[发明专利]一种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构及其制备方法，属于光电子技术领域。

背景技术

III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温的一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700℃。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm²/(V·s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，p型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到10¹⁷～10²⁰/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和p型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。

GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解决。

现有的LED结构是在蓝宝石(α-Al₂O₃)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使能带产生严重弯曲，如图1。传统通用结构中，InGaN量子阱和GaN量子垒之间由于存在极化效应，阱和垒的能带产生形变。形变的量子阱对载流子的束缚能力大幅下降，产生很大的漏电流。而且量子垒的形变对载流子尤其是空穴的输运产生附加势垒，使空穴不能均匀的分布在各个量子阱内，只能集中在靠近p侧的一两个阱内。因此传统结构LED的内量子效率在较高电流密度注入下出现衰减。

《物理学报》2010年7月，第7期，第59卷中公开一篇《In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能》，文中披露：利用金属有机物化学气相趁机系统在蓝宝石衬底上通过有源层的变温生长，得到In组分渐变的量子阱结构，从而获得具有三角形能带结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管，该结构有效提高了量子阱中电子和空穴波函数的空间交叠，从而增加了LED的内量子效率，进而提高了LED的发光效率。本文献是针对发光二极管中每个量子阱的组分渐变；文献中所记载的In组分渐变三角形量子阱，虽然在每个阱的低In组分一侧与GaN量子垒的极化效应很弱，但是在阱高In一侧依然与GaN量子垒存在较高的极化效应，因此该结构只能部分提高载流子的空间重合率，但是对空穴的输运没有提高作用，因此对整个器件的效率提高非常有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构，与传统量子势垒高度恒定的LED结构相比，本发明不但大幅度提高了空穴浓度的分布，而且量子阱垒之间的极化场也得到有效减弱，最终达到了提高器件量子效率的目的。

本发明还提供一种上述LED结构的制备方法。

发明概述

本发明采用AlGaInN材料作为量子垒材料，通过调节Al和In组分，使量子垒的禁带宽度从n侧到p侧逐渐减小，即形成势垒高度渐变的Al_uGa_1-u-vIn_vN量子垒。本发明采用势垒高度渐变的Al_uGa_1-u-vIn_vN量子垒结构的优点在于：1.使得从p侧注入的空穴能够有效输运至较远的阱内，提高空穴的分布；2.由于势垒高度较小的量子垒与量子阱之间的极化效应相对较弱，因此采用上述结构提高了对载流子的束缚能力，也增强了电子和空穴波函数的空间重合率；3.增强了LED结构的内量子效率和光输出功率。

发明详述