[发明专利]提高Ⅲ族氮化物发光效率的LED量子阱结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用新型量子阱结构提高III族氮化物半导体LED发光效率的技术。该技术利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性，采用四元合金AlGaInN材料作为量子阱势垒层，同时调整Al，In的组分来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。

背景技术

以G a N为代表的III V族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(E g＝3.39e V)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。GaN是III族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的III族氮化物材料。GaN材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为1700℃。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达900cm²/(V·s)。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高(＞10¹⁸/cm³)的n型本底载流子浓度，现在较好的GaN样品的本底n型载流子浓度可以降到10¹⁶/cm³左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。Nakamura等采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺Mg的GaN样品的p-型化，目前已经可以制备载流子浓度在10¹¹～10²⁰/cm³的p-型GaN材料。进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型参杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全球范围内发展起来，并且取得了辉煌的成绩。InGaN超高亮度蓝，绿光LED已经实现商品化。

目前，虽然GaN基多量子阱(MQW)发光二极管(LED)已经在市场上取得进展，但芯片出光效率低的问题仍没很好的解决。如何提高LED出光效率是发展大功率GaN基LED的提前。

尽管实验已证明GaN基MQW LED的发光机理是载流子在GaN/InGaN MQW中形成的InGaN量子点中的辐射复合发光^[1-3]，量子点是真正的发光中心，直接决定着LED的发光波长和发光效率。但是传统的在α-Al₂O₃和SiC等衬底上制作的LED器件结构沿生长方向([0001]方向)存在自发和压电极化电场，极化电场使电子和空穴的波函数不再完全重叠，这样导致电子和空穴更长的辐射复合时间，从而降低了量子阱的辐射复合效率^[4]。这个内建电场使得LED内的多量子阱(MQW)的量子效率降低，从而使得LED的发光效率的提高受到限制^[5.6]。

由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金化合物所组成的III族氮化物半导体材料通过形成三元(InGaN、AlGaN、AlInN)或四元合金(AlGaInN)和调节III族元素固熔含量，使其带隙宽度可从InN～0.7eV，GaN～3.4eV直至AlN～6.2eV连续可调，相对应的波长覆盖了从近红外到紫外较宽广的光谱范围(图1)。对于AlGaInN四元合金材料调整Al，In的组分适当来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而提升LED的发光特性。对于极化匹配的InGaN/AlInGaN构型量子阱结构来说，由于少了极化电场的作用，有助于载流子在量子阱内的结合，发光强度也就相应地越大。

[1]H C Yang，P F Kuo，T Y Lin，et.al.，2000Appl.Phys.Lett 76 3712

[2]H J Chang，C H Chen，Y F Chen，et.al.，2005Appl.Phys.Lett 86 021911

[3]K P O’Donnell，R W Martin，and P G Middleton 1999Phys.Rev.Lett 82 237