一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构制造技术

本发明专利技术公开了一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个材料生长衬底；层叠于所述衬底上的GaN基半导体叠层，该半导体叠层至少包含一层N型AlInGaN基半导体层、一层P型AlInGaN基半导体层和夹于N、P层之间的多量子阱发光有源层；特征是：在多量子阱发光有源层中，第n量子阱前的量子垒或第n‑1量子阱前的量子垒或第n、n‑1量子阱前的量子垒的禁带宽度大于其它量子垒的禁带宽度。本发明专利技术提高了电子注入主要发光阱的势垒，同时也提高了空穴溢出主要发光阱的势垒；可提高主要发光阱中的电子空穴匹配度，减少电子泄露，改善效率骤降效应，从而提高LED的量子效率。

Epitaxial structure of AlInGaN multi base quantum well led

The invention discloses a AlInGaN multiple quantum well light emitting diode epitaxial structure, comprising: a substrate material; GaN based semiconductor stack layer laminated on the substrate, the semiconductor layer comprises at least one layer of N type AlInGaN based semiconductor layer, a layer of P type AlInGaN based on semi conductor layer and clip between N and P multiple quantum well layer light emitting active layer; the utility model is characterized in MQW active layer, forbidden band width of the quantum barrier n quantum well before the quantum barrier or the N quantum barrier quantum well before 1 or N, n 1 quantum well before than others quantum barrier. The invention improves the electron injection barrier of the main light wells, but also improve the main light wells overflow hole barrier; can improve the main light emitting electron hole trap matching, reduce electron leakage, improve the efficiency of sag effect, so as to improve the quantum efficiency of LED.

