一种led外延结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种LED外延结构，自下而上依次包括：衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、n型GaN层、有源层、p型GaN层以及p型接触层；所述有源层具有由至少两对MQW发光层组成，所述MQW发光层包括由AlGaN/n-GaN交替堆叠组成的超晶格量子垒层及由InGaN构成的量子阱层。本实用新型的有益效果主要体现在：可有效提高MQW晶格质量，大幅增加有源层中每个量子阱的电子或空穴的俘获几率，有效降低器件Droop负效应影响，提高LED器件的内量子效率的目的，可很好的应用在高功率器件中，并保持器件的高光效值。
【专利说明】—种LED外延结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种可应用于高功率的器件上，且能保持器件高光效值的LED外延结构。
【背景技术】
[0002]目前，商业化LED外延片垒晶多采用MOCVD方式制成。由于GaN材料具有宽带隙，高电子迁移率，高热导率，高硬度，高稳定的化学性质，较小的介电常数和耐高温等一系列优点，故其在商业化高亮度发光二极管及半导体激光器中有着广泛的实际应用价值和巨大的市场潜力。现有的被广泛应用于实际生产中的GaN基LED外延结构一般包括:低温GaN缓冲层，高温GaN缓冲层，η型掺杂GaN层，MQff有源层，ρ型AlGaN电子阻挡层，ρ型掺杂GaN层，P型GaN接触层构成。其中，MQW有源层为GaN基LED外延层中的发光层，其晶格质量的好坏和结构设计差异直接决定了该外延层的光电特性。
[0003]随着LED在背光及照明市场渗透率的逐年上升，中高功率器件的应用需求明显增高。传统的LED外延结构中，通常采用InGaN/GaN(量子阱/量子垒)的MQW有源发光层结构，InGaN/GaN基阱垒结构，当注入的电流密度较大时，LED的量子效率随注入电流密度增大而下降的现象被称为Droop效应。Droop效应的好坏直接决定LED外延器件在中高功率器件端的应用范围及普及程度，外延器件随着注入电流密度增大而量子效率下跌的速率越慢，其在中高功率器件的应用范围越宽，市场潜力就越大；反之，其在中高功率器件的应用范围就会越窄，甚至失去未来的市场价值。
[0004]目前LED业界对Droop效应的研究结果表明，引起Droop效应的主因是由于电子在阱中分布的不平衡，造成阱中局部区域因填充了势能越来越高的电子而溢出阱外，使量子阱内量子效率降低，且器件的工作电流密度越高，电子溢出现象越明显，Droop效应越显著，而电子溢出的本质原因便是载流子在阱中分布不均衡。
[0005]为了进一步提高LED器件在中高功率照明芯片上的普及应用，人们提出了很多降低Droop效应的技术方案及方法。例如，通过不断优化P型电子阻挡层，利用不同的Superlattice结构，阻挡电子的溢流，降低量子讲的Droop效应。例如专利号为CN101027792的技术方案中，提出的P型AlInN电子阻挡层，虽然能有效阻挡电子向P型GaN层区溢流，但仍没有有效降低器件在大电流密度下的Droop效应，提升内量子效率。再如专利申请号为201110082284.X的技术方案中，公开了一种采用AlInN量子垒抑制电子溢流，提高GaN基LED内量子效率的LED结构及其制备方法，在通用的InGaN/GaN阱垒基础上进行改进，在每个量子阱两侧或者一侧分别加入比GaN垒带隙宽度更大的AlInN材料，以提高有效势垒高度，从而有效抑制量子阱内载流子的溢出，达到提高载流子的注入效率及器件内量子效率的目的。采用该方法制备的LED外延结构器件，虽能有效降低Droop效应，但由于其在每个量子阱对内都引入高势垒层，会导致其在高电流下，其正向电压也较高，降低光效。实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于解决上述的技术问题，提供一种有效降低器件Droop负效应影响的LED外延结构。
[0007]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现:
[0008]—种LED外延结构，自下而上依次包括:衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、η型GaN层、有源层、P型GaN层以及ρ型接触层；所述有源层具有由至少两对MQW发光层组成，所述MQW发光层包括由AlGaN/n-GaN交替堆叠组成的超晶格量子垒层及由InGaN构成的量子阱层，所述AlGaN/n-GaN超晶格量子垒层对中Al组分值呈线性平稳上升再线性平稳下降趋势，η型杂质浓度值呈线性平稳上升再线性平稳下降趋势。
[0009]优选地，所述有源层中自第I对MQW发光层到第对MQW发光层时，所述Al组
分值及η型杂质浓度值的变化趋势呈线性递增趋势；自第对MQW发光层到第N对MQW
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发光层时，所述Al组分值及η型杂质浓度值的变化趋势呈线性递减趋势，其中N代表MQW发光层的总对数，所述发光层总对数为3-40对。
