[發明專利]低極化效應的氮化鎵基發光二極管用外延材料及制法

有效

• 申請號: 200610089289.4
• 申請日: 2006-08-15
• 公開（公告）號: CN101127376A
• 公開（公告）日: 2008-02-20
• 發明（設計）人: 陳弘;賈海強;郭麗偉;王文新;周均銘
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司
• 代理人: 高存秀

技術領域

本發明涉及氮化鎵基發光二極管用外延材料及制備方法，特別涉及一種采用量子阱調制技術來減弱極化效應的低極化效應的氮化鎵基發光二極管用外延材料及制法。

背景技術

以GaN為代表的寬禁帶材料，是繼Si和GaAs之后的第三代半導體。由于外延技術的突破，在上個世紀九十年代期間有快速的發展。在不到十年的時間內，GaN已變成全球性研究發展課題，而GaN市場中發光二極管又占了主要份額，目前藍寶石襯底有C面和A面用于GaN基發光二極管已經產業化.我們目前通常在C面藍寶石襯底上外延GaN基LED，得到的是c面GaN，III-V族氮化物材料的空間結構不具有空間中心反演對稱，并且V族元素的原子和N原子的電負性相差很大，因此沿GaN的<0001>方向具有很強的極性.這一極化效應將產生強度較高的內建電場，并且使正負載流子在空間上分離，這樣導致發光波長紅移，更嚴重的后果是電子和空穴波函數交疊變少，材料的發光效率大大降低。

目前，國際上GaN基藍光LED的內量子效率最高才達到30％，一般僅到20％.而對于無極化效應的GaAs系LED，其最高內量子效率可以達到100％，常規產品的內量子效率也可以達到70％左右。因此，研究生長非極性面的GaN，消除電子、空穴的空間分離，對于提高發光二極管的發光效率，提供了重要途徑。

GaN晶體質量差，位錯密度高達10⁸-10¹⁰/cm^-2，極化效應強，嚴重的制約了發光二極管的發光效率。實驗表明量子阱中摻In會有效的提高發光效率，當前主流理論認為In組分的存在導致局域化效應，因此提高了量子阱的發光效率。但由于極化效應存在，使局域化效應對提高發光效率的作用被很大程度抵消.分析表明，無極化效應的GaN基LED材料可以大幅度提高量子阱發光效率，從根本上解決GaN基LED高效率的問題。

生長無極化效應的GaN基量子阱目前有兩種方案：一種是選取非極性面襯底上生長出無極化效應的材料；另一種是生長AlInGaN四元合金材料，選取合適的組分配比，抵消掉極化效應。第一種方案有兩個方向，一是在γ-LiAlO2的(001)襯底上利用MBE技術生長(1-100)M面GaN，其主要困難是γ-LiAlO2的熱穩定性差，并且生長的GaN材料背底摻雜濃度高；二是在藍寶石的r面襯底上生長a面非極性GaN材料，其主要困難是a面GaN外延材料表現出嚴重的不對稱性，外延材料難以實現二維層狀生長。第二種方案的困難在于很難生長出將極化效應完全抵消的材料。

發明內容

本發明目的在于針對以上問題而提供一種低極化效應的GaN基發光二極管外延材料及其制備方法，即采用調控量子阱結構和量子阱有源區結構結合，通過能帶工程，使量子阱有源區的能帶彎曲產生反方向彎曲，實際降低量子阱有源區的極化效應，實現了量子阱有源區的低極化效應，增大了電子或空穴波函數的交疊，并且由于調控量子阱區的電子隧穿進入有源區量子阱，提高了電子濃度，進一步提高了發光二極管的內量子發光效率；解決常規GaN基LED量子阱有源區由于強極化效應產生強度較高的內建電場，并且使正負載流子在空間上分離而導致發光波長紅移，更嚴重的后果是電子或空穴波函數交疊變少，材料發光效率低的問題。

本發明的技術方案如下：

本發明提供的低極化效應的GaN發光二極管用外延材料的制備方法，其特征在于，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，將具有較低能帶的長波長量子阱的電子或空穴隧穿到具有較高能帶的短波長量子阱中，以提高的量子阱發光效率；

同時，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，利用不同極化效應引起的量子阱界面電荷不同，用極化效應高界面電荷大的量子阱來減少極化效應低的量子阱的極化效應，以提高量子阱電子或空穴交疊，提高GaN基LED用外延材料的發光強度；

所述的具有較低能帶的長波長量子阱是指設計光熒光波長為200nm至600nm的量子阱；

所述的具有較高能帶的短波長量子阱是指設計光熒光波長為200nm至600nm的量子阱；

所述具有較低能帶的長波長量子阱的設計光熒光峰位相比所述的具有較高能帶的短波長量子阱的設計光熒光峰位向長波長方向移動的范圍在5nm～100nm之間。

所述極化效應高界面電荷大的量子阱是指界面電荷為1E13C/cm²至5E14C/cm²的量子阱；