本實用新型涉及發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有微PN結(jié)量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（簡稱“LED”）是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的導(dǎo)帶電子和價帶空穴發(fā)生輻射復(fù)合，是以光子形式釋放能量而直接發(fā)光的。通過設(shè)計不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度，發(fā)光二極管可以發(fā)射從紅外到紫外不同波段的光。

氮化物發(fā)光二極管以其具有高效、節(jié)能、長壽命以及體積小等優(yōu)點在世界范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展。發(fā)光波長在210~365nm的紫外發(fā)光二極管，因其調(diào)制頻率高、體積小、無汞環(huán)保以及高殺菌潛力等優(yōu)點，在殺菌消毒、生物醫(yī)藥、照明、存儲和通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景；發(fā)光波長在440~470nm的藍(lán)光發(fā)光二極管因其能耗低、壽命長以及環(huán)保等優(yōu)點，在照明、亮化以及顯示領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景；發(fā)光波長在500~550nm的綠光發(fā)光二極管，在亮化和顯示以及RGB三基色照明領(lǐng)域也有非常好的應(yīng)用前景。

目前GaN基LED的內(nèi)量子效率很低，特別是綠光LED的內(nèi)量子效率不到藍(lán)光LED效率的一半，這大大限制了 RGB白光LED在通用照明和可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。導(dǎo)致綠光LED量子效率低的主要原因有InGaN量子阱晶體質(zhì)量差、極化電場等造成的電子-空穴波函數(shù)分離嚴(yán)重等。世界各國科學(xué)家為了提高LED的量子效率投入了大量精力。

中國專利CN201410307318公開了一種采用可調(diào)控能帶量子阱結(jié)構(gòu)及外延片生長方法，其主要技術(shù)方案是采用一個或者多個組分漸變的量子阱勢阱層，實現(xiàn)對量子阱區(qū)域的能帶調(diào)控，提高量子阱有源區(qū)電子-空穴波函數(shù)重疊，提高量子阱區(qū)域的輻射復(fù)合效率，進而提高LED的功率和發(fā)光效率。本方法的缺點是量子阱層與壘層的晶格失配度仍然很大，量子阱層的晶體質(zhì)量較差。缺陷造成的自發(fā)輻射復(fù)合中心仍會明顯降低LED的發(fā)光效率。

中國專利CN201210093564.5公開了一種利用金屬核殼結(jié)構(gòu)的等離子體增強綠光發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的方法。其技術(shù)方案是首先在襯底上生長LED結(jié)構(gòu)，然后生長納米金屬耦合層，之后生長pGaN蓋層和pGaN接觸層，通過金屬離子的等離子體提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。本方法的缺點是需要二次外延，大大提高了成本，另外金屬粒子與量子阱太近，容易造成漏電。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對現(xiàn)有GaN基發(fā)光二極管外延片InGaN阱與GaN晶格失配度大，InGaN量子阱能帶傾斜，電子-空穴波函數(shù)分離嚴(yán)重導(dǎo)致的內(nèi)量子效率低的問題，提出一種具有微PN結(jié)量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。

本實用新型的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實現(xiàn)。

一種具有微PN結(jié)量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，從下至上包括藍(lán)寶石襯底、GaN緩沖層、N型GaN導(dǎo)電層、多量子阱有源區(qū)和P型GaN導(dǎo)電層，所述量子阱有源區(qū)包括量子阱層和量子壘層；所述量子壘層由P型摻雜量子壘和N型摻雜量子壘組成。

進一步優(yōu)化地，所述P型摻雜量子壘和N型摻雜量子壘的厚度比小于等于1。

進一步優(yōu)化地，所述P型摻雜量子壘的摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3。

進一步優(yōu)化地，所述N型摻雜量子壘的摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3-1×10²¹cm^-3。

