CN203850327U - 具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，涉及LED外延领域。包括衬底和其上的外延层，外延层自下至上为GaN缓冲层、非故意掺杂U型GaN层、Si掺杂N型GaN层、InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层、InGaN/GaN多重量子阱发光层、Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层、Mg掺杂P型GaN层和接触层。本实用新型在InGaN/GaN多重量子阱发光层前生长InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层，抑制在大电流注入下电子溢流到非量子阱区与空穴发生非辐射复合，同时借助二维电子气提高电子横向扩展效率，实现LED在大电流注入下发光效率的提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及LED外延技术领域。
背景技术
LED是一种将电能直接转化为光能的固态半导体器件，相对于传统光源，LED具有体积小、使用寿命长、响应速度快、发光效率高的特点，因此LED成为一种备受瞩目的新型绿色光源进入照明领域。但是在大电流注入下LED存在发光效率衰减的问题，在一定程度上限制了大功率、高亮度LED的开发，也制约了LED在通用照明领域的发展。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，在生长InGaN/GaN多重量子阱发光层前生长具有二维电子气结构的InGaN/AlGaN多重量子阱电子发射层，用以抑制在大电流注入下电子溢流到非量子阱区与空穴发生非辐射复合，同时借助二维电子气来提高电子的横向扩展效率，以实现LED在大电流注入下发光效率的提高。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，包括衬底和位于衬底上表面的外延层，外延层自下至上依次为GaN缓冲层、非故意掺杂U型GaN层、Si掺杂N型GaN层、InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层、InGaN/GaN多重量子阱发光层、Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层、Mg掺杂P型GaN层和接触层。
其中，接触层可以为Mg掺杂的P型InGaN接触层或Si掺杂的N型InGaN接触层。
优选的，InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层设有5～15对InGaN阱层一和AlGaN垒层结构，此结构对数<5对，大电流下多重量子阱对电子的限域作用会减弱，对数>15对，由于InGaN与AlGaN较大的晶格失配，会导致晶体质量下降，此两点均会导致LED光电性能的下降；InGaN阱层一的厚度为 2～4纳米，AlGaN垒层的厚度为3～6纳米。由于InGaN与AlGaN较大的晶格失配，InGaN阱层一的厚度偏小或偏大均会导致阱层晶体质量变差，AlGaN垒层的厚度偏小会降低对电子的限域作用，偏大会导致电子隧穿减弱，LED电压升高。
进一步优选的，InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层设有10～12对InGaN阱层一和AlGaN垒层结构。
优选的，InGaN/GaN多重量子阱发光层设有8～15对InGaN阱层二和GaN垒层结构，此结构对数<8对，参与发光的阱会减少，导致亮度下降；对数>15对，由于空穴较大的有效质量，参与发光的阱不会相应增加，并且由于InGaN与GaN的晶格失配会导致阱的晶体质量下降；InGaN阱层二的厚度为3纳米，GaN垒层的厚度为11-12纳米。InGaN阱层二的厚度偏小或偏大，均会导致阱层晶体质量变差，同时偏厚的阱层还会降低电子的限域效应，导致内量子效率下降；GaN垒层厚度偏小，对电子的限域作用下降，内量子效率会下降，厚度偏大空穴的隧穿效率会降低，导致内量子效率下降。
进一步优选的，InGaN/GaN多重量子阱发光层设有12对InGaN阱层二和GaN垒层结构。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型在生长InGaN/GaN多重量子阱发光层前生长InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层，用以抑制在大电流注入下电子溢流到非量子阱区与空穴发生非辐射复合，同时借助二维电子气来提高电子的横向扩展效率，使得LED在大电流注入下发光效率提高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明；
图1是本实用新型实施例1的结构示意图；
图中，1、衬底；2、GaN缓冲层；3、非故意掺杂U型GaN层；4、Si掺杂N型GaN层；5、InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层；5-1、InGaN阱层一；5-2、AlGaN垒层；6、InGaN/GaN多重量子阱发光层；6-1、InGaN阱层二；6-2、GaN垒层；7、Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层；8、Mg掺杂P型GaN层；9、接触层。
具体实施方式
实施例1
一种具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，包括衬底1和位于衬底1上表面的外延层，外延层自下至上依次为GaN缓冲层2、非故意掺杂U型GaN层3、Si掺杂N型GaN层4、InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5、InGaN/GaN多重量子阱发光层6、Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层7、Mg掺杂P型GaN层8和接触层9。其中，衬底1可以为蓝宝石衬底；接触层9可以为Mg掺杂的P型InGaN接触层或Si掺杂的N型InGaN接触层。
InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5设有5对InGaN阱层一5-1和AlGaN垒层5-2结构；InGaN阱层一5-1的厚度为3纳米，AlGaN垒层5-2的厚度为4纳米。
InGaN/GaN多重量子阱发光层6设有8对InGaN阱层二6-1和GaN垒层6-2结构；InGaN阱层二6-1的厚度为3纳米，GaN垒层6-2的厚度为11纳米。
外延层生长过程如下：
1. 氢气气氛下高温烘烤衬底1；
2. 低温生长GaN缓冲层2；
3. 高温下生长非故意掺杂U型GaN层3；
4. 高温下生长Si掺杂N型GaN层4；
5. 850～1000℃生长InGaN/AlGaN 二维电子气结构多重量子阱电子发射层（2D EG EE-MQW）5。要求此层结构中InGaN阱层一5-1的带隙宽度大于InGaN/GaN多重量子阱发光层6中InGaN阱层二6-1的带隙宽度；
6. 生长InGaN/GaN多重量子阱发光层6；
7. 生长Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层7；
8. 生长Mg掺杂P型GaN层8；
9. 生长接触层。
在生长InGaN/GaN多重量子阱发光层6前生长InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5是本外延片的核心。具有纤锌矿结构的GaN基III-V族材料由于晶体结构的对称性不高，使得III-V族氮化物即使在没有外界压力引起形变时也会有极化效应，这称为自发极化；此外GaN，AlN和InN的晶格常数分别为3.189 ，3.112和3.548，在AlN/GaN中AlN是受到张应力，在InN/GaN中InN是受到压应力。在生长平面上的晶格受应力而发生应变，会使在生长方向上的晶格也发生应变，因而在生长方向上产生压电效应，从而产生压电极化。极化效应产生的极化电荷出现在异质结界面处，因此在InGaN/AlGaN界面处会产生高密度的二维电子气（2D EG），借助二维电子气的作用，电子可以更好的向横向扩展。同时，由于AlGaN较高的势垒，可以更好的将电子局域化，抑制在大电流注入下电子溢流到非量子阱区与空穴发生非辐射复合，以此两点来改善大电流注入下LED发光效率降低的问题，发光效率可提高5%。
实施例2
与实施例1的区别在于，InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5设有10对InGaN阱层一5-1和AlGaN垒层5-2结构；InGaN阱层一5-1的厚度为2纳米，AlGaN垒层5-2的厚度为3纳米。
InGaN/GaN多重量子阱发光层6设有15对InGaN阱层二6-1和GaN垒层6-2结构；GaN垒层6-2的厚度为12纳米。
实施例3
与实施例1的区别在于，InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5设有12对InGaN阱层一5-1和AlGaN垒层5-2结构；InGaN阱层一5-1的厚度为4纳米，AlGaN垒层5-2的厚度为5纳米。
InGaN/GaN多重量子阱发光层6设有12对InGaN阱层二6-1和GaN垒层6-2结构。
实施例4
与实施例1的区别在于，InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层5设有15对InGaN阱层一5-1和AlGaN垒层5-2结构；AlGaN垒层5-2的厚度为6纳米。
InGaN/GaN多重量子阱发光层6设有10对InGaN阱层二6-1和GaN垒层6-2结构；GaN垒层6-2的厚度为12纳米。
Claims (5)
1.一种具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，包括衬底（1）和位于所述衬底（1）上表面的外延层，其特征在于：所述外延层自下至上依次为GaN缓冲层（2）、非故意掺杂U型GaN层（3）、Si掺杂N型GaN层（4）、InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层（5）、InGaN/GaN多重量子阱发光层（6）、Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层（7）、Mg掺杂P型GaN层（8）和接触层（9）。
2.根据权利要求１所述的具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，其特征在于所述InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层（5）设有5～15对InGaN阱层一（5-1）和AlGaN垒层（5-2）结构；所述InGaN阱层一（5-1）的厚度为 2～4纳米，AlGaN垒层（5-2）的厚度为3～6纳米。
3.根据权利要求2所述的具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，其特征在于所述InGaN/AlGaN二维电子气结构多重量子阱电子发射层（5）设有10～12对InGaN阱层一（5-1）和AlGaN垒层（5-2）结构。
4.根据权利要求１所述的具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，其特征在于所述InGaN/GaN多重量子阱发光层（6）设有8～15对InGaN阱层二（6-1）和GaN垒层（6-2）结构；所述InGaN阱层二（6-1）的厚度为3纳米，GaN垒层（6-2）的厚度为11-12纳米。
5.根据权利要求4所述的具有二维电子气结构电子发射层的GaN基LED外延片，其特征在于所述InGaN/GaN多重量子阱发光层（6）设有12对InGaN阱层二（6-1）和GaN垒层（6-2）结构。
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