[0010]优选地，所述超晶格量子垒层中AlGaN/n-GaN交替堆叠的对数大于I且小于等于100。
[0011]优选地，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、锗、氮化镓、氮化铝镓或氮化铝。
[0012]优选地，所述超晶格量子垒层中n-GaN层的η型掺杂杂质为Si元素；所述P型GaN层中P型掺杂杂质为Mg元素。
[0013]优选地，每对所述MQW发光层中AlGaN层Al组分变化范围为0%_40%，n-GaN层η型杂质浓度变化范围为5 X IO16CnT3-1X 1019cm_3。
[0014]优选地，每对所述MQW发光层中的AlGaN层厚度变化范围为0.1nm至40nm，所述n-GaN层厚度变化化范围为0.3nm至120nm。
[0015]优选地，每对所述MQW发光层中的AlGaN与相应的n-GaN层的厚度比例为1:5-1:1之间。
[0016]优选地，所述LED外延结构可应用于高功率发光器件。
[0017]本实用新型的有益效果主要体现在:可有效提高MQW晶格质量，大幅增加有源层中每个量子阱的电子或空穴的俘获几率，有效降低器件Droop负效应影响，提高LED器件的内量子效率的目的，可很好的应用在高功率器件中，并保持器件的高光效值。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明:
[0019]图1:常规的LED外延结构示意图。
[0020]图2:本实用新型的LED外延结构示意图。
[0021]图3:传统的LED结构，具有重复周期的MQW结构势能变化示意图。
[0022]图4:本实施例1的LED结构，优化后的具有量子鱼超晶格结构势能变化不意图。
[0023]图5:本实施例2的LED结构，优化后的具有量子鱼超晶格结构势能变化不意图。【具体实施方式】
[0024]本实用新型揭示了一种LED外延结构，其外延结构内具有指数性的渐变关系的超晶格量子垒层结构，与上下层InGaN量子阱结构层能实现很好的衔接，不会因过多的结构突变导致螺位错产生，也能很好地降低结构缺陷密度，降低俄歇等非辐射复合几率，大大提高了内量子效率，通过调节各个超晶格量子垒对的Al组分的构成比例，有效控制了 MQW垒的势垒高度梯度的变化趋势，有效抑制了量子阱内的载流子溢出及器件在不同电流密度下PN结空泛区的结位移，有效降低了器件Droop效应影响，位错缺陷密度小，光电性能佳，发光功率较高，应用于在高功率器件上优势尤为明显。
[0025]实施例1:
[0026]常规的LED外延结构如图1所示，本实施例的结构如图2所示，具体是在蓝宝石衬底上采用MOCVD方法生长依次生长GaN成核层、GaN缓冲层，η型GaN层，具有15对重复周期的MQW发光层，以及ρ型GaN层及ρ型接触层。其中每对MQW发光层中AlGaN/n-GaN超晶格量子垒层对数为5对，5对超晶格量子垒层拥有相同的Al组分含量及相同η型掺杂浓度值，15对具有超晶格量子垒的MQW发光层总厚度为225nm，其中量子阱层总厚度为45nm，超晶格量子垒层总厚度180nm，每对AlGaN/n-GaN超晶格量子垒层总厚度为12nm，AlGaN层与n-GaN层厚度比例维持1:3，即每对AlGaN层总厚度为3nm，每对η-GaN层总厚度为9nm。
[0027]其次，设置第I对AlGaN/n-GaN超晶格量子垒层中，Al组分含量为10%，η型GaN层中η型杂质浓度为5Χ 1016cm_3，设置第8对AlGaN/n-GaN超晶格量子垒层中，Al组分含量为40%，η型GaN层中η型杂质浓度为2Χ 1018cnT3。
[0028]按照第I对MQW发光层到第
【权利要求】
1.一种LED外延结构，自下而上依次包括:衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、η型GaN层、有源层、P型GaN层以及P型接触层；其特征在于:所述有源层具有由至少两对MQW发光层组成，所述MQW发光层包括由AlGaN/n-GaN交替堆叠组成的超晶格量子垒层及由InGaN构成的量子阱层。
2.如权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述发光层总对数为3-40对。
3.如权利要求2所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述超晶格量子垒层中AlGaN/n-GaN交替堆叠的对数大于I且小于等于100。
4.如权利要求3所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、锗、氮化镓、氮化铝镓或氮化铝。
5.如权利要求4所述的一种LED外延结构，其特征在于:每对所述MQW发光层中的AlGaN层厚度变化范围为0.1nm至40nm，所述η-GaN层厚度变化化范围为0.3nm至120nm。
6.如权利要求5所述的一种LED外延结构，其特征在于:每对所述MQW发光层中的AlGaN与相应的n-GaN层的厚度比例为1:5-1:1之间。
【文档编号】H01L33/32GK203617330SQ201320797641
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】南琦, 吴岳 申请人:苏州新纳晶光电有限公司