進一步優(yōu)化地，量子壘層中靠近N型GaN導(dǎo)電層一側(cè)為P型摻雜量子壘，靠近P型GaN導(dǎo)電層一側(cè)為N型摻雜量子壘。

進一步優(yōu)化地，所述GaN緩沖層為GaN成核層，厚度為10-100 nm。

進一步優(yōu)化地，所述GaN緩沖層是GaN成核層和非故意摻雜GaN層，其中GaN成核層厚度為10-100 nm，非故意摻雜GaN層厚度為100-4000 nm；所述N型GaN導(dǎo)電層的硅摻雜濃度2×10¹⁸cm^-3-2×10¹⁹cm^-3；P型GaN導(dǎo)電層中鎂的摻雜濃度2×10¹⁸cm^-3-2×10²⁰cm^-3。

進一步優(yōu)化地，多量子阱有源區(qū)中的量子阱層和量子壘層可周期交替排列（順序周期排列可調(diào)）。

進一步優(yōu)化地，所述N型GaN導(dǎo)電層厚度為1000-4000nm。

制備上述的一種具有微PN結(jié)量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的方法，其包括如下步驟：

(1)將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對襯底片進行高溫清洗；

(2)將溫度降低到550攝氏度，反應(yīng)室通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(1)所述的襯底片上生長30 nm的GaN成核層；

(3)將反應(yīng)室溫度提高到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的成核層上生長2um的非故意摻雜GaN層；

(4)反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(3)所述的非故意摻雜GaN層上生長N型GaN導(dǎo)電層,厚度2 um，摻雜濃度8×10¹⁸cm^-3；

(5)反應(yīng)室溫度降低到800攝氏度，通入二茂鎂、氨氣、氮氣、三甲基鎵，在步驟(4)所述的N型摻雜GaN導(dǎo)電層上生長P型摻雜的GaN多量子阱勢壘層；

(6)反應(yīng)室溫度降保持800攝氏度，通入硅烷、氨氣、氮氣、三甲基鎵，在步驟(5)所述的P型摻雜GaN多量子阱勢壘層上生長N型摻雜的GaN勢壘層；

(7)反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，通入氨氣、氮氣、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(7)得到的InGaN多量子阱勢壘層上生長InGaN多量子阱勢阱層；

(8)循環(huán)重復(fù)如下步驟（a）、步驟（b）、步驟（c）10次，得到InGaN/pGaN/nGaN多量子阱有源區(qū)：

(a)將反應(yīng)室溫度升至800攝氏度，繼續(xù)生長P型摻雜的GaN多量子阱勢壘層；

(b)將反應(yīng)室溫度升至800攝氏度，繼續(xù)生長N型摻雜的GaN多量子阱勢壘層；

(c)反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，在步驟(b)所述的勢壘層上生長InGaN多量子阱勢阱層；

(9)反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮氣三甲基鎵，溫度提高到950攝氏度，在步驟(8)所述的有源區(qū)上生長P型GaN導(dǎo)電層厚度200 nm，摻雜濃度5×10¹⁹cm^-3。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：

本實用新型針對現(xiàn)有GaN基發(fā)光二極管外延片InGaN量子阱與GaN量子壘的晶格失配度大，電子-空穴波函數(shù)分離嚴(yán)重導(dǎo)致的內(nèi)量子效率低等問題，提出一種具有PN雙摻雜GaN勢壘層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。PN雙摻雜的GaN勢壘層內(nèi)建電場可以屏蔽部分極化電場，減小量子阱的總電場強度，提高電子空穴波函數(shù)重疊幾率，增加LED的內(nèi)量子效率。本實用新型的量子壘PN摻雜的內(nèi)建電場與發(fā)光二極管PN結(jié)的內(nèi)建現(xiàn)場方向相反，因此可以減小總的內(nèi)建電場強度，降低發(fā)光二極管的工作電壓，進一步提高發(fā)光二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1 為GaN外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 為常規(guī)GaN基LED多量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 為本實用新型GaN基LED多量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 、圖5分別是本實用新型LED和傳統(tǒng)LED在不同注入電流密度下的能帶圖。

圖6是本實用新型LED和傳統(tǒng)LED在相同注入電流密度下的光功率曲線，在圖中，縱坐標(biāo)為光功率，單位是mW,橫坐標(biāo)是注入電流密度，單位是A/cm²。

