[发明专利]具有组合阱的多量子阱LED外延结构及其外延制备方法

说明书

一种具有组合阱的多量子阱LED外延结构及其外延制备方法，包括：自上而下依次设置的衬底层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型AlGaN层、n型GaN层、量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层和P型InGaN欧姆接触层，量子阱层由GaN势垒层和组合阱层构成周期性叠加构成，组合阱结构由低In浓度InGaN阱层、高In浓度InGaN阱层以及低In浓度InGaN阱层构成。能够显著阻挡和扩散N型电子的注入，增强量子阱束缚电子的能力，提高空穴和电子注入在有源区效率和辐射复合效率，调整极化电荷消除内建的极化电场，有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，从本质上提高晶体质量和内量子效率，提高器件性能。

技术领域

本发明涉及光电子领域，具体涉及一种具有组合阱的多量子阱LED外延结构及其外延制备方法。

背景技术

二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。

半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。

通常，LED包含N型衬底、形成于该衬底上的N型外延区以及形成于N型外延区上的量子阱区、P型外延区。由于GaN在高温生长时氮的离解压很高，很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，目前大部分GaN外延器件还只能在其他衬底上（如蓝宝石衬底）进行异质外延生长。

量子阱区是制造GaN基LED器件必不可少的重要环节，LED外延片要提高发光效率，最根本的办法就是要增强外延结构的内量子效率。目前国内MOCVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30%左右，还有较大的发展提高空间，而有源层MQW的生长对内量子效应的提高尤为重要。

业内目前一般采用GaN/InGaN材料交替生长有源层。在注入电流后，N型GaN层中的电子因为其高迁移率，会很容易穿过发光层（有源层量子阱），迁移至有源层之上的P型GaN层中，与空穴形成无效辐射复合，这样无形之中降低了内量子效率，并且由于GaN基材料固有的极化效应，产生的极化电场导致多量子阱中产生弯曲，导致在P型一侧较低，N型一侧抬高，从而多量子阱的边带由长方形变成了三角形，导带的基带能量降低，价带的基带能量升高，使两者之间的间隙宽度变窄，导致发光波长红移，从而进一步影响了发光效率。

因此，有必要提供一种GaN基LED外延片的新有源层制作方法，以进一步提高内量子效率。

对于提高内量子效应，国内外有一些专利文献。中国专利文献CN104157746A公开的《新型量子阱势垒层的LED外延生长方法及外延层》，是在传统的有源层GaN势垒层中插入生长一个AlGaN薄层。但是该方法较高的势垒不仅限制了电子的注入，同时限制了空穴的注入。

CN104201262A公开的《一种InGaN/AlGaN-GaN基多量子阱结构及其制备方法》，以固定In组分的InGaN作为阱层，采用不同的AlGaN-GaN作为垒层，包含Al组分固定的AlGaN垒层、Al组分沿生长方向连续减少的AlGaN垒层和GaN垒层，缓解减小垒和阱界面处的应力，缓解能带的弯曲，但是效果不明显。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种有效将电子束缚在阱中，使得量子阱和量子垒之间的晶格匹配度增加，减少内部应力，缓解能带的弯曲，提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率的具有组合阱的多量子阱LED外延结构及其外延制备方法。