[发明专利]一种GaN基发光二极管外延结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种GaN基发光二极管外延结构。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。其中，以GaN(氮化镓)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，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。

目前，GaN基LED发光器件主要采用P-N结结构，并且在P型半导体和N型半导体之间设有多量子阱结构，量子阱是通过在两种不同的半导体层之间插入薄半导体层而形成的一种结构，该薄半导体层具有比那两种半导体层小得多的能量带隙。现在普遍应用的GaN基发光二极管结构为：在N型掺杂的GaN层上生长N型掺杂的AlGaN层，随后生长InGaN/GaN多量子阱，然后再生长P型掺杂的AlGaN层和P型掺杂的GaN层，在生长InGaN/GaN多量子阱时，GaN势垒层上掺Si，这样可以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使二极管发光增强。InGaN/GaN基阱垒结构LED当注入的电流密度较大时，LED的量子效率随注入电流密度增大而下降,即Droop效应(光效下降现象)。科研人员对此效应的研究已超过10 年，寻求随着电流的增加LED效率下降的原因，研究发现其中一个较为关键的原因在于载流子的泄漏(V.Rozhansky and D.A.Zakheim,Phys.Status Solidi A 204,227(2007)；Xie,N.Xianfeng,Q.Fan,R.Shimada,and H. Appl.Phys.Lett.93,121107(2008))。

目前，GaN基发光二极管所采用的发光层设计存在一些问题，首先，势垒掺Si在量子阱中引入了N型杂质，使得P-N结偏离InGaN/GaN多量子阱区，从而在发光二极管工作于正向偏压时，量子阱区的少数载流子为空穴，空穴在扩散过程中与电子复合发光，但由于空穴的迁移率很低，扩散长度很小，发生辐射复合的电子与空穴数目也相应减少。相反，P型掺杂的GaN层中的少数载流子为电子，其扩散长度很长，这就使复合区域大部分位于P型掺杂的GaN层，而发生在多量子阱中辐射复合减弱；再有，在这种结构中，电子和空穴复合方式主要以直接辐射发光为主，随着载流子注入的增加，发光中心趋于饱和，多余的载流子会通过非辐射复合过程复合，极大限制了以InGaN/GaN多量子阱为有源区的发光二极管发光强度的进一步提高。

为了抑制Droop效应，也就是大电流下的效率降低问题，一般会在InGaN/GaN多量子阱中加入电子阻挡层，如图1所示为现有技术中多量子阱的能带结构示意图。这样，在大电流密度情况下，该电子阻挡层就会阻挡电子从量子阱中泄露，使量子阱中电子和空穴在量子阱中复合，提高电子和空穴辐射复合几率。但是，即便在InGaN/GaN多量子阱中加入电子阻挡层，依然会出现Droop效应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种GaN基发光二极管外延结构，有效解决了载流子溢出量子阱而导致的大电流下光效下降的Droop效应，从而提高LED在大电流下的发光效率。

本发明提供的技术方案如下：

一种GaN基发光二极管外延结构，该GaN基发光二极管外延结 构从下到上依次为：衬底层、晶格失配缓冲层、模板层以及GaN基多层结构，其中，所述GaN基多层结构中包括n型GaN层、p型GaN层以及位于n型层和p型GaN层之间的发光层，还包括两个分别位于所述发光层两侧的势垒层，所述势垒层的导带能量比所述发光层高、价带能量比所述发光层低；

所述GaN基多层结构中还包括空穴阻挡层，所述空穴阻挡层靠近所述n型GaN层一侧设置，且所述空穴阻挡层的导带能量比所述发光层中的量子阱结构高、介带能量比所述发光层中的量子阱结构低。

进一步优选地，所述发光层由AlxInyGa1-x-yN构成，其中的预定成分是In，且0≤x≤1，0≤y≤1。

进一步优选地，所述势垒层由AltInfGa1-t-fN构成，其中，0≤t≤1，0≤f≤1。