[发明专利]一种LED外延结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种LED外延结构及其制备方法。

背景技术

GaN基LED作为新型的节能光源，有望为全球多达15亿的人口送去光明，但它要想全面替代普通照明，真正的走进千家万户，还需要进一步降低成本，提高发光强度及发光效率。这些都需要以新型的高性能GaN基LED外延结构研发为基础，因而开展GaN基新型LED外延结构研究具有重要意义。

目前，商用GaN基LED外延层多为二维的多层膜结构，主要包括未掺杂层、Si掺杂的n型层、InGaN/GaN多量子阱有源层及Mg掺杂的p型层。近年来随着对大功率、高亮度及长寿命LED器件需求的日益加大，上述结构暴露出以下几个问题：

第一、较高的位错密度。由于与商用蓝宝石衬底具有较大的晶格失配度与热膨胀系数，生长的GaN材料中存在大量位错，其密度一般在10⁸-10⁹cm^-2之间。位错对载流子的散射作用大大减小了电流在有源层中的分布，是LED结构中的主要电流泄露源，而且位错在有源层中非常容易形成非辐射复合中心，这些都严重影响了LED的发光效率。

第二、量子限制斯塔克效应。由于GaN材料的纤锌矿结构特点及晶格失配与热失配引起的应力场作用，有源层内存在很强的极化电场，使得能带倾斜、势阱变深、电子和空穴的波函数空间分离，导致载流子复合几率减小，LED结构的内量子效率降低，发射光谱红移。

第三，效率骤降。由于俄歇复合效应、有源层内的极化电场及载流子泄漏、空穴注入不均匀、与缺陷有关的载流子隧穿和富In区的载流子去局域化等诸多原因，LED结构的发光效率会随着注入电流密度的增大而迅速降低。

第四，全反射损失。由于蓝宝石衬底、GaN外延层以及空气间存在较大的折射率差，在有源层内发出的光线射到以上两种物质的界面时，会发生全反射现象，因而只有少部分光可以发射出来，导致LED的出光效率很低。

第五，需要通过荧光粉来合成白光。白光LED目前主要是以GaN外延层中产生的蓝光激发发射黄光荧光粉而产生，其转化效率较低，显色指数较差。

为此，中国专利文献CN102842659A公开了一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法，其包括如下步骤：在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层高温退火后，形成凸凹不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凸凹不平表面的LED有源层及表面层结构。与侧向外延技术或图形化衬底外延技术类似，上述结构可以降低位错密度，从而提高半导体发光器件的发光效率及光提取效率，但其首先采用了成本更高的图形化衬底，更重要的是器件发光波长控制性相对较差，其发光峰的半高宽较大，难于实现LED的白光发射。

发明内容

为此，本发明所要解决的是现有LED外延结构制备成本高、难于实现白光发射的问题，从而提供一种制备成本低、且能够实现白光发射的LED外延结构及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种LED外延结构，包括衬底，依次层叠形成在所述衬底上的GaN成核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、双异质结层以及P型GaN层；还包括设置在所述N型GaN层与所述双异质结层之间的SiN_x层。

所述SiN_x层的厚度为10nm～20nm；且所述SiN_x层形成有若干贯通的纳米孔洞。

所述双异质结层包括层叠设置的第一GaN层、InGaN层以及第二GaN层；所述第一GaN层，包括具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(11-22)半极性面和/或(11-21)半极性面和/或(10-12)半极性面和/或(10-11)半极性面和/或(11-23)半极性面。

所述InGaN层包括具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(11-22)半极性面和/或(11-21)半极性面和/或(10-12)半极性面和/或(10-11)半极性面和/或(11-23)半极性面。

所述第二GaN层靠近所述P型GaN层设置，且所述第二GaN层包括具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(11-22)半极性面和/或(11-21)半极性面和/或(10-12)半极性面和/或(10-11)半极性面和/或(11-23)半极性面。