高光效的LED外延结构的制作方法

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种高光效的led外延结构。

背景技术：

1、多量子阱有源区是led的核心结构，主流的多量子阱有源区是由ingan势阱层与gan势垒层交替生长组成的周期性结构。由于ingan 势阱层具有较小的宽度和较窄的带隙，会与有源区内的gan势垒层形成量子阱的能带结构，从而使注入有源区的电子和空穴被限制在一个近似二维的空间内，增大电子与空穴波函数的交叠，提高了它们的复合发光效率。然而，随着ingan势阱层中in含量增加，高in组分的ingan势阱层和gan势垒层之间因晶格失配而产生较大的应力；大的失配应力会引起点缺陷甚至ingan的相分离，造成多量子阱有源区的晶体质量下降，内量子效率降低；此外，对于ingan/gan量子阱led来说，ingan量子阱内的压电场高达mv/cm量级，巨大压电场会引起ingan量子阱中的电子与空穴分离，导致电子和空穴的波函数交叠减少，辐射复合速率降低，载流子更倾向于被非辐射复合中心捕获，大大降低了led的发光效率；并且，这种压电场还会造成ingan/gan量子阱垒能带弯曲，阻碍电子和空穴的注入，加重了电子与空穴在量子阱区的不均匀分布，降低ingan量子阱发光效率。常规的做法是通过在n型外延层后插入一层ingan/gan超晶格层模拟有源区的生长模式来提前缓解量子阱垒中的应力与极化电场，然而，随着量子阱中in组分含量的增加，其缓解作用逐渐削弱，并且其会大幅延长外延程序时间，不能够覆盖多种电流密度下的应用；此外，也有部分研究人员采用ingan量子阱与inalgan量子垒，通过极化匹配，降低极化电场，提高辐射复合效率，然而，由于inalgan的生长条件苛刻，很难获得高质量的inalgan层，其生长技术不够成熟，不利于产业化推进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高光效的led外延结构，其发光效率高。

2、为了解决上述问题，本发明公开了一种高光效的led外延结构，包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、本征gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层和欧姆接触层，所述多量子阱层为周期性结构，其周期数为4~16，每个周期的多量子阱层均包括依次层叠的量子阱层和量子垒层；所述量子阱层为ingan层；

