[发明专利]一种高亮度GaN基发光二极管外延片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基发光二极管（LED），尤其涉及一种具有粗化表面的氮面n型GaN层结合GaN基分布布拉格反射镜（DBR）层的LED外延片结构及其制备的方法。

背景技术

LED作为第三代照明光源，因其高效节能、绿色环保、体积小、寿命长、耐冲击、抗震等综合优势而逐渐得到日益广泛的应用。GaN是继GaAs、InP等之后出现的又一种新型半导体材料，并具有许多硅基半导体材料不具备的优异性能，如禁带宽度大、电子饱和漂移速度快、导热性能好、化学稳定性高等，对于抗辐射、耐高温、高频、微波、大功率器件，尤其是利用其宽禁带特性制作的蓝、绿、紫外光电器件，具有很大的发展空间和广阔的市场潜力。GaN基蓝光LED的出现，大大扩展了其应用领域，引起了半导体照明的一场产业革命。虽然GaN基LED已经产业化，但是其光功率输出和光谱分布特性不甚理想，仍有待进一步提高和改善。其出光效率的提高对于降低功耗、节约能源方面具有重大意义，因此获得更高能效的GaN基LED是目前业内人士和科研工作者普遍关注的问题。一般情况下，提高LED发光效率的方法有两种：第一种是提高芯片的内量子效率，这主要和控制晶体质量、外延层结构有关，较高的内量子效率数值已有报道。现在典型的蓝光GaN基LED的内量子效率已经达到70%以上，新近在低位错密度的GaN基衬底生长的紫外（UV）LED的内量子效率接近80%。由于GaN基LED所用的外延材料一般采用MOCVD外延生长手段和多量子阱结构，因此进一步改善的空间较小。然而，传统大面积结构GaN基LED由于全反射、吸收、横向光波导等原因，光提取效率只有百分之几，提升空间很大。众所周知，限制LED光提取效率提高的主要原因是GaN基外延层材料、蓝宝石衬底以及空气之间较大的折射率差异，导致有源层产生的光在不同材料界面发生全反射而不能导出芯片。典型的GaN基半导体材料的折射率为2.5，由全反射定律知，光线从半导体逸出到空气中的光锥出射临界角为23.6°，故大于该临界角的光线会逐渐消失于内部全反射，最终被半导体材料、电极和衬底吸收而转化为热能。

目前，很多研究机构在提高GaN基LED的外量子效率方面做了大量的尝试性工作，并初步取得了一些研究成果。现已报道的提高芯片光提取效率的方法主要包括：改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如采用倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；表面粗化的目的是使光在粗糙界面发生散射，增加其透射机会，根据修饰加工层的不同，主要包括蓝宝石衬底、非掺GaN层、n型GaN层、p型GaN层和ITO层等几种表面粗化处理方式。另外，还有一些人在电极反射率、LED的芯片尺寸以及封装材料折射率等方面也做了不少工作。今后提高GaN基LED光提取效率的发展趋势很可能是以上两种或多种技术的有效结合。尽管已经有各种针对LED芯片表面或者芯片内部的微纳结构加工报道，但是这些方法都存在各自的缺点，如有的工艺过程复杂、生产成本较高；有的辅助材料会对LED生产线造成污染，甚至有的工艺操作会对LED外延层质量产生不利影响。因此，GaN基LED研发进程迫切需要一种低成本、可操作性强和与传统工艺相兼容的表面界面粗化技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高亮度GaN基发光二极管外延片及其制备方法，可以提高GaN基LED光提取效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高亮度GaN基发光二极管外延片，包括衬底、衬底上表面上方设置一非掺杂GaN层，非掺杂GaN层上表面上方依次设置一N型GaN复合层、有源层和P型GaN复合层，在非掺杂GaN层和N型GaN复合层之间进一步设置一极性转换层，所述极性转换层的材料为Mg元素掺杂浓度为1×10²⁰～5×10²⁰cm^-3的P型GaN。