[发明专利]氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及照明灯具领域，尤其涉及一种发光二极管的生产方法。

背景技术

现有的氮化镓基外延层主要生长在<0001>c面蓝宝石或者SiC衬底上，蓝宝石和氮化镓同属六方系晶体，如图1a所示，上下两个晶格面为<0001>c面，侧方六个面为<10-10>m面。在c面蓝宝石衬底上生长的氮化镓外延层能够获得足够好的晶体质量，可进一步获得具有较好的发光效率和可靠性的LED，所以目前<0001>c面蓝宝石衬底在LED外延生产中大量运用。但同样属于六方晶格的氮化镓晶体在<0001>c面上存在着自然极化电场，加上铟镓氮和镓氮异质结的应力产生的压变极化电场作用，导致电子和空穴在生长方向上（也即电流传输方向）的空间分离，进一步导致外延层中InGaN/GaN量子阱发光效率降低。如图3所示，1为p型导电层，2为n型导电层，3为量子阱层。

申请人发现，如图1a所示，当改变氮化镓的生长晶面时，量子阱层内的极化电场大小发生变化。例如当采用与<0001>c面垂直的晶面如<10-10>m(图1a所示)或<11-20>a面（图1b所示）时，由于极化电场方向和垒晶方向垂直，电子和空穴在生长方向上的空间分离最小，因而极化电场不会在LED器件通电工作条件下对载流子在电流方向上（电子和空穴）施加电场力，从而不会使载流子在传输方向上错位，如图4所示，1为p型导电层，2为n型导电层，3为量子阱层。上述设置能有效提高量子阱层3的载流子辐射复合效率，大大提高发光效率。

<10-10>m面与<11-20>a面，由于与<0001>c面垂直，生长过程方向与极化电场方向垂直，故称为无极性面。申请人还发现，介于无极性面（a面）和极性面（c面）之间的晶面如<20-21>e2面和<20-2-1>e2'面，也可以得到合格的生长面。本领域以晶体表面以Ga为结束原子的<0001>c面的法线方向为正方向，<20-21>e2面的法线与正方向成75°角，<20-2-1>e2'面法线与正方向成105°角。

<20-21>e2面和<20-2-1>e2'面极化电场强度介于极性面c面和无极性面a面或m面之间，本申请中称为半极性面，半极性面与无极性面统称为非极性面。

图2为生长面极性随着法线相对于正方向的夹角的变化趋势表，表中，x表示In_xGa_1-xN中Indium的x的取值，横轴表示晶面的法线相对于正方向的夹角，纵轴表示压变极化电场的大小，单位为库伦/平方米。

更进一步，在实际应用中，a面非极性和大部分半极性面GaN晶体较难获得合格的晶体质量以适用于氮化镓外延生长。单纯采用原有的c面外延工艺参数容易形成层错等晶体缺陷，因此在半极性或非极性面上的工艺条件有所区别。

发明内容

本发明的目的提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，提高发光层的光辐射复合效率。

本发明提供了一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，

S1，将非极性面的氮化镓单晶衬底升温至n型导电层的生长温度范围，并在氨气的氛围下生长氮化镓n型导电层；

S2，于n型导电层上生长量子阱层；

S3，于量子阱层上生长氮化镓p型导电层。

本发明通过改变氮化镓衬底生长表面的晶体方向，减少量子阱层内由于压变极化电场和自然极化电场造成的电子和空穴在生长方向上的分离，从而提高载流子在发光层的光辐射复合效率。

在一些实施方式中，S1中非极性面为无极性面<11-20>a面或<10-10>m面。由于a面、m面都与c面垂直，所以极化电场在生长方向上完全消失，目前m面的氮化镓同质衬底较易获得，而且在m面衬底上生长的氮化镓晶体质量较好。

在一些实施方式中，S1中非极性面为半极性面<20-21>e2面。<20-21>e2面法线方向与正方向成75°角，因而极化电场在生长方向上也较小。同时在该面上生长波长较长（例如绿光）外延能够需要更少的铟，从而产生较小的应力，避免由于应力过大产生失配位错。