專利名稱：一種InGaN基藍光LED器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子技術領域，涉及半導體器件，特別是一種高出光效率InGaN基多量子阱藍光LED器件的實現(xiàn)方法，可用于白光照明，顯示背光源等領域。
背景技術：
20世紀90年代，InGaN基LED開始走向市場，由于其具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，獲得社會各界的廣泛關注。當今世界面臨全球變暖碳排放過高的巨大壓力，節(jié)能環(huán)保低碳的生活方式是人類的唯一出路。InGaN基LED作為照明光源，有著其獨特的優(yōu)勢(I)壽命長，目 前有報道已經達到10萬小吋，(2)節(jié)能環(huán)保，其功耗僅為傳統(tǒng)白熾燈的1/8到1/10之間，InGaN基材料對環(huán)境無污染,并可回收利用。也正是由于這一系列的優(yōu)點，在未來InGaN基 LED必將完全取代白熾燈。目前InGaN基LED主要采用InGaN/GaN多量子阱作為有源層，這種LED普遍存在“效率陡降”效應，即在低的電流密度時達到最大效率，隨后增加驅動電流，效率單調下降。對此，存在多種解釋，如俄歇復合，電子泄漏，局域態(tài)填充等。然而，其產生物理機制仍然不是很明確。但是，可以確定的是，有源區(qū)內部的載流子注入和分布對此有重要影響。有人報道過InGaN/GaN多量子阱中只有最后ー個靠近p型材料的阱對于輻射復合有貢獻。近年來，還出現(xiàn)了許多其他方法來提高LED的發(fā)光強度，如表面粗糙化、圖形化襯底、光子晶體等。采用圖形化藍寶石襯底不僅可以通過引入呈一定角度的端面提高出光效率，還可以通過減少位錯密度以提高內量子效率。如何解決上述的問題，進ー步提高LED的出光效率是當今面臨額一大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的就是在于解決上述的已有技術的關鍵問題，提出采用基于半球狀表面的圖形化藍寶石襯底的空洞間隙結構和InGaN/InGaN多量子阱有源區(qū)來提高出光效率，提供ー種InGaN基藍光LED器件及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案得以實施的
ー種InGaN基藍光LED器件，其結構自襯底向上依次為半球狀表面的圖形化藍寶石襯底、本征GaN層、n型GaN層、數(shù)個周期的InGaN/InGaN多量子阱層、p型AlGaN電子阻擋層、P型GaN層，其中，在n型GaN層上設有負電極，p型GaN層上覆蓋有ITO薄膜并設有正電極。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件，其中，半球狀表面的圖形化藍寶石襯底和本征GaN層的界面處形成有空洞間隙結構。本發(fā)明提供的是ー種基于InGaN/InGaN多量子阱和空洞間隙結構的高出光效率的藍光LED器件。本發(fā)明公開的InGaN基藍光LED器件，該器件采用InGaN/InGaN多量子阱作為有源區(qū)，相比傳統(tǒng)的InGaN/GaN多量子阱可以有效的提高空穴的注入效率，同時減少電子通過電子阻擋層的泄漏，提高載流子輻射復合效率；同時該器件還采用了基于半球狀表面的圖形化襯底的空洞間隙結構，該結構與僅采用圖形化襯底的LED相比可以進一歩提高光線在端面的出射率，以上兩種結構的結合可以大大提高LED的外量子效率。本發(fā)明還提供了上述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，包括下述幾個步驟
(1)對藍寶石襯底進行圖形化處理，獲得所需的半球狀表面的圖形化藍寶石襯底；
(2)在半球狀表面的圖形化藍寶石襯底上生長本征GaN層，腐蝕制作空洞間隙結構；
(3 )在空洞間隙結構上生長本征GaN層，形成光滑表面；
(4)繼續(xù)外延生長n型GaN層；
(5)在n型GaN層上交替生長數(shù)個周期不同In組分的InGaN壘層和阱層，形成多量子
講；
(6)在多量子阱上生長p型AlGaN電子阻擋層；
(7)在p型AlGaN電子阻擋層上生長p型GaN層，完成外延生長，
