[发明专利]绿光LED芯片外延层的结构及生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。

背景技术

氮化镓(GaN)基绿光发光二极管(LED)是目前广泛应用于显示与照明领域的一种半导体固体发光器件，其外延结构的核心部分为InGaN/GaN多量子阱(MQW)区。LED发光效率的高低主要取决于MQW区的结构及质量。因此，优化MQW结构，改善MQW材料质量是获得高亮度绿光LED器件的根本途径。

传统的GaN基绿光LED都是采用简单的InGaN/GaN MQW结构作为有源区，其特点是采用GaN材料作为势垒层限制载流子。该结构简单，易于材料制备，但是对电子和空穴的限制没有区分，因此，存在空穴注入效率低和电子泄露多的问题，导致绿光LED器件在大电流下发光效率显著降低，即发生droop效应。另外，由于绿光LED量子阱的势阱深，阱中In的含量高，导致InGaN阱与GaN垒层间存在较大的晶格失配。由于失配应变的增大，InGaN阱层内将出现较强的压电极化效应，引起量子限制斯塔克效应(QCSE)的增强，从而导致材料发光效率的显著降低。此外，较大的晶格失配还极有可能导致在InGaN阱与GaN垒层的界面处发生晶格弛豫，产生大量的失配位错，增大了载流子非辐射复合的几率，从而进一步降低了绿光LED的发光效率。

为此，在提高空穴注入效率，减少电子泄露的情况下，尽量减小量子阱中的QSCE效应，同时减小量子阱和量子垒界面处产生的位错(即非辐射复合中心)数量，将有助于提高绿光LED的发光效率并抑制大电流下的droop效应。

发明内容

本发明提出了一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法。其目的在于，通过在MQW区内采用InGaN垒层以及增加阶梯层结构，提高空穴的注入效率，减少电子的泄露，同时减小量子阱中的QCSE效应，实现对绿光LED发光效率的提升和对droop效应的抑制。

本发明提供一种绿光LED芯片外延层的结构，包括：

一衬底；

一GaN缓冲层，其生长在衬底上；

一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；

一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；

一第一阶梯层，其生长在N型GaN层上；

一多量子阱区，其生长在第一阶梯层上；

一第二阶梯层，其生长在多量子阱区上；

一P型GaN层，其生长在第二阶梯层上；

一欧姆接触层，其生长在P型GaN层上。

本发明还提供一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、第一阶梯层、多量子阱区、第二阶梯层、P型GaN层和欧姆接触层，完成生长。

本发明有以下有益效果：

1、本项目采用低In组分的InGaN垒层代替了传统的GaN垒层，不仅减小了量子阱中的QCSE效应，而且减小了势垒高度对空穴的限制作用，使得空穴更容易越过势垒进入后面的量子阱中。从而提高了空穴的注入效率，减少了电子的泄露，可以获得较高的发光效率，并且对droop效应有一定的抑制作用。

2、本发明中，在MQW区两侧引入的阶梯层结构在N(或P)型GaN层和InGaN垒层间起到了缓冲和过渡的作用，减小了界面处的晶格失配度，减少了失配位错的发生，从而有利于实现高质量的材料生长。

3、本发明中，由于在MQW有源区的电子注入侧(即N型GaN与MQW区之间)采用了阶梯型结构，当电子注入MQW区时，可以显著降低电子速度，从而减少了由于弹道发射机制造成的电子的溢出或者泄露，有利于实现对droop效应的抑制。

4、由于同时采用了InGaN垒层和阶梯型的电子注入结构，能够有效地减少电子的泄露，因此，本发明中不再需要使用AlGaN电子阻挡层(EBL)。这种无EBL的结构即避免了EBL层对空穴输运的阻碍，同时又避免了AlGaN层的高温生长工艺对InGaN有源层的破坏，有利于获得高质量的LED发光材料。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明中LED外延层结构示意图。

图2是本发明中LED外延材料制备方法流程图。

图3是本发明实施例中多量子阱有源区的能带示意图。

具体实施方式