圖中：1、襯底；2、GaN成核層；3、非故意摻雜GaN層；4、N型GaN導(dǎo)電層；5、多量子阱有源區(qū)；6、P型GaN導(dǎo)電層；7、量子阱層；8、量子壘層；801、P型摻雜量子壘；802、N型摻雜量子壘。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明，但不限于此。

以下僅僅作為一個實施例、一種具有PN摻雜量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)

如圖1所示，所述發(fā)光二極管自下而上依次為藍(lán)寶石襯底1、GaN成核層2、非故意摻雜GaN層3、N型GaN導(dǎo)電層4、多量子阱有源區(qū)5和P型InGaN導(dǎo)電層6。從下至上包括藍(lán)寶石襯底、GaN緩沖層、N型GaN導(dǎo)電層、多量子阱有源區(qū)和P型GaN導(dǎo)電層，多量子阱有源區(qū)中的量子阱層和量子壘層可周期交替排列（順序可調(diào)）；所述量子壘層由P型摻雜量子壘和N型摻雜量子壘組成。

作為一種實例，外延生長步驟如下：

(1).將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對襯底片進行高溫清洗。

(2).將溫度降低到550攝氏度，反應(yīng)室通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(1)所述的襯底片上生長30 nm的GaN成核層。

(3).將反應(yīng)室溫度提高到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的成核層上生長2um的非故意摻雜GaN層。

(4).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(3)所述的非故意摻雜GaN層上生長N型GaN導(dǎo)電層,厚度2 um，摻雜濃度8×10¹⁸cm^-3。

(5).反應(yīng)室溫度降低到800攝氏度，通入二茂鎂、氨氣、氮氣、三甲基鎵，在步驟(4)所述的N型GaN導(dǎo)電層上生長P型摻雜的GaN勢壘層，厚度5nm，摻雜濃度5×10¹⁸cm^-3。

(6).反應(yīng)室溫度降保持800攝氏度，通入硅烷、氨氣、氮氣、三甲基鎵，在步驟(5)所述的P型摻雜GaN勢壘層上生長N型摻雜的GaN勢壘層，厚度5nm，摻雜濃度5×10¹⁸cm^-3。

(7).反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，通入氨氣、氮氣、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(6)所述的量子阱勢壘層上生長InGaN多量子阱勢阱層；

(8).循環(huán)重復(fù)如下步驟（a）、步驟（b）、步驟（c）10次，得到InGaN/pGaN/nGaN多量子阱有源區(qū)：

(a).將反應(yīng)室溫度升至800攝氏度，繼續(xù)生長P型摻雜的GaN多量子阱勢壘層，厚度5nm，摻雜濃度5×10¹⁸cm^-3。

(b).將反應(yīng)室溫度升至800攝氏度，繼續(xù)生長N型摻雜的GaN多量子阱勢壘層，厚度5nm，摻雜濃度5×10¹⁸cm^-3。

(c).反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，在步驟(b)所述的勢壘層上生長InGaN多量子阱勢阱層；

(9). 反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮氣三甲基鎵，溫度提高到950攝氏度，在步驟(8)所述的有源區(qū)上生長P型GaN導(dǎo)電層厚度200 nm，摻雜濃度5×10¹⁹cm^-3。

由圖4和圖5可知，在相同注入電流密度和量子阱位置，本實用新型的LED量子阱的能帶傾斜程度明顯低于傳統(tǒng)LED的能帶傾斜。

由圖6可知，在相同注入電流密度時，本實用新型的LED光功率明顯高于傳統(tǒng)LED的光功率。

上述制備得到的具有PN摻雜量子壘的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，PN雙摻雜的GaN勢壘層內(nèi)建電場可以屏蔽部分極化電場，減小量子阱的總電場強度，提高電子空穴波函數(shù)重疊幾率，增加LED的內(nèi)量子效率。本實用新型的量子壘PN摻雜的內(nèi)建電場與發(fā)光二極管PN結(jié)的內(nèi)建現(xiàn)場方向相反，因此可以減小總的內(nèi)建電場強度，降低發(fā)光二極管的工作電壓，進一步提高發(fā)光二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。