(8)將步驟(7)得到的外延片在N2氣氛中進行退火，最后在p型GaN層上鍍ITO薄膜并制作正電極，在n型GaN層上制作負電極，所有エ藝完成，得到所述的InGaN基藍光LED器件。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟
(1)中，選取藍寶石襯底，通過感應耦合等離子體刻蝕エ藝(ICP)獲得半球形的圖形化表面?？刹扇〉木唧w做法是在藍寶石襯底的表面涂敷ー層有機材料并用光罩定義所需的半球狀圖形，將半球圖形轉移至有機材料涂層上，最后通過感應耦合等離子體刻蝕(ICP)，在藍寶石襯底上刻出半球狀圖形。有機材料選擇本領域常規(guī)通用材料即可。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟
(2)中，生長l-3i!m厚的本征GaN層后，采用濕法腐蝕獲得空洞間隙結構。在所得的圖形化襯底上通過金屬有機化學氣相沉積外延生長ー層沒有摻雜的GaN層,之后再將其浸入磷酸和硫酸混合液體中腐蝕，由于所生長GaN層底部的晶體質量比頂部質量明顯差，因此腐蝕速度較快，最后GaN層的側面是{I 0 -1 1}晶面，與襯底平面夾角為60°。該步驟完成時，在圖形化襯底和GaN層的界面處已經形成明顯的空洞間隙結構。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟
(3)中，在空洞間隙結構上生長2-5u m厚的本征GaN層，獲得光滑的表面，為后續(xù)的LED結構外延提供模板層。對腐蝕后的材料進行清洗，再在上面生長ー層沒有摻雜的GaN層以獲得完全光滑的表面，為后續(xù)的LED結構生長做準備。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟(4)中，生長n型GaN層的施主雜質為Si，雜質源為硅烷，n型GaN層的厚度為I y m到
10u m,以有利于刻蝕制作負電極。在光滑的GaN層表面上生長n型GaN層，施主雜質為Si，雜質源為娃燒，所述n型GaN層的厚度最好為IOOOnm到lOOOOnm。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟
(5)中，交替生長多個周期的不同組分的InGaN阱層和壘層，形成多重InGaN/InGaN多量子阱。所述在n型GaN層上交替生長多個周期的InGaN/InGaN多量子阱，InGaN阱層的厚度為2-5nm，InGaN壘層的厚度為5_20nm，其中壘層和阱層的In組分可以根據(jù)設定的目標波長進行調節(jié)。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟(6)中，p型AlGaN電子阻擋層的厚度為5-50nm。生長的p型AlGaN層的厚度為5_50nm，受主雜質為Mg，雜質源為Cp2Mg。Al組分可以根據(jù)有源區(qū)的情況調節(jié)得到合適的能帶結構，在對電子產生良好阻擋作用的同時，不會阻礙空穴的注入。作為優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明所述的ー種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其中在步驟
(7)中，p型GaN層的厚度為100-500nm。生長的p型GaN層的厚度為100_500nm，受主雜質為Mg,雜質源為Cp2Mg。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
采用空洞間隙結構可以明顯改善LED的出光效率，與單純的圖形化襯底和平面襯底相比，相同情況下光功率將增加12%和210%。這主要是由于，空洞間隙結構的形成，大大增加了界面處的反射效率，使得正面的光輸出功率明顯增加。同時，本發(fā)明還采用InGaN/InGaN 多量子阱取代常用的InGaN/GaN多量子阱作為有源層，由于InGaN阱層與壘層極化匹配較好，極化場較小，極化效應導致的能帶傾斜情況得到緩解，減少了電子的泄漏，同時空穴注入的潛在勢壘降低，使得電子與空穴的注入效率提高，大大提高電子空穴的輻射復合效率。同時還使得各個阱層中的電子空穴分布較均勻，有效的減弱了“效率陡降”效應。


圖1為本發(fā)明中空洞間隙結構的制作流程示意圖。依次表示刻蝕半球形表面的圖形化藍寶石襯底，在襯底上生長本征GaN層，用腐蝕液腐蝕，再生長本征GaN四個步驟。圖1中，I為帶有圖形的有機材料光阻層，2為藍寶石襯底，3為本征GaN層，4為GaN晶體的{I
