[发明专利]高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光领域，涉及一种高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，已被广泛应用于各个领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体，尤其是InGaN/GaN(氮化镓铟/氮化镓)基LED由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。

然而，由于InGaN/GaN结构存在很大的晶格和热膨胀系数失配，导致量子阱内存在极化电场。这种极化电场容易造成了量子阱倾斜，导致量子阱内电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而使电子和空穴的复合效率降低。虽然，当前InGaN/GaN LED的发光效率已经有了显著地改善，但对于大功率GaN基LED来说，仍然存在着严重的量子效率下降(efficiency droop)问题,即在大电流注入的情况下，LED的内量子效率会迅速下降。

为了降低该内建极化电场的负面效应，一种解决方案为将势阱中的铟组分的含量渐变来实现晶格失配的减小。然后，由于铟原子受热易从外延材料中挥发，上述方法很难按设定的值来实现。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法，用于解决现有技术中由于InGaN/GaN结构存在很大的晶格和热膨胀系数失配而导致的量子阱内电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而使电子和空穴的复合效率降低，进而使得LED量子效率下降的问题，以及通过将势阱中的铟组分的含量渐变来减小晶格失配时存在的铟原子易挥发，难以按设定的组分含量实现的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高亮度GaN基LED外延结构，所述外延结构包括：依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、N型GaN层、超晶格结构、多量子阱结构、AlGaN层、低温P型AlInGaN层、P型电子阻挡层及P型GaN层；其中，所述多量子阱结构由第一InGaN势阱与第一GaN势垒交替组成，所述第一InGaN势阱分三步生长而成。

优选地，所述成核层的厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm^-3～3e19cm^-3。

优选地，所述超晶格结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第二InGaN势阱与一个所述第二GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒位于所述第二InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3～30个所述周期对；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1％～5％，所述第二InGaN势阱的厚度范围为1.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒的厚度范围为1.0nm～9.0nm。

优选地，一个所述第一InGaN势阱与一个所述第一GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒位于所述第一InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5～18个所述周期对；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15％～20％，所述第一InGaN势阱的厚度范围为2.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒的厚度范围为3.0nm～15nm。

优选地，所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm。

优选地，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为5e18cm^-3～3.5e19cm^-3。

优选地，所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为5e18cm^-3～1e20cm^-3。

本发明还提供一种高亮度GaN基LED外延结构的制作方法，包括以下步骤：

提供生长衬底，在所述生长衬底上由下至上依次生长成核层、未掺杂GaN层及N型GaN层；

在所述N型GaN层上生长超晶格结构；