[发明专利]一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，特别是一种高出光效率InGaN基多量子阱蓝光LED器件的实现方法，可用于白光照明，显示背光源等领域。

背景技术

20世纪90年代，InGaN基LED开始走向市场，由于其具有巨大的发展潜力，获得社会各界的广泛关注。当今世界面临全球变暖碳排放过高的巨大压力，节能环保低碳的生活方式是人类的唯一出路。InGaN基LED作为照明光源，有着其独特的优势：（1）寿命长，目前有报道已经达到10万小时，（2）节能环保，其功耗仅为传统白炽灯的1/8到1/10之间，InGaN基材料对环境无污染，并可回收利用。也正是由于这一系列的优点，在未来InGaN基LED必将完全取代白炽灯。目前InGaN基LED主要采用InGaN/GaN多量子阱作为有源层，这种LED普遍存在“效率陡降”效应，即在低的电流密度时达到最大效率，随后增加驱动电流，效率单调下降。对此，存在多种解释，如俄歇复合，电子泄漏，局域态填充等。然而，其产生物理机制仍然不是很明确。但是，可以确定的是，有源区内部的载流子注入和分布对此有重要影响。有人报道过InGaN/GaN多量子阱中只有最后一个靠近p型材料的阱对于辐射复合有贡献。近年来，还出现了许多其他方法来提高LED的发光强度，如表面粗糙化、图形化衬底、光子晶体等。采用图形化蓝宝石衬底不仅可以通过引入呈一定角度的端面提高出光效率，还可以通过减少位错密度以提高内量子效率。如何解决上述的问题，进一步提高LED的出光效率是当今面临额一大挑战。  　

发明内容

本发明目的就是在于解决上述的已有技术的关键问题，提出采用基于半球状表面的图形化蓝宝石衬底的空洞间隙结构和InGaN/InGaN多量子阱有源区来提高出光效率，提供一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实施的：

一种InGaN基蓝光LED器件，其结构自衬底向上依次为：半球状表面的图形化蓝宝石衬底、本征GaN层、n型GaN层、数个周期的InGaN/InGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层，其中，在n型GaN层上设有负电极，p型GaN层上覆盖有ITO薄膜并设有正电极。

作为优选，根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件，其中，半球状表面的图形化蓝宝石衬底和本征GaN层的界面处形成有空洞间隙结构。

本发明提供的是一种基于InGaN/InGaN多量子阱和空洞间隙结构的高出光效率的蓝光LED器件。本发明公开的InGaN基蓝光LED器件，该器件采用InGaN/InGaN多量子阱作为有源区，相比传统的InGaN/GaN多量子阱可以有效的提高空穴的注入效率，同时减少电子通过电子阻挡层的泄漏，提高载流子辐射复合效率；同时该器件还采用了基于半球状表面的图形化衬底的空洞间隙结构，该结构与仅采用图形化衬底的LED相比可以进一步提高光线在端面的出射率，以上两种结构的结合可以大大提高LED的外量子效率。

本发明还提供了上述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法，包括下述几个步骤：

（1）对蓝宝石衬底进行图形化处理，获得所需的半球状表面的图形化蓝宝石衬底；

（2）在半球状表面的图形化蓝宝石衬底上生长本征GaN层，腐蚀制作空洞间隙结构；

（3）在空洞间隙结构上生长本征GaN层，形成光滑表面；

（4）继续外延生长n型GaN层；

（5）在n型GaN层上交替生长数个周期不同In组分的InGaN垒层和阱层，形成多量子阱；

（6）在多量子阱上生长p型AlGaN电子阻挡层；

（7）在p型AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层，完成外延生长，

（8）将步骤（7）得到的外延片在N₂气氛中进行退火，最后在p型GaN层上镀ITO薄膜并制作正电极，在n型GaN层上制作负电极，所有工艺完成，得到所述的InGaN基蓝光LED器件。

作为优选，根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法，其中在步骤（1）中，选取蓝宝石衬底，通过感应耦合等离子体刻蚀工艺（ICP）获得半球形的图形化表面。可采取的具体做法是：在蓝宝石衬底的表面涂敷一层有机材料并用光罩定义所需的半球状图形，将半球图形转移至有机材料涂层上，最后通过感应耦合等离子体刻蚀（ICP），在蓝宝石衬底上刻出半球状图形。有机材料选择本领域常规通用材料即可。