[发明专利]具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。

背景技术

发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV氮化铟（InN）到3.4eV氮化镓（GaN）连续可调，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发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。

用于氮化镓基LED外延生长的商品化衬底主要有两种，即蓝宝石（Al₂O₃）衬底和碳化硅（SiC）衬底，因为SiC的价格昂贵，故全球80%的LED企业采用Al₂O₃衬底。然而Al₂O₃与GaN的晶格失配大并且热膨胀系数差异也较大，因此在外延生长过程中，往往引入了大量的晶格缺陷，如常见的线性位错、V型位错等。这些位错往往会沿着晶格通过多量子阱区域延伸到外延片的表面，形成穿透位错。实验证明大量V型位错的存在造成氮化镓基LED的漏电和抗静电等电性参数较差，限制了其进一步进入高端应用市场。研究发现，在N型GaN层中插入N型AlGaN层可以显著减少外延片中位错。此外，N型AlGaN层还具有增强电子在N型GaN层中横向运动的作用，从而有助于载流子注入效率的提高，因此这种外延结构已被广泛使用。

目前N型GaN层与N型AlGaN插入层之间Al组分是突变结构，即切换到生长N型AlGaN时，直接通入定量的Al组分且保持不变。虽然N型AlGaN层与N型GaN层异质界面上由大的极化差会诱导产生高浓度的二维电子气，促进电子的横向运动，但是二维电子气对载流子的纵向限制作用也增强，使得电子聚集于异质界面处，从而导致迁移至量子阱区域的电子数量减少，所以说二维电子气结构是一把双刃剑。因此，N型AlGaN插入层结构的设计对氮化镓基LED的内量子效率和发光效率有很重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。本发明通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面有效降低量子阱区域的位错密度，另一方面减少因N型AlGaN层的引入而对电子纵向迁移的影响，从而提高氮化镓基LED的发光效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

1、一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。

2、一种根据权利要求1所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，在第一N型GaN层生长结束后，生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，具体包括如下步骤：

A、在所述第一N型GaN层上生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a；

B、所述N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b；

C、所述N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层c；

所述N型AlGaN层a、b和c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量为5%～30%。

3、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入层的生长温度在900～1100℃，生长时间为5～15min，压力为50～500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为10～1000。