[发明专利]一种绿光氮化物LED外延片及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，特别是指一种氮化物绿光LED外延片的生产技术领域。

背景技术

GaN基蓝绿光技术实现了LED对于可见光波段的全覆盖，同时由于基于LED的照明技术具有节能、环保、无毒害、无污染、响应速度快、固体光源、抗震、抗冲击、轻薄短小等特点，LED现在已经广泛的渗透进了我们的日常生活如：信号指示和信息显示等领域；液晶显示用背光源、户外及室内等照明领域；以及生物、医疗等特殊领域的辐射照明功用。其中基于平板显示产业以及在各照明领域的巨大市场，LED平面光源已成为其最重要的应用方向之一，对LED背光源市场需求逐渐强劲，已成为LED产业增长性相对突出的应用新领域。

但是LED也有一些限制其发光效率的一些因素，其中一大难题是QSCE效应，它会导致电子与空穴波函数在空间上的分离，导致内量子效率下降。尤其在绿光LED中，其有源区的量子阱InGaN 材料中In组分高达40%，所以在绿光LED有源区中GaN材料与InGaN材料存在着更严重的晶格不匹配现象，因而会产生更严重的计划效应，更严重的极化电场会导致更严重的能带弯曲。这样绿光的内量子效率就会严重下降。另外一大难题是空穴注入不足理论，GaN材料中，电子迁移率比空穴迁移率要高一到两个数量级，而且p-GaN中Mg的激活能高达200meV,其电离率仅有1%左右。因此p-GaN中空穴的浓度很低。而AlGaN阻挡层的存在会在一定程度上进一步阻挡空穴向量子阱中的注入，这些因素都将导致低的空穴注入效率，使得在有源区中电子与空穴的浓度严重不匹配，从而限制了LED的发光效率。怎样解决或改善这两大难题，提高绿光LED的发光效率势在必行。

发明内容

本发明的目的是提出一种增加辐射复合、提高内量子效率的绿光氮化物LED外延片。

本发明包括依次设置在衬底上的低温缓冲层、非故意掺杂的GaN层、N型电子注入层、N型InGaN/GaN插入层、多量子阱有源区、p-AlGaN电子阻挡层、P型空穴注入层和接触层，所述多量子阱有源区包括4至20个量子阱有源区，每个量子阱有源区包括量子垒、量子阱和cap层，其特征在于在每个量子阱有源区的量子垒与量子阱之间设置一层In组分含量较低的In_xGa_(1-x)N材料层，组分x为3%~10%；在最后一个量子阱有源区的cap层上设置量子垒，在所述量子垒与p-AlGaN电子阻挡层之间设置空穴注入层。

本发明由于在量子垒与量子阱之间插入一层低In组分的In_xGa_(1-x)N材料层，这层结构能够缓解QCSE效应带来的电子与空穴波函数分离的现象，使得电子与空穴波函数在空间上重叠几率变高。增加辐射复合，提高内量子效率。本发明还在最后一层量子垒与p-AlGaN电子阻挡层之间设置了空穴注入层，该空穴注入层在低温生长，低温有利于空穴的激发；另外在低In组分的In_xGa_(1-x)N材料层中，Mg的激活能也有所下降，使得Mg的电离率进一步上升。因为空穴注入层具有高空穴浓度，大大提高了空穴注入效率，使得绿光氮化物LED外延片的内量子效率大大提高。

本发明上述在量子垒与p-AlGaN电子阻挡层的空穴注入层可以为一层p型InGaN 材料，也可以为成对的p型InGaN/GaN超晶格材料。

本发明另一目的是提出具有增加辐射复合、提高内量子效率的绿光氮化物LED外延片的生长方法。

本发明方法包括：在衬底上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂的GaN层、N型电子注入层、N型InGaN/GaN插入层和由4至20个量子阱有源区组成的多量子阱有源区，每个量子阱有源区依次包括量子垒、量子阱和cap层；在p-AlGaN电子阻挡层上依次生长P型空穴注入层和接触层；其特征在于在生长多量子阱有源区时于在每个量子阱有源区的量子垒与量子阱之间生长一层In组分含量较低的InGaN材料层；在最后一个量子阱有源区的cap层上生长量子垒，在所述量子垒上生长空穴注入层，在空穴注入层上生长p-AlGaN电子阻挡层。

在各量子垒的生长时，采用三甲基镓作为Ga源与NH₃进行生长，生长的温度条件为800～1000℃、压力条件为290～420mbar，并采用SiH₄为Si源，对量子垒进行n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；生长的量子垒的厚度为8～18nm。