0-1 1}面，5為空洞間隙結構。圖2中(a)為采用InGaN/GaN多量子阱的LED能帶結構圖，(b)為采用InGaN/InGaN多量子阱的LED能帶結構圖，(I)和(3)為能量軸，単位為eV，(2)和(4)為距離軸，単位為nm。通過對比可以發(fā)現(xiàn)通過采用InGaN/InGaN極化匹配的量子阱可以降低能帶傾斜程度，有利于電子在量子阱中的均勻分布，同時在電子阻擋層處，更有利于對電子產生阻擋作用，同時也可以保持較高的空穴注入效率。圖3是本發(fā)明InGaN基藍光LED器件的結構示意圖，其中2為藍寶石襯底，3為本征GaN層，6是n型GaN層，7是InGaN/InGaN多量子阱有源區(qū)，8是AlGaN電子阻擋層，9是P型GaN層，10是ITO薄膜，11是正電極，12是負電極。
具體實施例方式下面結合實施例和

，更具體地說明本發(fā)明的內容。應當理解，本發(fā)明的實施并不局限于下面的實施例，對本發(fā)明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發(fā)明保護范圍。在本發(fā)明中，若非特指，所有的份、百分比均為重量単位，所有的設備和原料等均可從市場購得或是本行業(yè)常用的。下述實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規(guī)方法。實施例1 :
如圖3所示，ー種InGaN基藍光LED器件，其結構自襯底向上依次為半球狀表面的圖形化藍寶石襯底2、本征GaN層3、n型GaN層6、五個周期的InGaN/InGaN多量子阱層7、p型AlGaN電子阻擋層8、p型GaN層9，其中，在n型GaN層上設有負電極12，p型GaN層上覆蓋有ITO薄膜10并設有正電極11。參考圖1和圖3，通過金屬有機化學氣相外延法生長材料。InGaN基藍光LED器件的制備方法如下
對藍寶石襯底進行圖形化處理，通過感應耦合等離子體刻蝕エ藝(ICP)，獲得所需的半球狀表面的圖形化藍寶石襯底，半球狀表面的圖形化藍寶石襯底的參數(shù)為球半徑為1. 5 u m,高度為1. 5 u nio首先在半球狀表面的圖形化藍寶石襯底上，通過金屬有機化學氣相沉積外延生長一層沒有摻雜的1. 5 ii m厚的本征GaN層；接著采用280°C的磷酸和硫酸混合液體腐蝕15秒，混合液體積比為磷酸硫酸=3:1，腐蝕制作空洞間隙結構；對腐蝕后的材料進行清洗后在上面再生長ー層1. 5 ii m的未摻雜GaN形成光滑表面作為模板層；接著在模板層表面生長n型GaN層，施主雜質為Si，雜質源為硅烷，厚度為2 y m ;在n型GaN層上交替生長五個周期的InGaN壘層和InGaN阱層，阱層厚度為2nm，壘層厚度為IOnm ;在最后ー層阱層上生長20nm的p型AlGaN電子阻擋層,受主雜質為Mg,雜質源為Cp2Mg ;最后在p型AlGaN電子阻擋層上再生長500nm的p型GaN層，受主雜質為Mg,雜質源為Cp2Mg,外延生長完成。在生長エ藝中，采用三甲基鎵和三甲基鋁作為鎵源和鋁源，高純氨作為氮源，高純氫氣作為載氣，Cp2Mg和硅烷作為雜質源。生長結束后，將外延片在N2氣氛中進行40分鐘退火，溫度為750°C，以激活材料中的Mg受主，提高空穴濃度。最后在p型GaN層上鍍ITO薄膜并制作正電極，在n型GaN層上制作負電極，所有エ藝完成，得到所需的InGaN基藍光LED器件?！?br> 實驗顯示，采用空洞間隙結構可以明顯改善LED的出光效率，與單純的圖形化襯底和平面襯底相比，相同情況下光功率將增加12%和210%。這主要是由于，空洞間隙結構的形成，大大增加了界面處的反射效率，使得正面的光輸出功率明顯增加。同時，如圖2所示，本發(fā)明還采用InGaN/InGaN多量子阱取代常用的InGaN/GaN多量子阱作為有源層，由于InGaN阱層與壘層極化匹配較好，極化場較小，極化效應導致的能帶傾斜情況得到緩解，減少了電子的泄漏，同時空穴注入的潛在勢壘降低，使得電子與空穴的注入效率提高，大大提高電子空穴的輻射復合效率；同時還使得各個阱層中的電子空穴分布較均勻，有效的減弱了“效率陡降”效應。上述優(yōu)選實施例只是用于說明和解釋本發(fā)明的內容，并不構成對本發(fā)明內容的限制。盡管發(fā)明人已經對本發(fā)明做了較為詳細地列舉，但是，本領域的技術人員根據(jù)發(fā)明內容部分和實施例所掲示的內容，能對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或/和補充或采用類似的方式來替代是顯然的，并能實現(xiàn)本發(fā)明的技術效果，因此，此處不再一一贅述。本發(fā)明中出現(xiàn)的術語用于對本發(fā)明技術方案的闡述和理解，并不構成對本發(fā)明的限制。
