[发明专利]一种大功率垂直结构LED外延结构及其制备方法

说明书

本发明公开了大功率垂直结构LED外延结构，包括生长在Si衬底上的预铺Al层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u型GaN层、第一石墨烯层、n型GaN层、多量子阱、p型GaN层、第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层采用气相沉积而成。该LED外延结构具有较佳的光电性能，应用广泛。

技术领域

本发明涉及低维石墨烯增强导电性能的光电器件外延薄膜领域，尤其涉及一种大功率垂直结构LED外延结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，被誉为二十一世纪的绿色光源。LED的应用领域非常广泛，已经被用作信号指示灯、汽车大灯、LCD背光、道路照明、室内照明、商业照明、体育场馆照明、医疗照明和生物照明。如果LED能够大规模的应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。

目前商业化LED芯片多采用将蓝宝石衬底上GaN基薄膜蒸镀金属电极制备而成的水平结构LED芯片。对于水平结构LED芯片，由于电流横向流动，在芯片的台阶附近会产生电流聚集效应；其次，正面出光的GaN基LED芯片的很大一部分光被LED上方的P型欧姆接触电极、N型欧姆接触电极以及电极焊盘所吸收，从而限制了LED芯片注入电流的进一步提高与其在大功率照明领域的发展应用。而垂直电极结构的GaN基LED芯片，由于垂直电导有利于载流子的注入，从而提高载流子的复合效率。并且通过n面出光，有效的解决了散热和档光的问题，进一步打开了大功率LED芯片的市场。但垂直结构LED芯片的光学及电学性能仍然被金属电极与GaN材料的较高欧姆接触电阻所限制，特别是p-GaN的欧姆接触电极对LED的性能有很大的影响。一方面是由于p-GaN中掺杂的Mg受主元素的离化能高达170meV，导致Mg的离化率低，从而引起载流子的浓度低，p-GaN的高掺杂一直无法得到有效的突破；另一方面是由于在自然界中找不到一种功函数大于p-Ga N(功函数大约为6.12eV)的金属，导致制作低阻p-GaN的欧姆接触电极比较困难。因此，急需寻找一种可实现良好电流拓展性能的大功率垂直LED芯片的外延结构及其制备方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种大功率垂直结构LED外延结构。该结构能有效提高LED的光电性能。

本发明的目的之二在于提供上述垂直结构LED外延结构的制备方法。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种大功率垂直结构LED外延结构，包括生长在Si衬底上的预铺Al层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u型GaN层、第一石墨烯层、n型GaN层、多量子阱、p型GaN层、第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层采用气相沉积而成。

进一步地，所述预铺Al层生长于所述Si衬底上的(111)晶面上。

进一步地，所述AlGaN缓冲层中，Al组分为的摩尔比例为0.1-0.9。

进一步地，所述多量子阱为周期重复结构，每一周期由垒层和阱层组成；垒层的材料为GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或两种以上，阱层的材料为InGaN或AlGaN；多量子阱的周期数为1-20。

进一步地，所述预铺Al层的厚度为1-5nm、所述AlN缓冲层的厚度为100-300nm、所述AlGaN缓冲层的厚度为300-600nm、所述u型GaN层的厚度为500-1500nm，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的厚度为1-10nm。

进一步地，所述n型GaN层掺杂有1.0×10¹⁸-2.0×10¹⁹cm^-3的Si；所述p型GaN层掺杂有5.0×10¹⁷-2.5×10¹⁹cm^-3的Mg。