[发明专利]一种提高势阱质量的LED外延结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种提高势阱质量的LED外延结构及其制备方法，自下而上依次设置有衬底层、缓冲层、非掺杂GaN层、n型AlGaN层、n型GaN层、量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层和P型InGaN欧姆接触层，量子阱层自下而上包括周期性的GaN势垒层、第一变温势阱层、恒温势阱层、第二变温势阱层；本发明使LED外延结构能生长出高质量的势阱层，由于其特殊势阱结构，能够显著阻挡和扩展N型电子的注入，使得量子阱和量子垒之间的晶格匹配度增加，减少内部应力，缓解能带的弯曲，从本质上提高晶体质量和内量子效率，提高器件性能，提高出光效率10％左右。

技术领域

本发明涉及一种提高势阱质量的LED外延结构及其制备方法，属于LED外延设计技术领域。

背景技术

二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。

半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。

通常，LED包含N型衬底、形成于该衬底上的N型外延区以及形成于N型外延区上的量子阱区、P型外延区。由于GaN在高温生长时氮的离解压很高，很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，目前大部分GaN外延器件还只能在其他衬底上(如蓝宝石衬底)进行异质外延生长。

量子阱区是制造GaN基LED器件必不可少的重要环节，LED外延片要提高发光效率，最根本的办法就是要增强外延结构的内量子效率。目前国内MOCVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30％左右，还有较大的发展提高空间，而有源层MQW的生长对内量子效应的提高尤为重要。

业内目前一般采用GaN/InGaN材料交替生长有源层。在注入电流后，N型GaN层中的电子因为其高迁移率，会很容易穿过发光层(有源层量子阱)，迁移至有源层之上的P型GaN层中，与空穴形成无效辐射复合，这样无形之中降低了内量子效率，并且由于GaN基材料固有的极化效应，产生的极化电场导致多量子阱中产生弯曲，导致在P型一侧较低，N型一侧抬高，从而多量子阱的边带由长方形变成了三角形，导带的基带能量降低，价带的基带能量升高，使两者之间的间隙宽度变窄，导致发光波长横移，从而进一步影响了发光效率。

对于提高内量子效应，国内外有一些专利文献。中国专利文献CN104157746A公开了一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法及LED外延层，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长n型AlGaN层、生长n型GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长p型接触层步骤，在传统的有源层GaN势垒层中间穿插生长一个AlGaN薄层，但是该方法较高的势垒不仅限制了电子的注入，同时限制了空穴的注入。

中国专利文献CN104201262A公开了一种InGaN/AlGaN-GaN基多量子阱结构及其制备方法，以固定In组分的InGaN作为阱层，采用不同的AlGaN-GaN作为垒层，包括Al组分固定的AlGaN垒层、Al组分沿生长方向连续减少的AlGaN垒层和GaN垒层，但是该方法效果并不明显。

中国专利文献CN104617194A公开了一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括制作依次层叠的成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、由高温到低温逐渐变温生长的InGaN/GaN前置量子阱结构、多量子阱发光层结构、AlGaN层，低温P型层、P型电子阻挡层、以及P型GaN层。本发明采用变温的方式来生长InGaN/GaN前置量子阱结构。