3、其中，至少一个量子阱层为三角阱结构，其in组分沿外延结构生长方向呈先递增后递减的变化趋势。

4、作为上述技术方案的改进，所述量子阱层均为三角阱结构。

5、作为上述技术方案的改进，所述量子阱层中in组分占比为0.15~0.45，厚度为2.5nm~5nm。

6、作为上述技术方案的改进，所述量子阱层包括奇数阱层和偶数阱层，所述奇数阱层为位于第奇数个周期的量子阱层，所述偶数阱层为第偶数个周期的量子阱层；

7、所述奇数阱层为三角阱层结构，其厚度为2.5nm~3.5nm，其in组分占比为0.15~0.45；

8、所述偶数阱层的厚度为2.4nm~3.6nm，其in组分占比为0.25~0.35。

9、作为上述技术方案的改进，所述偶数阱层为阶梯阱结构，其包括至少3个子阱层，每个子阱层中in组分维持恒定；

10、沿外延结构生长方向，多个子阱层中in组分呈先递增后递减的变化趋势；

11、其中，所述子阱层的厚度0.5nm~1.2nm，且多个所述子阱层的厚度相同。

12、作为上述技术方案的改进，所述量子垒层为gan层、si掺gan层、bgan层中的一种或多种形成的叠层结构；

13、所述量子垒层的厚度为10nm~15nm。

14、作为上述技术方案的改进，所述量子垒层包括依次层叠的bgan层和si掺gan层；

15、所述bgan层的厚度为5nm~10nm，b组分占比为0.25~0.45；

16、所述si掺gan层的厚度为5nm~10nm，si掺杂浓度为3.5×1017cm-3~7×1017cm-3。

17、作为上述技术方案的改进，所述量子垒层为si掺gan层，其厚度为10nm~15nm，si掺杂浓度为2.5×1017cm-3~8×1017cm-3。

18、作为上述技术方案的改进，所述量子垒层包括奇数垒层和偶数垒层，所述奇数垒层为第奇数个周期的量子垒层，所述偶数垒层为第偶数个周期的量子垒层；

19、所述奇数垒层为包括依次层叠的bgan层和第一si掺gan层；

20、所述bgan层的厚度为5nm~10nm，b组分占比为0.25~0.45；

21、所述第一si掺gan层的厚度为5nm~10nm，si掺杂浓度为3.5×1017cm-3~7×1017cm-3；

22、所述偶数垒层为第二si掺gan层，其厚度为10nm~15nm，si掺杂浓度为2.5×1017cm-3~5×1017cm-3；

23、所述偶数垒层的厚度小于所述奇数垒层的厚度。

24、作为上述技术方案的改进，每个周期的多量子阱层均包括依次层叠的量子阱层、阱后帽层和量子垒层；

25、所述阱后帽层为低温gan层，其厚度为2nm~3.5nm，生长温度为700~760℃。

26、实施本发明，具有如下有益效果：

27、1. 本发明的高光效的led外延结构中，在多量子阱层中引入了至少一个呈三角阱结构的量子阱层，即其in组分沿外延结构生长方向呈先递增后递减的变化趋势。通过这种三角阱结构，可改善量子阱有源区内的极化电场，减小量子阱能带的倾斜度，增加电子与空穴的空间重叠度，提高发光效率。

28、2. 本发明的高光效的led外延结构中，引入了高势垒的bgan层和si掺gan层作为量子垒层，其可提升对量子阱层内电子的阻挡，提高量子阱内电子的储存能力，有效提升量子阱内空穴和电子的复合浓度，进一步提升发光效率。同时降低工作电压。

29、3. 本发明的高光效的led外延结构中，以三角阱结构的量子阱层作为奇数阱层，以阶梯阱结构的量子阱层作为偶数阱层，这种并行的结构可进一步改善量子阱有源区内的极化电场，减小量子阱能带的倾斜度，增加电子与空穴的空间重叠度，提升发光效率。

30、4. 本发明的高光效的led外延结构中，以bgan层和第一si掺gan层的叠层结构作为奇数垒层，以第二si掺gan层作为偶数垒层，这种量子垒层可实现对量子阱层内的电子的分级阻挡，提高量子阱层内电子、空穴的复合浓度。同时较薄的第二si掺gan层能够提高空穴的注入浓度，从而综合提高电子与空穴复合概率，提高发光效率，降低工作电压。

技术特征：

1.一种高光效的led外延结构，包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、本征gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层和欧姆接触层，其特征在于，所述多量子阱层为周期性结构，其周期数为4~16，每个周期的多量子阱层均包括依次层叠的量子阱层和量子垒层；所述量子阱层为ingan层；

2.如权利要求1所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子阱层均为三角阱结构。

3.如权利要求1或2所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子阱层中in组分占比为0.15~0.45，厚度为2.5nm~5nm。

4.如权利要求1所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子阱层包括奇数阱层和偶数阱层，所述奇数阱层为位于第奇数个周期的量子阱层，所述偶数阱层为第偶数个周期的量子阱层；

5.如权利要求4所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述偶数阱层为阶梯阱结构，其包括至少3个子阱层，每个子阱层中in组分维持恒定；

6.如权利要求1、2、4和5任一项所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子垒层的厚度为10nm~15nm。

7.如权利要求1、2、4和5任一项所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子垒层包括依次层叠的bgan层和si掺gan层；

8.如权利要求1、2、4和5任一项所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子垒层为si掺gan层，其厚度为10nm~15nm，si掺杂浓度为2.5×1017cm-3~8×1017cm-3。

9.如权利要求1、2、4和5任一项所述的高光效的led外延结构，其特征在于，所述量子垒层包括奇数垒层和偶数垒层，所述奇数垒层为第奇数个周期的量子垒层，所述偶数垒层为第偶数个周期的量子垒层；

10.如权利要求6所述的高光效的led外延结构，其特征在于，每个周期的多量子阱层均包括依次层叠的量子阱层、阱后帽层和量子垒层；

技术总结
本发明公开了一种高光效的LED外延结构，涉及半导体光电器件领域。该LED外延结构包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层和欧姆接触层，所述多量子阱层为周期性结构，其周期数为4~16，每个周期的多量子阱层均包括依次层叠的量子阱层和量子垒层；所述量子阱层为InGaN层；其中，至少一个量子阱层为三角阱结构，其In组分沿外延结构生长方向呈先递增再递减的变化。实施本发明，可提升LED外延结构的光效。

技术研发人员：印从飞,张彩霞,刘春杨,胡加辉,金从龙
受保护的技术使用者：江西兆驰半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15