胶体微纳米球，然后曝光显影在光刻胶上得到微纳米图形，再利用干法刻蚀或者湿法刻蚀，将光刻胶上的微纳米图形转移到绝缘介质层上，刻穿掩膜层后，得到与n型氮化镓层连通的多个微纳米孔。

根据本发明的一种具体实施方案，上述制备方法中，所述多量子阱层为In_xGa_1-xN/GaN结构，周期为1～10个，量子阱中In_xGa_1-xN材料的In组分可以通过温度或三甲基铟流量来控制，x的值为0.1～0.5。

根据本发明的一种具体实施方案，上述制备方法中，在所述多量子阱层上包括生长p型氮化镓层，所述p型氮化镓层的掺杂元素为镁，p型氮化镓生长厚度为50～500nm。

根据本发明的一种具体实施方案，上述制备方法中，所述微纳米球为高分子微球或无机氧化物透明微球。

通过以上技术方案，本发明的氮化镓基微纳米锥结构发光二极管及制备方法的有益效果在于：

(1)通过设置纳米锥结构，克服现有技术中采用平面结构的量子斯塔克效应引起的能量损失，提高能量效率；

(2)通过增加锥半极性面上量子阱中铟组分的摩尔量，即可以实现长波长发光；