[发明专利]一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构

说明书

本发明公开了一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱，特征是：在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑，且该种V坑的尺寸大小相同。本发明可实现V坑增强空穴注入功能的最优化，改善空穴与电子的匹配度，从而提高LED的发光效率。

技术领域

本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。

背景技术

铝铟镓氮（AlInGaN）基发光二极管（LED）具有广泛的用途，可应用于仪器工作指示、交通信号灯、大屏幕显示和通用照明等市场。然而，尽管已经取得了长足进步，AlInGaN基LED仍存在许多问题，这阻碍了其进一步的推广应用。AlInGaN基LED结构的多量子阱中的空穴浓度与电子浓度不匹配便是其中最主要的问题之一：1、由于Mg在GaN中的激活效率很低，难以获得高空穴浓度的P型GaN，从而导致注入到量子阱中的空穴浓度低于电子，过剩的电子累积下来就会很容易溢出量子阱，造成效率损失；2、相比电子，空穴的迁移率小很多，因此空穴通常堆积在靠近P层的量子阱中，易使得俄歇复合成为主导复合机制。俄歇复合作为一种非辐射复合，其速率与载流子浓度的立方成正比；随着载流子浓度的增大，俄歇复合会逐渐占据主导地位，造成LED效率下降。在大的电流密度下，量子阱中的电子浓度往往高于空穴浓度数倍，空穴与电子的不匹配程度更高，电子溢出更严重，而且靠近P层的量子阱中俄歇复合机制成为主导复合机制，从而使得LED的发光效率明显下降。这种随电流密度增大，LED的内量子效率（IQE）急剧降低的现象被称为IQE骤降效应。

为提高空穴与电子的匹配度，可在材料生长中引入V坑。众所周知，由于采用异质外延，AlInGaN材料与衬底材料之间在晶格常数和热膨胀系数上存在较大差异，因此在生长多量子阱时会产生大量的位错。位错是非辐射复合中心，将成为载流子“杀手”，降低LED的发光效率。然而，通过控制阱前准备层的生长工艺，位错在穿透多量子阱的过程中，会诱导产生一种V型缺陷。这种V型缺陷实际上是围绕在位错四周的锥型坑，简称为V坑，其结构如图1所示，呈倒六角金字塔状。图2为带有V坑的LED外延结构的剖面示意图。如图2所示，Ｖ坑4在阱前准备层5中形核于位错11之上，并随着阱前准备层5生长厚度的增加而长大。随后生长的多量子阱12会在Ｖ坑4侧壁的半极性面上生长，形成Ｖ坑侧壁量子阱7和V坑侧壁量子垒8，Ｖ坑4也逐渐长大。最后通过在中空的V坑4中填入p型层10，从而获得表面平整的LED外延结构。有研究结果表明，V坑4可有效屏蔽位错11，减少载流子在位错11上的非辐射复合几率；另外，V坑4也有增强空穴注入的作用。这种空穴注入的增强包括两个方面：1）提高了空穴由P层注入到多量子阱的注入效率，即提高了空穴注入多量子阱的数目；2）改善了空穴在各量子阱中的浓度均匀性，即各量子阱中的空穴浓度差异减小。以上两个方面均提高了空穴与电子的匹配度，减少了电子溢出和俄歇复合几率。因此，通过控制V坑的生长，可显著提高LED的发光效率。然而，在生长过程中产生的V坑是由位错诱导产生的，所以每个V坑都围绕着位错而长大，其空间位置由位错决定，基本是随机分布的。这种随机分布虽不影响V坑屏蔽位错的功能，但却无法使得V坑增强空穴注入的功能最优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在消除位错影响的情况下将V坑增强空穴注入的功能最优化、以期进一步改善空穴与电子的匹配度、提高LED的发光效率的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱，特征是：在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑。

所述V坑的形成起始位置为衬底或N型层。