[发明专利]GaN基LED的外延结构及其生长方法

说明书

本发明公开了一种GaN LED的外延结构及其生长方法，依次包括处理衬底，生长低温成核层，生长非掺杂低温u‑GaN层，生长掺Si的n‑GaN层，生长发光层，生长GaN‑AlGaN‑GaN势垒层，生长P型GaN层，降温冷却步骤。本发明采用GaN‑AlGaN‑GaN组合结构，能够有效的提供电子势垒以限制电子向P型区的泄露，降低了电子和空穴在P型区的非辐射复合，并有效的提高了空穴从P电极向有源区的注入，提高器件的光电性能；去除传统的AlGaN电子阻挡层，避开了在生长较厚高掺Mg的p型AlGaN层时，会使得材料界面产生严重晶格缺陷和大的应力的问题，也避免了长时间高温生长对MQW层的影响，提高了芯片质量。

技术领域

本发明涉及LED设计应用领域，特别地，涉及一种空穴注入层和发光层结构改进的LED外延结构及其生长方法。

背景技术

GaN发光二极管(LED)凭借其亮度高、低功耗、寿命长、功率小等优势，在背光照明、节能照明和一般照明上将彻底取代传统白炽灯和荧光灯，然而III族氮化物器件的光电性能会因为效率下降的问题而被明显削弱，这是由于GaN基LED中注入电流的增加会引起的发光效率快速降低的原因。因此，业界一直致力于改善LED效率下降以提高GaN LED的性能。目前研究者提出造成效率下降的主要原因为结构内部较差的载流子注入问题和严重电子泄露问题，所以改善GaN LED效率下降的关键方法在于提高载流子的注入，降低电子泄露。

电子泄露问题的发生是由于在GaN LED中，空穴相对于电子具有较高的有效质量，使得从P型层到有源区的空穴注入比从N型层的电子注入效率低很多，因而大量载流子在P型层附近的最后一个量子阱中积聚，导致大部分电子泄露到P型层，空穴的注入也从而变得更差。因此提高GaN LED的载流子注入效率和降低电子泄露是GaN LED提高光效的一个重要环节。

为了提高载流子的注入和降低电子泄露，国际上通常的做法是在有源区和P电极之间生长一层AlGaN电子阻挡层，从而在导带上形成电子势垒来抑制电子泄露。但是AlGaN电子阻挡层同样会在价带上形成空穴势垒，降低空穴的注入效率；且由于最后一个GaN势垒层和AlGaN电子阻挡层之间的极化效应，反而不利于改善空穴注入和电子泄露问题。另外，由于AlGaN电子阻挡层的P型Mg掺杂电离激活率很低，这导致AlGaN中空穴浓度较低，而且随着Al的组分提高，外延晶体质量变差，同时产生严重晶格缺陷和相对较大的应力，从而使得发光层能带发生较大畸变，影响电子和空穴的复合速率。而且随着注入电流进一步增加，AlGaN/GaN界面处的价带能带差拉大，这也会导致空穴更难以有效注入发光层。特别是，AlGaN的生长温度也相对较高(≥960℃)，在外延生长时会影响多量子阱中In组分的均匀性。

发明内容

鉴于上述缺陷，本发明目的在于提供一种能有效提高发光层中载流子的有效辐射复合速率，减少LED效率下降的外延生长方法以及外延生长层结构。

本发明的设计思想是：将现有技术的最后一层GaN势垒层设计为1:1:1厚度的GaN层，AlGaN层和GaN势垒组合结构，并移除了传统的AlGaN电子阻挡层，在能够提供有效的电子势垒层的同时，还能不降低空穴从P型区向有源区的注入能力，减少因较大带隙AlGaN电子阻挡层带来极化效应而产生的能带畸变，并使载流子在有源区内分布更加均匀，以此提高电子和空穴在有源区量子阱内的有效辐射复合速率，从而提高LED的光电性能。去除p-AlGaN电子阻挡层的外延生长方法避免生长高温高掺的AlGaN时对发光层结构得影响，能有效的降低晶格缺陷，同时也避免了高温生长条件引起的InGaN/GaN MQW区的In组分分布不均匀的问题，这可以有效降低芯片的位错，提升芯片质量。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

GaN LED的外延结构，依次包括衬底、低温成核层GaN、非掺杂u-GaN层、掺Si的n-GaN层，发光层、GaN-AlGaN-GaN势垒层、P型GaN层，其中，GaN-AlGaN-GaN势垒层呈三明治结构，由等厚度的中间层AlGaN层和两外层GaN层组成。