[发明专利]一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于发光二极管外延生长领域，具体涉及一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法。

背景技术

近年来，III-V族氮化物已被证明是一种很有前途的制造高效率光电器件的材料，成功地实现了高效率的蓝、绿、近紫外发光。相比于传统光源，GaN基蓝、绿发光二极管器件具有的高亮度、长寿命、低能耗、响应速度快等优点，广泛应用于全彩显示、信号指示、景观照明等领域。

尽管InGaN基蓝绿光LED在商业上已取得巨大成功，但是InN与GaN之间存在着很大的晶格失配，导致InGaN/GaN量子阱中存在着很大的压应力。一方面，压应力会产生压电极化电场，引起能带的倾斜，使电子和空穴波函数的交叠减少，量子阱的局域限制效果较差，造成内量子效率的下降，大电流注入下发生光效下降(efficiency droop)的效应；另一方面，压应力会影响量子阱中In的有效合并，使其难以形成晶体质量良好的高In组份的量子阱，从而使得长波长绿光LED的效率低于蓝光LED，所以InGaN量子阱中应力的调制成为提高发光效率的关键因素之一。因此采用特殊的外延结构解决现有技术所制备的外延片由于应力的存在导致内部量子效率不高，大电流下容易发生光效下降等不足，以满足当前LED行业形势发展的基本要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法，使阱的局域限制效果更好，电子与空穴复合机率变大，提高发光效率与高稳定温度特性及抑制大电流注入下发生光效下降(efficiency droop)的效应。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种GaN基发光二极管外延结构，其中包括依次层叠的衬底层、氮化镓低温缓冲层、未掺杂的高温氮化镓层、n型氮化镓层、n型铝铟镓氮层、复合多量子阱层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层，其特征在于复合多量子阱层从下向上依次包括第一势垒层、超晶格应力调制层、第二势垒层、高温浅量子阱层与低温发光量子阱层。第一势垒层与第二势垒层为n型氮化镓层或铟镓氮层；超晶格应力调制层包括多组按顺序循环生长的势垒层和势阱层；高温浅量子阱层包括一组或多组按顺序循环生长的高温浅量子势垒层和势阱层；低温发光量子阱层包括一组或多组按顺序循环生长的预覆盖层、低温阱层、生长停顿层、覆盖层及低温势垒层。其特征在于在InGaN低温势垒层的表面生长预覆盖层，充当低温阱层晶籽的InN层，促进类量子点结构InGaN低温阱层的形成，生长停顿层控制InGaN低温阱层类量子点的尺寸与密度，同时改善均匀性及长晶品质，覆盖层对低温阱层在温度升高时的保护。

进一步地，上述超晶格结构的阱层In的掺杂量介于低温发光量子阱层的有效垒层与高温浅量子阱层的阱层之间，低温发光量子阱层的预覆盖层In的掺杂量介于高温浅量子阱层的阱层与低温发光量子阱层的有效阱层之间，并且有低温发光量子阱层有效阱层In的掺杂量大于高温浅量子阱层的阱层，高温浅量子阱层的阱层In的掺杂量大于低温发光量子阱层的有效垒层。

进一步地，上述充当低温阱层晶籽的InN预覆盖层厚度为1至30nm，类量子点结构InGaN低温阱层的厚度为2nm至20nm，GaN覆盖层的厚度为1nm至10nm，InGaN低温势垒层的厚度为5nm至20nm。

进一步地，上述生长停顿层为升高生长温度10至50℃或者通入500至3000sccm的H2或者纯氮气氛围控制低温阱层类量子点的尺寸与密度，同时改善均匀性及长晶品质。

同时，本发明还提供一种GaN基发光二极管外延全结构的MOCVD制备方法，包括依次层叠的衬底层、氮化镓低温缓冲层、未掺杂的高温氮化镓层、n型氮化镓层、n型铝铟镓氮层、复合多量子阱层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层，其特征在于复合多量子阱层从下向上依次包括第一势垒层、超晶格应力调制层、第二势垒层、高温浅量子阱层与低温发光量子阱层。

进一步地，上述第一势垒层与第二势垒层为n型氮化镓层或铟镓氮层，厚度在5nm至200nm之间，生长温度在750℃至950℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间。

进一步地，上述超晶格应力调制层为包括2至200个周期的InxGa1-xN/GaN(0＜x＜0.5)超晶格结构，阱InxGa1-xN的厚度在1nm至15nm之间，垒GaN的厚度在1nm至20nm之间，其中阱和垒的生长温度在750℃至950℃之间；生长压力在100Torr至500Torr之间。