[实用新型]一种晶格匹配的LED外延结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种氮化镓基发光二极管，更具体地是涉及一种从成核层、未掺杂层、n型层、发光层和p型层都具极化匹配的氮化物发光二极管。

背景技术

近几年LED行业发展迅速，对中、大功率白光LED需求越来越多。然而中、大功率白光LED照明要进入千家万户，还需要进一步提高发光亮度和提升发光效率。

影响蓝光亮度的原因主要有以下几个方面：1、很难获得高浓度空穴；2、极化电场比较强，使能带发生弯曲，造成电子与空穴的波函数在空间上不完全重合，从而降低了载流子辐射复合速率，使得器件的内量子效率低下；3、衬底与外延层之间有较大的晶格失配，晶体质量比较差。

传统的LED外延结构参看图1，从下到上依次为：1、蓝宝石衬底；2、GaN成核层；3、未掺杂GaN层；4、n型掺杂GaN层；5、多量子阱发光层(InGaN阱和GaN垒)；6、p型掺杂GaN层。

但是上述结构存在以下缺点：首先，由于阱层与垒层之间存在较大的晶格失配，会产生较强的内建电场，促使能带弯曲；其次，由于电子的有效质量比较轻，会出现溢流的现象；然后是最后一个垒层与P型电子阻挡层之间有较大的能级差，限制空穴的注入。

CN 103022290 A提供了一种具有四元InAlGaN的LED外延结构及其制备方法，其特征是在n型掺杂的GaN层及多量子阱发光层之间插入InAlGaN应力释放层，但该层的厚度为40nm-50nm，并不能有效减缓n型掺杂的GaN层及多量子阱发光层之间的晶格应变。

Min-Ho Kim提出用不同组份的四元AlInGaN分别代替MQW中的垒和电子阻挡层，极大的减缓了大电流下发光效率下降的现象，参阅文献Min-Ho Kim,Martin F.Schubert,Qi Dai,Jong Kyu Kim,and E.Fred Schubert,“Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes”Applied Physics Letters,91,2007,183507。但是该结构中没有考虑存在于n型掺杂的GaN层和多量子阱发光层之间的晶格应变、电子阻挡层和p型氮化镓层之间的晶格应变。这些应变的存在都会影响到电子和空穴的注入效率。

Guangyu Liu等用宽带隙的AlGaInN取代部分GaN垒，减小了电子的溢流。参考文献，Guangyu Liu,Jing Zhang,Chee-Keong Tan,and Nelson Tansu,“Efficiency-Droop Suppression By Using Large-Bandgap AlGaInN Thin Barrier Layers in InGaN Quantum-Well Light-emitting diodes”IEEE Photonics Journal,5(2),2013,2201011。尽管AlGaInN与GaN垒材料晶格完全匹配，但没有实现InGaN阱材料和垒材料的晶格匹配，使仍然存在阱与垒的晶格应变。

由于III族氮化物四元系材料Al_xGa_1-x-yIn_yN具有两个可调谐的组分参数x和y，相对三元化合物具有更高的灵活性，为了得到某种特定的材料参数可以通过对这两个组分参数进行优化得到。

四元氮化物的带隙和晶格常数可以通过四元组分进行有效调节。

a(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝xa_AlN+ya_InN+(1-x-y)a_GaN

其中，

a_AlN＝0.3112nm,a_InN＝0.3548nm,a_GaN＝0.3189nm