[發明專利]一種LED外延結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201610128773.7
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN105742430A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 賈偉;趙晨;李天保;余春燕;許并社
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/18;H01L33/22;H01L33/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種LED外延結構及其制備方法。

背景技術

GaN基LED作為新型的節能光源，有望為全球多達15億的人口送去光明，但它要想全面替代普通照明，真正的走進千家萬戶，還需要進一步降低成本，提高發光強度及發光效率。這些都需要以新型的高性能GaN基LED外延結構研發為基礎，因而開展GaN基新型LED外延結構研究具有重要意義。

目前，商用GaN基LED外延層多為二維的多層膜結構，主要包括未摻雜層、Si摻雜的n型層、InGaN/GaN多量子阱有源層及Mg摻雜的p型層。近年來隨著對大功率、高亮度及長壽命LED器件需求的日益加大，上述結構暴露出以下幾個問題：

第一、較高的位錯密度。由于與商用藍寶石襯底具有較大的晶格失配度與熱膨脹系數，生長的GaN材料中存在大量位錯，其密度一般在10⁸-10⁹cm^-2之間。位錯對載流子的散射作用大大減小了電流在有源層中的分布，是LED結構中的主要電流泄露源，而且位錯在有源層中非常容易形成非輻射復合中心，這些都嚴重影響了LED的發光效率。

第二、量子限制斯塔克效應。由于GaN材料的纖鋅礦結構特點及晶格失配與熱失配引起的應力場作用，有源層內存在很強的極化電場，使得能帶傾斜、勢阱變深、電子和空穴的波函數空間分離，導致載流子復合幾率減小，LED結構的內量子效率降低，發射光譜紅移。

第三，效率驟降。由于俄歇復合效應、有源層內的極化電場及載流子泄漏、空穴注入不均勻、與缺陷有關的載流子隧穿和富In區的載流子去局域化等諸多原因，LED結構的發光效率會隨著注入電流密度的增大而迅速降低。

第四，全反射損失。由于藍寶石襯底、GaN外延層以及空氣間存在較大的折射率差，在有源層內發出的光線射到以上兩種物質的界面時，會發生全反射現象，因而只有少部分光可以發射出來，導致LED的出光效率很低。

第五，需要通過熒光粉來合成白光。白光LED目前主要是以GaN外延層中產生的藍光激發發射黃光熒光粉而產生，其轉化效率較低，顯色指數較差。

為此，中國專利文獻CN102842659A公開了一種氮化鎵系半導體發光器件外延片的制作方法，其包括如下步驟：在圖形化襯底表面低溫生長成核層；對成核層高溫退火后，形成凸凹不平的表面；在帶有顆粒狀晶核的圖形化襯底表面依次生長非摻雜GaN層、N-GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有凸凹不平表面的LED有源層及表面層結構。與側向外延技術或圖形化襯底外延技術類似，上述結構可以降低位錯密度，從而提高半導體發光器件的發光效率及光提取效率，但其首先采用了成本更高的圖形化襯底，更重要的是器件發光波長控制性相對較差，其發光峰的半高寬較大，難于實現LED的白光發射。

發明內容

為此，本發明所要解決的是現有LED外延結構制備成本高、難于實現白光發射的問題，從而提供一種制備成本低、且能夠實現白光發射的LED外延結構及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

本發明所述的一種LED外延結構，包括襯底，依次層疊形成在所述襯底上的GaN成核層、非摻雜GaN層、N型GaN層、雙異質結層以及P型GaN層；還包括設置在所述N型GaN層與所述雙異質結層之間的SiN_x層。

所述SiN_x層的厚度為10nm～20nm；且所述SiN_x層形成有若干貫通的納米孔洞。

所述雙異質結層包括層疊設置的第一GaN層、InGaN層以及第二GaN層；所述第一GaN層，包括具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(11-22)半極性面和/或(11-21)半極性面和/或(10-12)半極性面和/或(10-11)半極性面和/或(11-23)半極性面。

所述InGaN層包括具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(11-22)半極性面和/或(11-21)半極性面和/或(10-12)半極性面和/或(10-11)半極性面和/或(11-23)半極性面。

所述第二GaN層靠近所述P型GaN層設置，且所述第二GaN層包括具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(11-22)半極性面和/或(11-21)半極性面和/或(10-12)半極性面和/或(10-11)半極性面和/或(11-23)半極性面。