[发明专利]一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够应用于半导体发光二极管，特别是氮化镓基蓝绿光发光二极管，能有效提高其多量子阱发光效率的一种新方法。

背景技术

以氮化镓（GaN）为代表的                                                族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子漂移饱和速度高、热导率好，能够抗辐射、耐高温以及很好的化学稳定性和物理稳定性。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV铟氮(InN)到3.4eVGaN连续可调，这样它的发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的蓝绿光发光二极管（LED）具有高效、环保、节能、使用寿命长、易于维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。

InGaN/GaN多量子阱能够加强对载流子的限制作用，提高其辐射复合效率，另外量子阱中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。InGaN/GaN多量子阱结构的另外一个特征是：GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，使得材料沿着c轴方向存在着很强的自发极化效应，形成自发极化场；由于InGaN和GaN材料之间的失配所引起的应力，也会引起压电极化效应，形成压电极化场。极化场的存在会使量子阱能带发生倾斜，使得阱区的电子和空穴限制在量子阱的两端，一方面会使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移，另一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合的几率，引起很强的量子限制斯塔克效应（Quantum Confined Stark Effect）。

影响多量子阱发光效率的另外一个方面是：N区注入的电子有很大的载流子迁移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射复合，使得发光效率的下降，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都很低，这样就造成了在远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴的分布很不均匀，造成辐射复合几率的下降。

目前商业化的GaN基LED在（0001）面的蓝宝石衬底上外延生长，材料的生长方向和极化方向完全重合，无法避免量子限制斯塔克效应的影响，以及电子和空穴在阱区分布不均匀的问题都会影响InGaN/GaN多量子阱辐射复合效率的提高。

针对以上问题，国内外已经做了很多的研究，并提出了一些生长的方法。比如在半极性或者非极性的蓝宝石衬底上生长GaN材料，减小或者避免极化场的影响，但是其晶体质量还较低，其内量子效率以及成本相对传统商业化的极性面生长的LED而言，并没有优势。还有就是选用四元合金铟铝镓氮（InAlGaN）作为垒层，但是InN和GaN结合能的巨大差异，使得生长高质量的InAlGaN比较困难。还有人使用InGaN或者光子晶体作为下埋层或者采用InGaN/GaN短周期超晶格以及使用渐变InGaN来来缓释应力。对于电子浓度的分布优化，主要是使用了电子扩散层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿（charge asymmetric resonance tunneling）结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度减小的最后一层垒等方法。

上述方法都在一定程度上提高了量子阱的辐射符合效率，但是效果有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术制作的GaN基发光二极管中存在的巨大内建电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题，提供一种基于GaN的多量子阱结构蓝绿光发光二极管的制作方法。

本发明的技术方案为：一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，该二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底，低温缓冲层，高温缓冲层，复合N型层，复合多量子阱发光层，复合P型层。其特征在于多量子阱层的特殊生长工艺。本发明中，多量子阱为复合结构。多量子阱为In_aGa_1-aN(0 ＜a＜ 1)/GaN渐变多量子阱组成。其中In的组份a是逐渐增加的，多量子阱为同周期的In_bGa_1-bN(a ＜b＜ 1)/GaN。多量子阱结构MQW 8中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在12nm到30nm之间；发光层多量子阱结构MQW 9中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在10nm到15nm之间且厚度小于MQW中垒的厚度。