【技术实现步骤摘要】
一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构
本专利技术涉及半导体照明
，尤其是涉及一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。
技术介绍
随着材料生长和器件工艺水平的不断发展与完善，InGaN/GaN多量子阱发光二极管(LED)的光电性能取得了突破性进展，使其逐渐应用于仪器工作指示、交通信号灯、大屏幕显示、照明等领域。然而，尽管已经取得了长足进步，GaN基LED仍存在许多问题，这阻碍了其进一步的推广应用。随电流密度增大，LED的内量子效率(IQE)急剧降低的现象便是其中最主要的问题之一，该现象被称为IQE骤降效应。关于GaN基LED效率骤降起因的研究很多，主要可归结为以下两种机理：(1俄歇复合。作为一种非辐射复合，其速率与载流子浓度的立方成正比；随着载流子浓度的增大，俄歇复合会逐渐占据主导地位，造成LED效率下降。(2电子泄露。相比空穴，电子迁移率大得多，随着电子浓度增大，量子阱限制效果降低，电子更容易溢出；另外，由于Mg在GaN中的激活效率很低，难以获得高空穴浓度的P型GaN，导致注入到量子阱中的空穴浓度低于电子，过剩的电子累积下来就会很容易溢出量子阱，造成效率损失；在大的电流密度下，电子浓度往往高于空穴浓度数倍，空穴与电子的不匹配程度更高，载流子溢出更严重，因而产生效率骤降。因此，要减少电子泄露，除了要降低电子浓度以外，还应增加空穴浓度，提高空穴与电子的匹配度。由于俄歇复合是材料的内在特性，难以消除，唯一可行的方法是通过加大有源区的体积降低载流子浓度，以减轻俄歇复合。通常是增加阱宽来加大有源区体积，但阱宽增大会导致材料生长质量变差以及In偏析的问题，另外阱宽增大时，由于压电场导致的电子与空穴空间上分离也会加剧，因此该方法效果有限。对于电子泄露，目前一般的做法是在多量子阱之后，P型GaN之前插入一层AlGaN或AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层(如图1所示)。由于AlGaN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，因此在多量子阱之后的导带上会形成电子势垒，可阻挡电子从量子阱泄露至P型GaN。该方法有效的减少了电子泄露，但同时也带来了两个不利因素：(1量子阱对电子的限制增强，电子浓度增加，俄歇复合增加；(2在价带会形成空穴势垒，阻挡了空穴注入到量子阱中，加剧了空穴与电子的不匹配度。另外，为减少电子泄露，有人设计将多量子阱的所有GaN量子垒改为AlInGaN量子垒或是AlGaN/InGaN超晶格量子垒，目的是使得量子垒与量子阱之间尽量晶格匹配，以降低压电场，从而减少电子泄露。然而，这种设计同时要保证量子垒有足够高的势垒高度来限制载流子，这就要求量子垒的设计须在晶格匹配度提高与禁带宽度减小之间寻找最佳点；因此，量子垒的材料往往被设计成高Al且高In的材料，在实际的材料生长过程中，难以保证量子垒材料的质量，无法达到设计的效果。综上可知，有必要设计一种新LED外延结构，可既降低量子阱中电子浓度，同时又提高空穴浓度，从而改善效率骤降效应，有助于GaN基LED的应用推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改善效率骤降效应的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。本专利技术的目的是这样实现的：一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；在该衬底上层叠有AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型AlInGaN半导体层、一层P型AlInGaN半导体层和夹于N型AlInGaN半导体层、P型AlInGaN半导体层之间的AlInGaN多量子阱发光有源层；特征是：在多量子阱发光有源层中，第n量子阱前的量子垒或第n-1量子阱前的量子垒或第n、n-1量子阱前的量子垒的禁带宽度大于其它量子垒的禁带宽度。所述AlInGaN多量子阱发光有源层的量子阱周期个数为n为4到18个。所述外延结构的生长方向是由N型AlInGaN半导体层向P型AlInGaN半导体层方向；靠近N型AlInGaN半导体层的量子阱为第一量子阱，后面的量子阱按顺序依次为第二量子阱、第三量子阱…，直到靠近P型AlInGaN半导体层的量子阱为第n量子阱。所述衬底包括但不限于：Al2O3、SiC、Si或GaN中的一种。所述第n量子阱前的量子垒或第(n-1)量子阱前的量子垒或第n、(n-1)量子阱前的量子垒的材料为AlInGaN基材料，即：AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤0.1，0≤y≤0.3)单层或多层(1到3层)材料，或AlyInxGa1-x-yN/InxGa1-xN超晶格(0≤x≤0.1，0≤y≤0.3；AlInGaN与InGaN中的In组分不必一致)。所述AlInGaN/InGaN超晶格的周期数为2到10个。在本专利技术的外延结构的多量子阱发光有源层中，第n量子阱前的量子垒或第n-1量子阱前的量子垒或第n、n-1量子阱前的量子垒的禁带宽度大于其它量子垒的禁带宽度。这样做的目的是在第n量子阱前或第(n-1)量子阱前或第n、(n-1)量子阱前的量子垒导带和价带上形成载流子势垒。之所以选择第n或(n-1)量子阱，这是由于空穴迁移率远小于电子迁移率，空穴主要集中在靠近P型AlInGaN半导体层的第n和(n-1)量子阱中；因而，LED所发出的光主要产生于这两个量子阱中，即第n和(n-1)量子阱为LED的主要发光阱。在主要发光阱前形成载流子势垒，既提高了电子注入主要发光阱的势垒，同时也提高了空穴从主要发光阱溢出的势垒，可实现：在主要发光阱中的电子浓度降低，同时空穴浓度增加，提高了主要发光阱中的电子空穴匹配度，减少电子泄露，改善效率骤降效应，从而提高LED的量子效率(如图2所示)。本专利技术的外延结构与为晶格匹配而将所有量子垒设计为AlInGaN层或是AlGaN/InGaN超晶格的外延结构有本质区别及优势。首先，减少了生长AlInGaN量子垒的个数，使得底层的多量子阱具有更好的晶体质量，有利于提高顶层量子阱的晶体质量；其次，生长的AlInGaN基材料量子垒的Al及In组分较低，也有利于改善材料的晶体质量；第三，虽然作用都是为了改善LED的效率骤降效应，但背后的物理原理却是不一样的；本专利技术是通过提高主要发光阱前量子垒的禁带宽度来减少电子的注入及空穴的溢出，而将所有量子垒设计为AlInGaN层或是AlGaN/InGaN超晶格的外延结构是通过阱和垒的晶格匹配来降低极化电场。本专利技术提高了电子注入主要发光阱的势垒，同时也提高了空穴溢出主要发光阱的势垒；可提高主要发光阱中的电子空穴匹配度，减少电子泄露，改善效率骤降效应，从而提高LED的量子效率。附图说明图1为一种典型LED外延材料结构的剖面示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型半导体层，4为多量子阱结构(401第一量子阱，402为第一量子垒，403为第n-2量子垒，404为第n-1量子垒，405为第n量子阱，406为第n量子垒)，5为电子阻挡层，6为P型半导体层；图2为图1的LED结构的多量子阱能带示意图；图中，第n量子阱前形成了载流子势垒，既阻挡电子注入到第n量子阱，同时又抑制空穴从第n量子阱中溢出；因此，电子浓度降低，空穴浓度增加，提高了主要发光阱中的电子空穴匹配度；图3为实施例1中的第n-1量子垒的结构示意图；沿生长方向分三层，依次：1为GaN层，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；在该衬底上层叠有AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型AlInGaN半导体层、一层P型AlInGaN半导体层和夹于N型AlInGaN半导体层、P型AlInGaN半导体层之间的AlInGaN多量子阱发光有源层，其特征在于：在多量子阱发光有源层中，第n量子阱前的量子垒或第n‑1量子阱前的量子垒或第n、n‑1量子阱前的量子垒的禁带宽度大于其它量子垒的禁带宽度。

【技术特征摘要】
1.一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；在该衬底上层叠有AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型AlInGaN半导体层、一层P型AlInGaN半导体层和夹于N型AlInGaN半导体层、P型AlInGaN半导体层之间的AlInGaN多量子阱发光有源层，其特征在于：在多量子阱发光有源层中，第n量子阱前的量子垒或第n-1量子阱前的量子垒或第n、n-1量子阱前的量子垒的禁带宽度大于其它量子垒的禁带宽度。2.根据权利要求1所述的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，其特征在于：AlInGaN多量子阱发光有源层的量子阱周期个数n为4到18个。3.根据权利要求2所述的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，其特征在于：除第n量子阱前的量子垒或第n-1量子阱前的量子垒或第n、n-1量子阱前的量子垒外，其他量子垒为GaN或InxGa1-xN(0≤x≤0.1)材料。4.根据权利要求3所述的A...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫春兰，全知觉，江风益，陶喜霞，刘军林，王光绪，
申请(专利权)人：南昌大学，南昌黄绿照明有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36