[发明专利]一种多量子阱结构及采用该结构的发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件，更详细地说，涉及可用于Ⅲ族氮化物半导体器件（如发光二极管）的结构。

背景技术

发光二极管（LED）具有亮度高，节能环保等优点，已被公认为第三代照明光源，在近几年得到大力发展。在衬底上生长的GaN基外延片，是LED的核心组成部分，决定着LED产品的性能。

一般来说，LED外延片主要包括衬底，N型导电层，应力释放层，发光层，电子阻挡层，P型导电层以及P型接触层。其中发光层结构及晶体质量对半导体器件的光电性能起决定性作用。而以Ⅲ族氮化物为基础的半导体器件中，由于量子阱层的材料与组分多数与N型导电层及量子垒层不同，因此会在量子阱层中产生应力，使得在量子阱及量子垒的交界面处产生极化电荷形成极化场。该极化场会引起量子阱层中的量子斯塔克效应，使得电子与空穴波函数相分离，减小其光电转换效率，从而降低出光效率。

目前，量子阱的发光效率已成为提高Ⅲ族半导体器件性能的瓶颈，因此减小量子阱中的极化电荷，减弱量子阱中的量子斯塔克效应及提高器件的出光效率成为目前技术研究热点。中国专利申请案CN1552104A中提及一种减少量子阱中的极化电荷的方法，即在量子阱生长之前插入一层In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN超晶格结构，其作用在于释放量子阱中的应力，以减小量子阱中的极化电荷并提高出光效率。中国专利申请案CN102760808 A中公开了一种发光区结构，主要是将量子垒层分为三层，两边采用GaN材料而中间层采用AlInGaN材料，用以释放量子阱层中的应力。但上述技术方案中对量子阱中的应力释放并不完全。中国专利申请案CN 102449737A中公开了一种在非极性面或半极性面上生长Ⅲ族氮化物薄膜的方法，来减小量子阱中的极化电荷。但该方法中在非极性面或半极性面中的量子阱极化电荷很少，其极化场较小，量子阱能带倾斜减弱，因此要达到相同波长，需要含有更多的In组分，而在非极性面和半极性面上In组分并入效率较低，因此需要更低的生长温度，如此会恶化量子阱的晶体质量。因此有必要进一步减少量子阱层中极化电荷。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有减少量子阱层中极化电荷作用的基于Ⅲ族氮化物的发光区的发光二极管结构及其制造方法。

本发明的发光二极管结构，由下而上可以依次包括：衬底、缓冲层、N型导电层、应力释放层、发光区、电子阻挡层、P型导电层和P型接触层。N型导电层由n型掺杂的Ⅲ族氮化物制成；P型导电层由P型掺杂的Ⅲ族氮化物制成。所述发光区具有至少一个量子阱结构，其包括：基于Ⅲ族氮化物的第一保护层，在第一保护层上的基于Ⅲ族氮化物的第一过渡层，在第一过渡层上的基于Ⅲ族氮化物的阱层，在量子阱层上的基于Ⅲ族氮化物的第二过渡层，在第二过渡层上的基于Ⅲ族氮化物的第二保护层，以及在第二保护层上的基于Ⅲ族氮化物的垒层。

前述量子阱结构中，在阱层与低温保护层之间插入变温生长的基于Ⅲ族氮化物的过渡层，可以有效地减少量子阱层的极化电荷，减弱量子斯塔克效应，提高器件量子效率。这种过渡层可消除因量子垒层掺硅引起的附加势垒，降低工作电压，提高光电转换效率。

在本发明的一些实施例中，发光二极管的发光区包括前述量子阱结构的2~20次的重复，其中每一次重复的量子阱结构的生长条件可以相同也可以不同。例如20对量子阱结构中，前10对量子阱结构的周期厚度可以小于后10对量子阱结构的周期厚度，生长温度也可小于后10对量子阱结构。

在本发明的实施例中，所述第一保护层由Al_aIn_bGa_1-a-bN组成（其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1），其禁带宽度应大于量子阱组成材料的禁带宽度，可以根据阱层的材料组分设定该层的材料组分，使得量子阱层的极化场达到最小。该层厚度为0~5nm，生长环境为纯净N₂或H₂或前述组合。该层的生长温度不低于阱层温度，且较佳地不高于阱层温度100度。