[发明专利]一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构

说明书

本发明属于半导体光电子材料领域，提供了一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，包括由下而上设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、u‑GaN层、n‑GaN层、第一应变减少层、InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和p‑GaN层；所述InGaN/GaN量子阱有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的第二应变减少层、InGaN量子阱层、第三应变减少层和GaN垒层；所述第一应变减少层为InGaN单层或InGaN/GaN超晶格，所述第二应变减少层和第三应变减少层的晶格常数小于所述InGaN量子阱层，并大于GaN垒层。本发明减弱了绿光LED量子阱有源区内的极化效应，提高了电子与空穴的辐射复合几率；降低了InGaN/GaN多量子阱有源区内部的缺陷密度，可以应用于绿光LED领域。

技术领域

本发明属于半导体光电子材料领域，特别涉及一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构。

背景技术

GaN基LED被称为第四代照明光源，具有能耗低、寿命长、体积小、亮度高等优点，已逐渐取代传统的白炽灯与荧光灯，成为照明市场的主流光源。

当今市场上主流白光LED光源主要有两种：一种是以GaN基蓝光LED芯片为基础，在其表面涂覆黄光荧光粉，使蓝光与黄光混合形成白光；另一种是以GaN基紫光LED芯片为基础，结合红、绿、蓝三原色(RGB)荧光粉来实现白光。两种方式各有其优缺点：就功率转换效率而言，蓝光LED芯片+黄光荧光粉所实现的白光LED显然具有更大的优势，这是因为蓝光LED芯片本身具有极高的功率转换效率，目前最高可达到81%，但是紫光LED芯片本身功率转换效率只有不足10%，远远低于蓝光LED芯片，所以紫光LED芯片+RGB荧光粉的功率转换效率也远远低于前者；然而就色彩饱和度及显色指数而言，紫光LED芯片+RGB荧光粉包括了形成白光的红、绿、蓝三原色，色彩饱和度及显色指数明显高于只有蓝光+黄光两种颜色所形成的白光。综上所述，LED芯片+荧光粉技术方案，其功率转换效率与显色指数两者之间互相制约，极大地限制了LED在各领域尤其是户外显示方面的应用。

为了解决以上矛盾，在实现高功率转换效率的同时，获得高显色指数，各大LED厂商及研究机构均致力于RGB三原色LED的研制。所谓的RGB三原色LED是指直接利用红、绿、蓝三色LED组合来发射白光，避免了荧光粉使用中所需的二次能量转换，能够有效地降低能量损耗，同时具有RGB三原色芯片的LED也具有很高的显示指数。在三原色芯片中，红光与蓝光芯片早已成熟并实现大规模生产。红光LED芯片以AlGaInP材料为基础，是最早出现、最早投放市场的LED产品，其功率转换效率目前最高可达到70%；蓝光LED芯片以GaN基材料为基础，出现于上世纪九十年代，是目前白光照明市场上的主流产品，其功率转换效率最高已达到81%。相对于红光与蓝光LED的高功率转换效率，绿光LED的转换效率则远远落后，即所谓的“绿光缺口”(green gap)，造成“绿光缺口”的根本原因在于没有理想的材料系统。用于制备蓝光LED的III-N材料，在波长更长的情况下效率会明显下降；同样用于制备红光LED的III-P材料，在波长缩短至黄绿光范围时效率也会明显降低。

导致绿光LED内量子效率低的主要原因有两点：第一，强极化效应：绿光LED有源区为高In组分的InGaN/GaN多量子阱，失配大，应变高，极化电场强，使得电子和空穴波函数空间分离，辐射复合几率大幅度降低，这种效应也被称为量子限制斯塔克效应；第二，高缺陷密度：高In组分InGaN阱层与GaN垒层晶格失配大，导致InGaN阱层中形成了高密度的缺陷，载流子在缺陷处发生非辐射复合，严重降低了内量子效率。

为了克服InGaN/GaN量子阱结构中存在高缺陷密度及强极化效应的缺点，本发明在绿光LED外延结构中引入应变减少结构，降低了InGaN/GaN多量子阱有源区的内应变，从而降低了有源区中的压电极化电场及缺陷密度。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，以解决绿光LED内量子效率低的问题。