[发明专利]低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料及制法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓基发光二极管用外延材料及制备方法，特别涉及一种采用量子阱调制技术来减弱极化效应的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料及制法。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外延技术的突破，在上个世纪九十年代期间有快速的发展。在不到十年的时间内，GaN已变成全球性研究发展课题，而GaN市场中发光二极管又占了主要份额，目前蓝宝石衬底有C面和A面用于GaN基发光二极管已经产业化.我们目前通常在C面蓝宝石衬底上外延GaN基LED，得到的是c面GaN，III-V族氮化物材料的空间结构不具有空间中心反演对称，并且V族元素的原子和N原子的电负性相差很大，因此沿GaN的<0001>方向具有很强的极性.这一极化效应将产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离，这样导致发光波长红移，更严重的后果是电子和空穴波函数交叠变少，材料的发光效率大大降低。

目前，国际上GaN基蓝光LED的内量子效率最高才达到30％，一般仅到20％.而对于无极化效应的GaAs系LED，其最高内量子效率可以达到100％，常规产品的内量子效率也可以达到70％左右。因此，研究生长非极性面的GaN，消除电子、空穴的空间分离，对于提高发光二极管的发光效率，提供了重要途径。

GaN晶体质量差，位错密度高达10⁸-10¹⁰/cm^-2，极化效应强，严重的制约了发光二极管的发光效率。实验表明量子阱中掺In会有效的提高发光效率，当前主流理论认为In组分的存在导致局域化效应，因此提高了量子阱的发光效率。但由于极化效应存在，使局域化效应对提高发光效率的作用被很大程度抵消.分析表明，无极化效应的GaN基LED材料可以大幅度提高量子阱发光效率，从根本上解决GaN基LED高效率的问题。

生长无极化效应的GaN基量子阱目前有两种方案：一种是选取非极性面衬底上生长出无极化效应的材料；另一种是生长AlInGaN四元合金材料，选取合适的组分配比，抵消掉极化效应。第一种方案有两个方向，一是在γ-LiAlO2的(001)衬底上利用MBE技术生长(1-100)M面GaN，其主要困难是γ-LiAlO2的热稳定性差，并且生长的GaN材料背底掺杂浓度高；二是在蓝宝石的r面衬底上生长a面非极性GaN材料，其主要困难是a面GaN外延材料表现出严重的不对称性，外延材料难以实现二维层状生长。第二种方案的困难在于很难生长出将极化效应完全抵消的材料。

发明内容

本发明目的在于针对以上问题而提供一种低极化效应的GaN基发光二极管外延材料及其制备方法，即采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工程，使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实际降低量子阱有源区的极化效应，实现了量子阱有源区的低极化效应，增大了电子或空穴波函数的交叠，并且由于调控量子阱区的电子隧穿进入有源区量子阱，提高了电子浓度，进一步提高了发光二极管的内量子发光效率；解决常规GaN基LED量子阱有源区由于强极化效应产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离而导致发光波长红移，更严重的后果是电子或空穴波函数交叠变少，材料发光效率低的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的低极化效应的GaN发光二极管用外延材料的制备方法，其特征在于，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高的量子阱发光效率；

同时，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高GaN基LED用外延材料的发光强度；

所述的具有较低能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；

所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；

所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm～100nm之间。

所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为1E13C/cm²至5E14C/cm²的量子阱；