權利要求
1.一種InGaN基藍光LED器件，其特征在于其結構自襯底向上依次為半球狀表面的圖形化藍寶石襯底、本征GaN層、η型GaN層、數(shù)個周期的InGaN/InGaN多量子阱層、P型AlGaN電子阻擋層、P型GaN層，其中，在η型GaN層上設有負電極，ρ型GaN層上覆蓋有ITO薄膜并設有正電極。
2.根據(jù)如權利要求1所述的一種InGaN基藍光LED器件，其特征在于半球狀表面的圖形化藍寶石襯底和本征GaN層的界面處形成有空洞間隙結構。
3.—種如權利要求1或2所述的InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于包括下述幾個步驟 (1)對藍寶石襯底進行圖形化處理，獲得所需的半球狀表面的圖形化藍寶石襯底； (2)在半球狀表面的圖形化藍寶石襯底上生長本征GaN層，腐蝕制作空洞間隙結構； (3)在空洞間隙結構上生長本征GaN層，形成光滑表面； (4)繼續(xù)外延生長η型GaN層； (5)在η型GaN層上交替生長數(shù)個周期不同In組分的InGaN壘層和阱層，形成多量子講； (6)在多量子阱上生長ρ型AlGaN電子阻擋層； (7)在ρ型AlGaN電子阻擋層上生長ρ型GaN層，完成外延生長， (8)將步驟(7)得到的外延片在N2氣氛中進行退火，最后在ρ型GaN層上鍍ITO薄膜并制作正電極，在η型GaN層上制作負電極，所有工藝完成，得到所述的InGaN基藍光LED器件。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(O中，選取藍寶石襯底，通過感應耦合等離子體刻蝕工藝獲得半球形的圖形化表面。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(2)中，生長1-3μ m厚的本征GaN層后，采用濕法腐蝕獲得空洞間隙結構。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(3)中，在空洞間隙結構上生長2-5μ m厚的本征GaN層。
7.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(4)中，生長η型GaN層的施主雜質為Si，雜質源為硅烷，η型GaN層的厚度為Iym到ΙΟμπι。
8.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(5)中，交替生長多個周期的不同組分的InGaN阱層和壘層，形成多重InGaN/InGaN多量子阱。
9.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(6)中，ρ型AlGaN電子阻擋層的厚度為5_50nm。
10.根據(jù)權利要求3所述的一種InGaN基藍光LED器件的制備方法，其特征在于在步驟(7)中，ρ型GaN層的厚度為100-500nm。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子技術領域，特別是涉及一種InGaN基藍光LED器件，其結構自襯底向上依次為半球狀表面的圖形化藍寶石襯底、本征GaN層、n型GaN層、數(shù)個周期的InGaN/InGaN多量子阱層、p型AlGaN電子阻擋層、p型GaN層，其中，在n型GaN層上設有負電極，p型GaN層上覆蓋有ITO薄膜并設有正電極。本發(fā)明通過采用將空洞間隙結構和InGaN/InGaN多量子阱層結合，大大提高了LED的外量子效率。
文檔編號H01L33/10GK103022292SQ20121047660
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權日2012年11月21日
發(fā)明者胡斌, 盧細中 申請人:浙江優(yōu)緯光電科技有限公司