[发明专利]一种LED结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED结构及其生长方法，属于光电子的技术领域。

背景技术

GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。以GaN、InN、AlN为代表的三族氮化物属于直接带隙半导体材料，具有优良的光电特性，是制造短波长发光二极管(LED)、光电探测器中不可缺少的材料。GaN的带隙是3.4电子伏(eV)，InN的带隙是0.7eV，这两种材料对应的发光波长分别位于紫外和红外区域。

GaN基材料具有优异的机械和化学性能，优异的光电性质，室温下其带隙范围从0.7eV(IN)到6.2(AlN)，发光波长涵盖了远红外，红外，可见光，紫外光，深紫外，GaN基材料在蓝光，绿光，紫光及白光二极管等光电子器件领域有广泛的应用背景IIIV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等一系列优点，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。

三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、碳化硅等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。由于和衬底的晶格失配及热失配很大，在蓝宝石衬底上生长GaN时都是采用两步生长法，即先在低温下生长一层低温GaN作为缓冲层，然后升高到1000℃以上的高温生长GaN。因此现有的GaN基LED芯片的结构由下至上依次为衬底、低温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW层(多量子阱层)、P型AlGaN层和P型GaN层，衬底可以采用目前常用的蓝宝石衬底，外延生长方法最常用的还是MOCVD。

《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沉积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。

传统的LED结构中，通常采用InGaN/GaN(量子阱/量子垒)结构，而在蓝宝石(α-Al₂O₃)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料却存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲，弯曲的势垒对载流子尤其是电子的束缚能力大大降低，当注入电流密度很小时器件内量子效率便达到饱和，注入电流密度进一步增加，会使得电子漏电流变得严重，注入效率变低，从而使得内量子效率变低、衰减。

在中国专利CN101355127B中，也采用了InGaN/AlGaInN量子阱/量子垒结构，其中In_xGa_1-xN组分x为0.1-0.4，Al_xGa_yIn_1-x-yN组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4，采用以上的结构得到无极化效应的量子阱活性层。但是该专利采用四元合金AlInGaN单层作为势垒层，存在生长困难，晶体质量较低等问题，而本发明则是采用GaN/InGaN超晶格作为势垒层，能够减小阱层应力，同时保证较高的晶体质量。